直驱式伺服电机在造纸装备中的应用研究.pdf

装备及自动化 装备及自动化 2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料18摘要：在相关制造业发展中，企业生产制造对于直驱式伺服电机的性能要求不断提高，国内的装备制造业也对直驱式伺服电机需求量持续加大，对伺服电机生产制造企业而言也是巨大挑战，需要不断加强技术研发，优化技术性能，实现伺服电机在生产制造中发挥更大价值。文章就直驱式伺服电机在造纸装备上的应用进行探究，对直驱式伺服电机的特点和优势进行说明，再结合其在造纸装备中的应用进行探究。关键词：直驱式伺服电机；造纸装备；运行效率分类号：TS734造纸装备的驱动系统包含电力驱动和机械传动结构，关系到设备的使用性能。就现阶段我国大多数造纸企业使用的纸机主流驱动系统来看，其主要结构中有交流变频电机、减速箱、联轴器以及万向联轴器。文章提出的直驱式伺服电机将造纸装备中会带来较大振动和噪声的减速箱以及联轴器去除，从而构建更加便捷高效的伺服电机系统。直驱式伺服电机可以直接驱动低速和大转矩负载，这类直驱式伺服电机在很多领域都有一定的应用，应用在造纸装备中的具有一定可行性，对于提升系统运行效率，有效降低运行中的能量损耗、节约成本等都具有重要意义。1 直驱式伺服电机概述1.1 直驱式伺服电机的运行原理直驱式伺服电机能够直接对接负载，实现电信号的高效转换，以产生相应的转矩和位移输出1。直驱式伺服电机的运行原理如图 1 所示。1.2 直驱式伺服电机的特点及结构以往的永磁同步电机转速和电机极对数是反比关系，在高速运转的情况下一般很难在一些场合中直接应用，因此需要借助减速机来调整转速2。而增加减速机虽然可以有效控制输出转速，增大输出转矩，但是也会造成一定负面作用。使用减速机会降低电机工作效率，让电机系统结构更加复杂，还存在噪声、润滑油泄漏、磨损等问题，需要频繁进行维护，管理难度大，成本高3。此外，在不同的应用场合，还需要配备不同的减速机。文章研究的电机具有较大输出力矩和低速运转，可以直接驱动负载，简化系统结构，提升系统运行效率。直驱式伺服电机的结构如图 2所示。滚珠轴承主信号用零点信号用编码圆盘输入轴分度尺受光元件(光电晶体管)光源(发光二极管)图 2 直驱式伺服电机的结构伺服系统是一种能够自动调整物体位置、方位和状态的控制系统，确保被控量紧密跟随输入目标（或给定值）的变化。其定位机制基于脉冲信号，直驱式伺服电机每接收到一个脉冲信号便会旋转相应的角度，从而精确实现位移控制。在该电机系统中，无须使用会带来诸多问题的减速机，系统可以直接驱动低速和大转矩负载4。1.3 直驱式伺服电机的优势与劣势上述直驱式伺服电机应用优势众多，该系统不需要减速或传动机构，可以有效减少能耗损失，且系统直驱式伺服电机在造纸装备中的应用研究袁大国安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥 231603文章编号：2096-3092（2024）02-0018-03作者简介：袁大国，男，硕士，助教，研究方向为机电一体化技术。伺服控制逻辑运动控制PWM输出负载直驱式伺服电机反馈信号处理PWM脉冲宽度调制。图 1 直驱式伺服电机的运行原理造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月 装备及自动化装备及自动化19结构简单，需要的特殊设备很少5。系统采用集成高分辨率编码器，可有效实现高精度全闭环控制，且直接驱动系统不存在运动延迟和传输间隔问题。整体精度高，性能优良，满足低速大扭矩的需求，方便后续对相关设备进行维护管理。在直驱式伺服电机设计中无须配备减速机，使用优势突出，但是也存在一些劣势。（1）容易受到环境因素扰动，且系统中没有中间介质，会导致电机转动惯量、电机转速、转矩参数、脉动转矩、负载转矩等出现异常。增加设备敏感度，无法保证转矩和定位的精准性和有效性。（2）在相应闭环控制系统内，高阶分量和系统非线性的影响最终也会作用在负载方面，可能会造成系统控制失效，影响其他功能的实现，严重情况下甚至会导致系统不稳定，引发谐振6。（3）在直接驱动系统中，作用于电机轴的扭矩会直接影响负载表现，然而，多种因素可能导致力矩波动增大，因此不易控制。针对以上问题，在开展直驱式伺服电机设计过程中，必须采取切实可行的措施，以实现与直驱应用场景的完美匹配。直驱式伺服电机采用粗而短的电枢设计，因此较大的电枢可以产生更大的扭矩。更大的电枢直径还可以有效增加电机极数并有效降低电机转速，使其能够应用于低速、大扭矩的直驱应用。此外，若直接驱动伺服电机在多极模型中具备显著优势，可以采用螺纹绕组进行制造。然而，此类定子绕组的谐波磁动势较高，需选用适当的极数进行匹配，同时气隙磁场波形也应尽量优化，以降低电机振动幅度过大的风险。此外，还可以借助相关处理方案降低齿槽转矩以及径向力脉动，这对于电机设计性能实现至关重要7。2 直驱式伺服电机在造纸装备中的应用效果及优化对于造纸企业来说，节能降耗是企业生产中必须实现的一个目标。国家“十四五”规划提出的高质量发展目标也要求将“节能”工作落实到位，要加快发展方式绿色转型，以节能优化为基本方针，不断提升资源利用效率。这需要造纸业不断加速产业的转型升级，加速打造符合自身发展特点和需要的绿色制造体系8。就目前的造纸业发展而言，其高质量发展之路中必须解决好节能降耗问题。现阶段，一些大型的造纸企业也开始认识到节能减耗的重要性和必要性，积极响应节能、绿色环保的生产理念，加速技术研发，不断优化生产过程，提升生产加工水平。2.1 直驱式伺服电机的应用效果经测试，将直驱式伺服电机和纸机直接连接起来后，纸机驱动系统的节能效率将提升 10%以上，相应辅助设备也能实现相同的节能目标，理想情况下节能效率甚至接近 30%。应用直驱式伺服电机设备，不仅对企业有利，而且有助于降低吨纸能耗和生产成本，提高造纸机械附加值，减少造纸企业土建投资成本和场地需求。可见，生产的纸机最大的优势是采用了专用伺服电机，可以有效实现纸机的节能目标，其绿色环保性能优越。此外，直驱式伺服电机设备使用的节能降耗指标能够达到国家政策要求，是适应“双碳”计划，推进绿色生产的重要举措，对于未来造纸行业的高质量发展具有重要意义9。以欧佩德（山东）造纸机械有限公司设计的直驱式伺服电机动力控制系统为例，部分造纸企业引入并使用后达到了不错的节能减耗目的，整体造纸装备系统运行稳定。直驱式伺服电机在造纸装备中的应用，不仅能够实现节能减耗目的，它将原本伺服电机系统中的减速机省去，通过伺服电机直连，节电量达到 20%30%，具体的现场测试结果要比这个数据更高10。通过应用该系统配套装备，造纸机的生产效率显著提升，造纸厂的产能也明显增加，整体生产中的能源消耗明显下降，不需要频繁地维护设备，节省了人力、物力，也降低了故障发生频率，设备投入运营中，车间内噪声振动的情况也得到了明显改善，确保相关纸机和辅助设备都持续保持稳定运行状态，应用成效明显。此外，系统还能实现对设备的实时动态监测，技术人员可以随时对设备的运行状态进行查看，方便维护和管理。相关造纸企业应用了直驱式伺服电机系统后，都给出了很高的赞誉11。直驱式伺服电机造纸设备的运行是一个比较复杂过程，提高纸机的车速必须与纸机的其他部分，特别是脱水能力相协调。普通的大直径压榨机或复合压榨机不能保证压纸机的干燥度，因此干燥性能较差，导致干燥时蒸汽能耗较多。因此，需要就自平衡控制系统以及直驱变速器进行优化设计。从研究结果来看，通过将直驱式伺服电机与自平衡双脚复合压纸机联合起来应用，不管是在新系统中还是旧系统中，都可以有效节能降耗。具体计算发现，使用直驱式伺服电机系统 装备及自动化 装备及自动化 2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料20能够让纸机每吨纸节省蒸汽 25%、电力 25%，产能提高 25%。例如，采用 4 800 W 的瓦楞机，总输出功率为5 000 kW。按蒸汽成本 420 元/t、电费 0.68 元/（kW h）计算，每年可节省蒸汽、电力成本 5 000 万元、1 300万元，并可提高生产效益，为公司带来显著的增收效益，同时也能减少二氧化碳排放量，具有很强的经济效益、社会效益和生态效益。因此，继 2021 年 10 月第一台直驱造纸机成功应用后，相关造纸企业也积极引入了伺服电机系统，所有造纸机和纸浆机均由伺服电机驱动，其制浆系统和纸机已成为中国最节能的现代化生产线系统之一12。2.2 直驱式伺服电机的应用优化要想让直驱式伺服电机在造纸装备中得到有效应用，尽可能降低不良影响，需要基于优质的伺服控制系统，不断提升伺服电机设计要求，并应该做好以下方面：（1）材料选择上，应该尽可能少地选择永磁材料，确保产品性能合格率提升，在避免不可逆去磁现象出现的基础上，要不断控制好永磁体厚度，避免厚度值过大。这样设计的伺服电机不仅可以节约原材料，还能降低电机生产成本，提升企业效益13。（2）在伺服工作情况下，电机在调速范围内可以实现高效率运作。对此，需要伺服电机无论在何种状态下都保持低耗能运行。在实际应用中，和其他电机比较，交流永磁伺服电机的铁心损耗占总体损耗的比重较大，因此在进行电机设计中应该考虑铁心损耗问题，尽可能降低铁耗14。（3）齿槽转矩对永磁伺服电机控制精度、噪声、转动脉动以及损耗都会产生一定影响，因此在进行伺服电机设计时，需要采取有效技术措施，实现对齿槽转矩控制，确保齿槽转矩尽可能小。（4）控制电机振动及噪声。径向力会带来伺服电机的振动问题，在伺服电机设计中，应多采用分数槽结构或者是对极、槽数的组合结构。要确保电机振动和噪声控制效果，还需要控制电源谐波和齿槽转矩。3 结束语现阶段，基于“双碳”目标的提出，我国的造纸企业要实现自身的可持续发展，都在积极开展绿色节能技术的改造工作，关注对落后产能的淘汰，研发新的节能减耗技术，旨在不断提升技术水平，满足绿色环保生产需要，达到“双碳”目标。直驱式伺服电机在造纸装备中的应用具有诸多优势，这类电机改变了传统造纸机中的电机组成结构，避免了减速机使用中带来的诸多问题，提升了产能和效率，也能够较好地实现节能减耗目标，因此在一些造纸企业中已经得到了一定的应用，且具体的应用成效显著。考虑新型直驱式伺服电机虽然能够简化结构，提升性能，但是在使用中也面临一些突出的问题，据此文章提出直驱式伺服电机优化设计的思路和方向，希望能够为直驱式伺服电机在造纸装备中的更好应用提供一些方向指导。参考文献1 周慧.电气自动化和变频调速控制在造纸机传动系统中的应用J.造纸装备及材料,2023,52(11):10-12.2 方小明.基于PID的造纸机双闭环电机调速系统设计J.造纸科学与技术,2023,42(2):37-41.3 李林涛.伺服电机直驱在造纸装备上的应用J.中国造纸,2022,41(增刊1):66-67.4 赫连勃勃,吕立彤,陈正,等.采用非线性流量特性补偿的直驱式变转速泵控系统轨迹跟踪控制J.液压与气动,2021,45(7):1-6.5 刘子辰.直驱式车辆制动系统控制方法研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2021.6 廖晓梅,申晟,余亿坤.电液伺服泵控轮胎硫化机加压缸压力控制研究J.机床与液压,2021,49(10):60-64.7 陈彦羽,付萌,关立文,等.采用力矩电机直驱的数控机床进给系统伺服刚度优化J.清华大学学报(自然科学版),2021,61(10):1124-1131.8 雷向雳.直驱式电静液作动器设计与性能研究D.兰州:兰州理工大学,2021.9 彭华御.新型伺服直驱式二次供水设备关键技术研究D.太原:太原科技大学,2021.10 毛玺,聂少武,李阁强,等.直驱式电液伺服模锻锤控制系统AMESim仿真及控制研究J.锻压技术,2020,45(8):141-149.11 路畅.永磁同步电机双惯量伺服系统多源扰动抑制研究D.西安:西安理工大学,2023.12 彭华御.新型伺服直驱式二次供水设备关键技术研究D.太原:太原科技大学,2021.13 轩富强.永磁直驱伺服电机低速运行转矩扰动抑制技术研究D.南京:南京航空航天大学,2021.14 祝川,卢俊,吴翔.无人艇直驱式电液伺服舵机系统建模与仿真J.舰船科学技术,2019,41(23):87-92.