吉學齊

(山東日發(fā)紡織機械有限公司，山東 聊城 252000)

0 引言

噴氣織機采用壓縮空氣進行引緯，具有速度快、效率高、織物風格好等優(yōu)點，是織造領(lǐng)域的主流生產(chǎn)設(shè)備。近年來噴氣織機在提高速度、降低能耗、提升自動化水平等方面有了較大發(fā)展，其中降低能耗是噴氣織機重要的研究課題。噴氣織機能耗由壓縮空氣能耗與織機自身電耗兩部分組成，其中織機電機是影響自身能耗的重要因素。

1 主傳動的作用及形式

噴氣織機主傳動的作用，是將主傳動電機的轉(zhuǎn)動通過傳動機構(gòu)傳遞給織機主軸及相關(guān)運動部件，實現(xiàn)織機各種動作?？棛C主傳動應(yīng)具備：① 啟動迅速，在第1次打緯時，織機車速就應(yīng)達到或接近正常運轉(zhuǎn)的速度；② 制動平穩(wěn)、快捷，停車位置準確，符合工藝和操作要求，有利于重新開車啟動；③ 操作方便，既有正常啟動、制動功能，也可實現(xiàn)某些特殊操作，如慢車、手動正反向點動等功能；④ 結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定。

各型號噴氣織機因其總體布局以及結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同，有不同的傳動系統(tǒng)及啟動、制動系統(tǒng)。噴氣織機主傳動形式目前有兩種：一種是超啟動三相異步電機，通過皮帶、帶輪，配合電磁制動器實現(xiàn)織機的傳動，這種形式以津田駒、豐田等日系噴氣織機為主，國產(chǎn)噴氣織機也是此種結(jié)構(gòu)；另一種采用開關(guān)磁阻電機，通過齒輪減速后實現(xiàn)織機啟動，電機反向通電后產(chǎn)生制動力實現(xiàn)織機制動，采用這種主傳動形式的主要是歐洲機型，如：比利時必佳樂、意大利意達等噴氣機型，國產(chǎn)噴氣織機制造企業(yè)尚無采取此種傳動形式的產(chǎn)品。

2 三相異步電機配合皮帶驅(qū)動

超啟動三相異步電機配合皮帶、帶輪傳動模式，其工作原理如圖1所示。

1—電機小帶輪；2—三相異步電機；3，6—螺釘；4—電機底座；5—心軸；7—織機主軸；8—織機大帶輪；9—電磁制動器；10—三角帶。圖1 三相異步電機驅(qū)動織機示意

電機小帶輪安裝在異步電機的主軸上，異步電機通過螺釘固定在電機底座上，電機底座套裝在心軸上，并由螺釘鎖緊?？棛C大帶輪固定在織機主軸上，電磁制動器固定在織機機架上，電磁制動器的摩擦片與織機大帶輪的軸向距離保持為0.02 mm～0.04 mm。三角帶安裝在電機帶輪和大帶輪之間?？棛C啟動時異步電機通電，動力由兩個帶輪和皮帶傳遞給織機主軸，進而驅(qū)動織機運轉(zhuǎn)，完成各種工藝動作。當發(fā)生紗線斷頭或者織機出現(xiàn)故障需要停機時，主電機斷電，電磁制動器線圈吸合，與大帶輪同步運轉(zhuǎn)的彈簧片與制動器的摩擦片吸合完成制動，制動完成后再慢動至定位停車角度。為方便操作，發(fā)生斷經(jīng)停機時一般要求織機定位停止在上心或綜平位置，便于處理斷經(jīng)。當發(fā)生緯向故障停車時要求迅速停止在綜平位置附近，然后再根據(jù)工藝需要慢動反轉(zhuǎn)，將有故障緯紗的梭口打開，完成所謂的“自動找梭口”過程。

這種模式的主傳動需要選擇合適的電機，使其機械性能適應(yīng)織機運轉(zhuǎn)特性的要求。所用電機除選定合適的額定功率外，還必須考慮電機的允許最大轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)差率等特性參數(shù)，另外傳動系統(tǒng)還應(yīng)滿足織機的負載條件、啟動和制動及有關(guān)操作與控制的特殊要求。

超啟動電機驅(qū)動模式的主傳動，具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、成本低、控制驅(qū)動方便等優(yōu)點，但缺點也十分明顯：① 傳統(tǒng)的三相異步電機功率因數(shù)低、效率低，啟動時沖擊電流大，對設(shè)備沖擊大，影響電網(wǎng)正常運行；② 三角帶傳動效率低，能量損耗大，皮帶使用壽命短，損壞后需要定期更換，增加維護成本；③ 電磁制動器摩擦盤存在磨損，使用一定時間后需要調(diào)整間隙，否則會出現(xiàn)織機停車位置不準確問題；④ 織機更改轉(zhuǎn)速時需要停機人工操作更換帶輪，費時費力，效率低下。

3 開關(guān)磁阻電機直接驅(qū)動

1999年比利時必佳樂公司推出了SUMO電機直接驅(qū)動模式，其實質(zhì)是一種開關(guān)磁阻電機用于無梭織機的直驅(qū)調(diào)速系統(tǒng)。磁阻電機通過傳動齒輪機構(gòu)驅(qū)動織機主軸，織機的速度可以自動設(shè)定，靠電機的啟停、調(diào)速實現(xiàn)織機的啟停、調(diào)速。該系統(tǒng)從總體上分為兩部分，即開關(guān)磁阻電機和與之對應(yīng)的控制器，原理見圖2。

圖2 開關(guān)磁阻電機直接驅(qū)動織機示意

SUMO電機軸安裝有雙耦合齒輪，同時與織機主軸齒輪和織機開口齒輪嚙合，織機啟動時由SUMO電機驅(qū)動開口機構(gòu)與織機整機同時運轉(zhuǎn)；當發(fā)生緯停故障停機時，雙耦合齒輪動作，保持開口部分嚙合情況下與織機主軸齒輪脫離；SUMO電機僅驅(qū)動開口機構(gòu)運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)尋緯動作。開關(guān)磁阻電機直接驅(qū)動模式的優(yōu)點：① 取消皮帶、離合器和剎車盤等零部件，簡化了織機結(jié)構(gòu)；② 通過電機實現(xiàn)織機調(diào)速，通過計算機或按程序自動調(diào)節(jié)，提高生產(chǎn)效率，增強織機品種適應(yīng)性。

開關(guān)磁阻電機直接驅(qū)動相比異步電機驅(qū)動具有一定優(yōu)勢，但缺點也比較明顯：① 開關(guān)磁阻電機的性能特點是非線性，對其性能的精確分析和計算較為困難，電機的控制精度較低；② 磁阻電機的轉(zhuǎn)矩脈動大導致噪聲較大，同時啟動瞬間對外電網(wǎng)沖擊較大，電機溫升較高，使用中需要增加油冷或者水冷循環(huán)系統(tǒng)；③ 磁阻電機成本較高。

4 交流永磁同步電機直驅(qū)

隨著永磁電機技術(shù)的進步，在噴氣織機上使用永磁電機成為可能。相比異步電機驅(qū)動以及磁阻電機驅(qū)動，永磁電機驅(qū)動可以集合兩種驅(qū)動模式的優(yōu)點，具有節(jié)能效果顯著、成本低、穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)比磁阻電機進一步簡化等優(yōu)點，其工作原理見圖3。

1—定位法蘭；2—定子；3—轉(zhuǎn)子; 4—鐵芯；5—主軸；6—螺母；7—軸承座；8—軸承；9—墻板蓋板。圖3 永磁同步電機直驅(qū)裝置示意

永磁同步電機轉(zhuǎn)子與鐵芯通過緊固鍵以及螺母緊固安裝在織機主軸上，永磁同步電機定子通過螺釘安裝在定位法蘭上，定位法蘭由軸承座定位后通過螺桿固定在墻板蓋板。由于軸承座是通過織機曲軸上的軸承進行定位，故永磁電機定子與轉(zhuǎn)子之間的間隙可以精確控制，不會影響電機性能。三相異步電機是通過在勵磁繞組中通入電流來產(chǎn)生磁場的，而永磁同步電機通過永磁體來建立磁場，具有體積小、效率高、功率因數(shù)高、啟動力矩大、力能指標好、溫升低等特點。

永磁同步電機驅(qū)動相比異步電機以及開關(guān)磁阻電機等驅(qū)動模式，優(yōu)點如下。

a) 永磁同步電機的外特性效率曲線相比異步電機，在輕載時效率值要高很多，節(jié)能效果十分顯著，其能耗低于異步電機20%以上。

b) 由于永磁同步電機功率因數(shù)高，相比異步電機其電流更小，電機定子銅耗更小，效率也更高；電機配套的電源如變頻器等，容量可以更低；同功率永磁同步電機比異步電機體積更小。

c) 系統(tǒng)效率高。永磁電機參數(shù)，特別是功率因數(shù)，不受電機極數(shù)的影響，因此便于設(shè)計成多極電機；針對傳統(tǒng)織機需要負載電機通過皮帶輪減速來驅(qū)動的特點，可以直接使用永磁同步電機直驅(qū)系統(tǒng)，省去了皮帶輪、皮帶，提高了傳動效率。

d) 永磁同步電機在低頻時仍能保持良好的工作狀態(tài)，低頻時(也就是啟動低速時)的輸出力矩較異步電機大，同時啟動時配合變頻器驅(qū)動，可以在100 ms內(nèi)達到額定轉(zhuǎn)速，而異步電機需要500 ms才能達到額定轉(zhuǎn)速。其啟動特性如圖4所示。

圖4 永磁電機和異步電機驅(qū)動性能對比

e) 轉(zhuǎn)子無電阻損耗，定子繞組幾乎不存在無功電流，因而電機溫升低，同體積、同質(zhì)量的永磁電機功率可提高約30%；同功率容量的永磁電機體積、質(zhì)量、所用材料可減少30%。

f) 相比于開關(guān)磁阻電機驅(qū)動模式，永磁同步電機傳動結(jié)構(gòu)更為簡化。開關(guān)磁阻電機直驅(qū)必須采用齒輪減速，而永磁同步電機則完全取消了減速齒輪及相應(yīng)減速箱，機構(gòu)更簡化，節(jié)能效果更顯著。

g) 永磁同步電機的控制精度高于開關(guān)磁阻電機的控制精度。

h) 永磁同步電機驅(qū)動裝置的成本遠低于開關(guān)磁阻電機，降低了客戶采購成本。

如圖5所示，使用永磁同步電機的驅(qū)動裝置，比使用三相異步電機傳動機構(gòu)簡單。

a) 三相異步電機方案組件 b) 永磁同步電機方案組件1—三相異步電機；2—三相異步電機支架；3，7—開口皮帶輪機構(gòu)；4—電磁離合制動器；5—電機傳動皮帶/皮帶輪；6—永磁同步電機。圖5 永磁同步電機驅(qū)動裝置

5 永磁同步電機直驅(qū)裝置應(yīng)用效果

永磁同步電機直驅(qū)裝置開發(fā)成功后，應(yīng)用在噴氣織機上，使織機具有在線調(diào)整車速功能，提高了效率，拓展了品種適應(yīng)范圍。由于織機部件減少，降低了設(shè)備故障率以及維護成本，取得了良好效果。

永磁同步電機直驅(qū)裝置在節(jié)電方面效果明顯，與三相異步電機驅(qū)動對比，在車速為850 r/min時，生產(chǎn)經(jīng)緯8.33 tex(75D)四面彈品種，永磁同步電機24 h用電量為55 kW·h，三相異步電機24 h用電量為67 kW·h，24 h節(jié)約用電12 kW·h，可節(jié)電約18%。電費按0.8元/(kW·h)計算，每臺每天可節(jié)約電費9.6元。紡織廠噴氣織機運行時間每年按360 d、織機數(shù)量按100臺計算，則年節(jié)約電費345 600元，節(jié)能效果十分顯著。

此外，三相異步電機驅(qū)動，織機更改車速時需要人工拆卸皮帶輪，費時費力、效率低下，且傳動皮帶使用壽命短，到期或損壞后需及時更換，這都是使用的隱形成本。采用永磁同步電機驅(qū)動裝置則無這些問題，綜合使用效果良好。

6 結(jié)語

永磁同步電機直接驅(qū)動裝置研發(fā)成功后，在實際應(yīng)用中取得了較好效果，與傳統(tǒng)三相異步電機驅(qū)動相比，簡化織機結(jié)構(gòu)，降低維護成本，提高效率，拓展了織機的品種適應(yīng)性，在節(jié)能方面有明顯效果。與開關(guān)磁阻電機驅(qū)動相比，結(jié)構(gòu)進一步簡化，降低故障率，具有良好的成本優(yōu)勢。該裝置的開發(fā)提高了織造工廠的整體效益，符合當前噴氣織機綠色節(jié)能的發(fā)展方向，獲得了用戶的認可與好評。