新型同步扭矩马达在挤出机中的应用铁铸件

新型同步扭矩马达在挤出机中的应用

新型同步扭矩马达在挤出机中的应用 2011： 你可以叫它是一种悄无声息的侵入。一种全新种类的挤出机马达正脱颖而出 — 环形、高转矩、永磁性的同步马达。除了罕见的结构紧凑和运行安静以外，它们比原先的马达所用能源要低，比直流马达低10%-20%，比三相交流马达低5%-10%。它们的高转矩性能实现了更高的产量，并且一直在变得越来越高。尽管如此，这种新型马达显著的应用仍是很少的。多数塑料业应用是在注塑机的塑化装置中，胜过在挤出机的应用。但是，五六家欧洲机器制造商正在开发装备有这种新型马达的挤出机。但多数挤出机制造商还是不曾拥有永磁性同步扭矩马达，哪怕是一个样品。 令人惊奇的是这种马达并不真正象市场大多数人士所认为的是“实验性”的。这种新型马达的生产商已向所制挤出机应用在生产及加工工厂中的挤出机制造商提供了150多台。多数这种环形扭矩马达是在欧洲，少数在美国。 这种马达得到商业性应用的挤出领域包括有管材、吹膜、片材和连续挤吹成型。几百件马达也已经被用于挤出生产线的下游部件中，如冷却辊、卷取机和放卷机。 新型马达实际不产生振动或噪音，几乎不需要保养。它们是被水冷的，无尘，不用油，这些对于医用和食品包装薄膜生产商来说都是优势所在。马达结构紧凑，对于共挤出也是一个优点。它们在其由零开始的整个速度范围内还提供稳定的扭矩，而交流和直流马达在低速下会丧失扭矩。新型马达比组合在一起的交流马达和变速箱较小。它们也易于被安装，所需接线较少。

图1：同步扭矩马达有着与众不同的空圆筒或圆环形状，含有数量众多的磁极对

同步扭矩马达有着与众不同的空圆筒或圆环形状，含有数量众多的磁极对，比其它形式的电动马达多出10倍。这就是它们为什么能在低速(20-500rpm)下产生高扭矩(2000-11,000Nm)的原因。在那样的速度范围下，马达能不用齿轮（尽管可以用齿轮），而直接与挤出机的推力轴承进行联接。传统交流和直流马达需要高速(2000-3000rpm)和变速箱来产生高扭矩。 工作原理 同步扭矩马达呈环状和空心。环的外部由带铜线圈的通电定子所组成。内部是永磁材料（钕/铁/硼）带子沿纵向安装的转子。没有电流被供给转子。 在转子上磁极对与定子线圈中磁极对之间的缝隙里产生扭矩。磁体在转子上沿纵向运动，正极与负极交替转化。定子上的线圈数与转子上磁体数相当。 定子上每个线圈也是既正或负的。当交流电压被施加到马达中时，线圈会交替变换它们的极性（正/负）。它们以每秒几次的速度变化，与马达速度相同。这就是“同步”一词的由来。西门子的一位工程师指出：“当你想更快时，你就用更大电流，产生更大的扭矩。” 转子直径越大，产生电能的磁极对数量就越大。一台同步扭矩马达可以有8至40个磁极对，明显比有2、4或6对的非电刷式直流马达要多，也比有4或6对的直流马达多。传统直流与交流马达只有在电流经过它们时才会被磁化。它吸收能量产生磁场，比永磁性马达的效率要低。非电刷式直流伺服马达在转子上有永磁体，在定子上有线圈，但直径较小，磁极对少得多。 同步扭矩马达已经存在几年了，直径和长度极多。扭矩随直径和长度都会增加。小直径马达的形状就象一个圆圈或圆筒，大直径马达的形状就象薄扁环。但马达长度在应用上有着限制。把永磁条做得更长，会形成更大的扭矩，但在长度大到一定程度时，扭矩太大，从而转子会完全地分开。

图2：同步永磁马达的功率随直径增加而提高，扭矩随长度增加而提高

规格限制 马达生产商于80年代开发出了首个永磁扭矩马达。但在那时它们个大，也贵得惊人，所以只有军队才能买得起它们。它们首先被制作用于给雷达、望远镜或巡航导弹供电，后来被用于电梯和机床中。当要给机床供电而需要更大扭矩时，多种永磁马达被串联排列，这也是相当昂贵的。 在90年代中期以前，马达制造商开发出首款标准永磁马达，并逐步提高了扭矩。它们以注塑这个最大的塑料市场为目标，这种马达的优点是能在所有速度下提供稳定的扭矩，即使在骤升和骤降至零的时候。马达制造商们称，这种马达在注塑上的应用仍比挤塑要多出三四倍。 “人们以为扭矩马达更贵，但这并不是真的。”德国Kuhne公司的总经理Stephan Halstrick说，“马达自身可能是较贵的，但整个系统是更便宜的。”头两台用于挤出中的同步马达是在Kuhne的薄膜生产线上，一台装于1997年，另一台装于2001年。马达是由瑞士Etel运动技术公司定制的。 用于挤出机、具有足够扭矩的标准款式同步扭矩马达出现只有三四年时间。这种马达在挤出中的多数应用时间还不超过一年，且几乎全部都在欧洲。 马达制造商正不断提高扭矩能力。目前的上限是10,000-11,000Nm，对于螺杆直径达100mm的挤出机来说是足够的，但对于高产量的吹塑和流延膜生产线来说仍是不够的。 目前挤出用永磁同步马达的规格记录是去年9月由西门子创造，该公司制作出了扭矩为11,000Nm的148kw马达，用于驱动螺杆直径100mm的挤出机。在这之前，最大的这种马达有着7000 Nm的扭矩，对于螺杆直径80mm的挤出机是足够的了。 11,000-Nm永磁马达是为挤出机制造商莱芬豪舍（Reifenhauser）的研发实验室而制造的。莱芬豪舍非常接受这种技术，正考虑使这种新型马达成为标准部件。莱芬豪舍的薄膜业务经理Eike Wedell称：“我们下一步是把挤出机的变速箱完全变为扭矩驱动，扭矩达11,000Nm。”

图2：莱芬豪舍在其Reitorque挤出生产线上利用了西门子的扭矩马达，并正考虑使这种马达成为其螺杆直径小于100 mm的所有挤出机的标准部件。

同步马达制造商并未停步不前。“在一两年内，我们将生产出20,000-30,000Nm的机型，”德国Oswald Elektromotoren公司承诺。西门子类似的计划也在进行中，要开发扭矩32,000 Nm、转速1000rpm的马达，足够驱动吹膜用120mm的螺杆或流延膜用150mm螺杆。大显身手 在挤出机中安装新型马达需要的不只是熟练的技巧。它需要编写控制软件的能力。这不只是简单地把新马达装在挤出机之上，因为它的运转、电学和控制与交流或直流马达的是完全不一样的。 但困难并不是无法超越的。现在挤出中的多数应用已由一家机器制造商完成。瑞士Soplar公司在前年已经在挤出机上安装了约100台Oswald出品的较低扭矩MF马达，用于挤吹成型。超过85台被装在新挤出机上，15台被装在翻新机上。Soplar公司称并不是那么困难的。 “你需要适合它的变频器驱动和提供速度指令的方法。但它是标准马达，利用的是标准控制，”一位曾安装几十台同步扭矩马达的工程师如此解释。马达需要光学译码器，其线性计数高达9000线/转。 因为三相交流马达的保养费事，Soplar公司被促使试用这种新型马达。Soplar公司的工程师说 ：“我们在应用交流马达时推力轴承存在问题。当它以高转速运行时，轴承会用坏。但同步马达就完全不会产生任何问题。”Soplar用Oswald MF出品的有着相同框架尺寸的永磁扭矩马达取代了70 kw的异步交流马达。它有着90kw的功率，以100%的能力运转时不会出现磨损问题。 Soplar为适应新的同步扭矩马达而重编了控制软件。幸运的是，Soplar已经使用了能与交流马达和同步扭矩马达兼容的马达驱动器。具有新一代马达的挤出机正在50家挤吹成型工厂里运转。 有关同步扭矩马达使用的唯一法律上的限制是马达如何安装在挤出机驱动轴之上的。莱芬豪舍为一种方法申请了专利，是把轴穿过空心马达的中间，这是最为有效的联结，因为它能从挤出机背部把轴取下来，而不用拆卸模具和后续的冷却与卷取设备。

图4：当电压被输入到定子中时，转子磁体的磁极对和定子线圈会排列好。马达旋转速度与定子由正到负交替变换时的速度同步。

加工商的评价 德国Nordfolien公司使用了一条带三台莱芬豪舍Reitorque挤出机的三层共挤吹膜生产线。该生产线于去年7月开始运转，生产重海运袋用膜。Nordfolien称有了新型马达后完全没有加工问题了，但还不能就节能进行评价。

图5：三台装有同步扭矩马达的Reitorque挤出机被德国Nordfolien公司使用，是首次用于吹膜生产线中，生产重型海运包装袋所用三层膜。

挪威的Oldroyd公司从去年6月起拥有一台扭矩为7000 Nm的Reitorque挤出机。它挤出的是真空成型用的薄板材。 德国的Empur公司是安装同步扭矩马达的首家管材挤出生产商，这要追溯到2003年5月。该公司挤出室内取暖用PE热水管。Empur称节能是足够的大，证明购买五台具有这种马达的机器是正确的。 德国Aquatherm公司在室内取暖管挤出领域是Empur的竞争对手。Aquatherm步Empur之后尘，安装了扭矩为7000 Nm的50-mm Reitorque挤出机。 供应商一览 有五家欧洲马达制造商提供扭矩足够用于挤出机的标准永磁同步马达：Oswald, 西门子（Siemens）, Etel, Baumuller,和博世力士乐（Bosch Rexroth）。其中Oswald, 西门子和Etel的产品在挤出业都已实现商业性应用。而Baumuller正在与三家挤出机生产商进行实验室试验，有望很快实现商业性应用。(end)

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