一、背景
球磨机是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备。它广泛应用于水泥，硅酸盐制品，新型建筑材料、耐火材料、化肥、黑色与有色金属选矿以及玻璃陶瓷等生产行业。
按照规格大小，球磨机有3种驱动方式：（1）异步电机皮带驱动。小型球磨机采用异步电动机通过皮带带动小齿轮、大齿圈而驱动球磨机。（2）异步电机齿轮减速器传动。中型球磨机采用异步电机，齿轮减速器带动小齿轮、大齿圈而驱动球磨机。（3）电励磁同步电动机驱动。大型球磨机采用低速电励磁同步电动机直接带动球磨机的小齿轮，小齿轮再带动大齿圈使球磨机转动。
1、对于采用异步电机皮带驱动和异步电机减速器驱动方式存在以下问题：
（1）异步电机运行效率低，功率因数低。
异步电机的气隙磁场是由定子电流产生的，这部分电流约为异步电机额定电流的20%-50%，由于这部分电流的存在使异步电机的效率和功率因数变低。异步电机的高效区较窄，在轻载时，效率和功率因数急剧变坏。由于历史原因，现有的球磨机等机械装备存在“大马拉小车”现象，在实际工作中，平均负载率通常不足70%，此时异步电机的效率仅有额定时的90%左右，造成了能源的极大浪费。
（2）皮带与减速机效率低，占地面积大，维修费用高，存在环境污染问题。
一般减速机的效率为94%-98%，皮带的传动效率为96%。两者都存在占地面积大，维护周期短，维护量大，维护费用高的问题，设备维护时势必影响正常生产，降低生产效率。同时，减速机还存在油气污染，费油处理等环保问题，增加了企业的环保费用。
（3）异步电机起动电流大，起动冲击大，极易损坏设备。
异步电动机直接起动电流很大，造成电网电压突然下降，从而使工厂其他设备电机“失压”，甚至会造成停机事故。这也限制了球磨机电机同时起动的数量，影响生产效率。异步电机的起动，是不能够调速的，罐体和电机之间，通过减速机或皮带（也或两者都有）传递起动力矩。异步电机的起动转矩与起动电压的平方成正比，电网电压的降低将影响球磨机的起动，如果起动力矩不够，则不能带动罐体旋转。球磨机减速机的轴承，在有较大冲击转矩起动下，轴承会发生金属疲劳，产生永久变型；轴承内圈与轴或轴承外圈与轴承室出现间隙配合，从而导致相对运动产生磨损。一旦出现此问题，严重影响着设备的正常生产。球磨机减速机轴承室若出现磨损，该类问题传统方法难以现场修复解决，外协修复受部件材质和磨损尺寸的限制难以修复，通常采取更换新部件解决；且减速机不断在改进，配件更新较快，部件备存占用巨额资金。
（4）速度不可调，生产效率不是优。
分析球磨机的工艺可知，在整个球磨机运行的不同阶段，应该有不同的转速来对应，这样可以取得较好的磨料效果，而且针对不同的浆料的配方（原料配比），也应该有不同的旋转速度。目前，球磨机用异步电机驱动，速度不可调，对于同一种球磨机，对于不同的磨料配方，只能按照一种工况，即固定转速一直运行，使得生产效率不是优。
（5）对工厂配电影响大，增加了配电设备投资
因异步电机的功率因数低，电机要从电网中吸收大量的无功电流，造成电网、输变电设备中有大量无功电流，进而使电网的品质因数下降，加重了电网及输变电设备的负荷，为了提高品质因数，工厂往往装设无功功率补偿设备进行人工补偿，如电力电容器，增加了设备投资。
2、采用电励磁同步电动机直接驱动方式存在以下问题：
（1）直接起动性能差，软起动成本高
电励磁同步电动机起动性能差，起动方式主要有异步起动和变频起动。变频起动需要一套专用变频电源，技术复杂且设备成本高，主要用于负载及转动惯量很大的大容量同步电动机。异步起动是同步电动机常用的起动方式，视供电系统容量采取全压或降压起动，全压起动跟异步电机直接起动一样电流很大，对设备冲击很大。降压起动分为电抗器降压和自耦变压器降压，利用此两种降压方式，无疑增加了设备投资。
（2）结构复杂，维护量大，需要直流电源励磁。
结构上较异步电动机复杂，电励磁同步电动机因为有励磁绕组和电刷及滑环等，比起异步电机的免维护来，维护工作量较大；同时要有直流电源来励磁，需要操作工人有较高的水平来控制励磁，所以一般在小中型球磨机还是采用异步电动机驱动，大型球磨机才考虑使用电励磁同步电动机驱动。
因驱动球磨机的电机功率大，且运行时间长，使得球磨机成了工厂的耗电大户，比如在生产水泥的过程中，用于粉碎作业的电量约占全厂的2/3，据统计，每生产一吨水泥的耗电量不低于70千瓦时，因此提高球磨机驱动系统的效率，对于节能降耗，节省企业成本有非常重要的意义。我国现阶段大多数球磨机还处于人工手动控制的状态，造成磨机内物料变化大、粉磨效率低、单位电耗大、钢球和衬板损耗大等现象。而且，由于粉磨状态变化大，导致了物料细度的均匀度也难以保证，因此发展智能化的球磨机驱动系统势在必行。
综上，以球磨机为代表的矿用生产驱动系统存在诸多亟待解决的问题，发展高效节能，智能绿色的球磨机驱动系统意义重大。目前球磨机用永磁同步电动机驱动系统在国内外基本还没有应用，但许多企业对此项技术都非常感兴趣，我国在稀土永磁材料方面有着得天独厚的优势，未来在国际市场上也有广阔的发展空间。
二、永磁同步电动机驱动系统特点
1、节能
（1）效率和功率因数高。
永磁同步电机气隙磁场不再由定子电流建立，而是由高效的永磁体形成，功率因数高，提高了电网的品质因数，几乎可以忽略掉工厂配电的无功补偿部分，使电网中不再需安装无功补偿器。
永磁电动机在一个很宽的调速范围和负载范围内保持高效，其在低速和轻载时依然保持很高的效率和功率因数，其轻载运行时节能效果更为显著，永磁同步变频调速电机在150%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数。永磁同步电动机的效率对负载变化不明显的这个特点，恰好适用于罐体旋转过程中有周期性的负载变化情况，这也是其一个基本的节能点。
图1为15Kw/4极永磁同步电动机与异步电动机效率图，从图1可以看出在不同负载率下，永磁同步电动机的效率均高于异步电动机，在负载率低时，效率差值变的更大。从图1可以看出15Kw/4极永磁同步电动机在额定负载时效率比异步电动机效率高出约5%，在负载率为0.2时，效率高出了约9%。
永磁同步电动机与电励磁同步电动机相比，省去了励磁功率，提高了效率。
（2）永磁同步电动机直接驱动负载设备，取消减速机构，提高系统效率。
永磁同步电动机可以做到低速大转矩，可以取消减速机构，这使得系统的效率大大提高，平均比现有间接驱动方式系统效率提高10%-20%。
2、起动电流小，起动转矩大，起动过程平稳可调。
永磁同步电动机用变频器驱动，起动力矩大，一般可达额定转矩的2-4倍，起动电流小，起动时对工厂配电的冲击小，相应的减少了工厂的配电要求。永磁同步电动机起动过程平稳可调，避免了起动对设备的冲击，延长了设备寿命，节省了维修设备的费用。同时有效避免因设备的长期停机、停产而带来的效益损失，有效的避免运输成本、吊装费用及施工安全等方面的综合因素，确保人身安全和企业损失，为企业节省了宝贵的生产时间。
3、运行速度可调，具有智能化特点。
利用永磁同步电动机的调速特点及控制器的存储功能，通过调节验证，可将磨料的转速、运行时间固化下来，存贮在控制柜的显示屏上，在实际生产中形成优的工艺，提高球磨机的运行效率，提高产量，同时达到节能的效果。实现设备精细运转，以低电耗、球耗实现高质量、高台生产。设备智能化是未来的发展趋势，因设备智能化，减少了操作人员，降低人力成本的同时提高了生产效率。
4、结构简单，体积小，维护成本低，绿色环保。
永磁同步电机实现了无刷化，具有结构简单，运行可靠，安装方便，维护量小，系统噪音低、绿色环保等优点。
5、成本较高。
成本较高是永磁同步电动机驱动系统的缺点，因永磁同步电动机采用了高性能的钕铁硼永磁材料，同时采用了智能化的变频控制系统，使得价格上比异步电机减速机驱动系统高出20%-40%。随着钕铁硼材料制作加工工艺水平的提高，同时随着电力电子功率器件技术的发展，永磁同步电动机驱动系统的价格也将逐步回落。增加的成本一般可在6-24个月内利用节省的电费回收。下面举例说明永磁同步电动机的节能效果。
假设球磨机需要的电机功率为110kw，利用永磁同步电动机取代异步电动机后，系统效率保守估计提高10%，每小时节电约11度，按球磨机每天工作20小时计算，则一年节电80300度，假设每度电1.0元，则每年节省的电费为80300元。
三、改造方案
目前兆瓦级的永磁同步电动机，主要用于国内外的军舰和潜艇上，大型永磁同步电动机在生产制造难度很大，所需装配工装设备复杂庞大，造成了大型永磁同步电动机的成本很高。对于兆瓦级以上驱动球磨机的电机一般采用1000V以上的高电压，目前的高压变频器成本很高，不适合用在球磨机驱动系统。
综合考虑，改造现有的电压为1000V以下的，功率为110Kw及以下的异步电动机驱动系统更为合适。用永磁同步电动机直接驱动球磨机，取代异步电动机及减速机和（或）皮带。为了实现尽可能大的转矩输出和获得良好的低速性能，永磁同步电动机的设计基于高性能钕铁硼永磁材料，从而保证在输出同等转矩的条件下，整机的体积小，结构简单，运行效率高。
四、前景
永磁同步电动机具有高效节能，结构可靠，绿色环保的特点，在电梯、电动汽车、油田、注塑机、机床等行业已经大量使用。据电梯协会统计，2018年在电梯上使用的永磁同步电动机销售量为60余万台，整个电梯市场保有量为500多万台。截止到2018年中国电动汽车保有量261万辆，国家计划2020年电动车在大城市的拥有率将达到500万辆。我国的电动车采用的绝大部分是永磁同步电动机，可见永磁同步电动机是未来发展的趋势。据行业协会估计我国矿山系统的改造市场容量有1000多亿元，改造市场巨大。
永磁同步电动机驱动系统在球磨机上的应用符合《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》、符合国家大力发展节能环保产业的产业政策，对于推动循环经济和低碳经济发展的具有重要的现实意义。永磁同步电动机驱动系统取代异步电机驱动系统在球磨机上的应用是典型的信息化带动工业化的例子，通过用先进技术改进传统装备，提升产品技术含量和竞争力，促进了制造产业的可持续发展。永磁同步电动机驱动系统在球磨机上应用的产业化可以进一步推动我国相关产业发展，推动制造业的升级换代和竞争力的提升，亦将带来球磨机驱动系统革命。
