引言搅拌系统是镁、锂、钙等诸多工业领域中不可或缺的装置。传统的搅拌系统主要采用电机-减速机的驱动方式，工作效率和功率密度低，而且机械减速机构的存在使得机械装备体积庞大、设备笨重，这导致其能耗高、能效低[1-2]。因此，进一步降低传统搅拌系统的能耗、提高能效已成为迫切需要解决的问题。永磁电机是近年来发展迅速的一种新型电机技术，将变频矢量控制技术、低速直驱大转矩技术、智能控制技术等多方面技术融合为一体，在高效节能领域具有明显优势[3]。永磁电机采用永磁体励磁，在具有同等性能的条件下，永磁电机可比常规电机小1~2个机座号，体积和质量方面的优势明显；且永磁电机运行效率高，节能降耗优势明显[4]。因此，使用永磁电机直接驱动取代传统搅拌系统的电机-减速机的驱动结构，构建永磁直驱式搅拌系统，将会给工业生产带来显著的节能效果。目前，永磁直驱式搅拌系统以高效、节能的特点在冷却塔、浮选、高温搅拌等领域受到越来越多的关注[5-8]。文中针对永磁直驱电机节能原理进行系统分析，同时采用模拟仿真方法，研究永磁直驱式搅拌系统搅拌桨结构的节能设计，并研制了永磁直驱式搅拌系统以及探究其在工业应用中的节能效果，以期为搅拌系统的节能优化提供参考。1永磁直驱电机节能原理1.1永磁直驱电机特性永磁直驱电机是一种将永磁体直接耦合到搅拌桨上的电机，其结构主要包括定子和转子。定子通常由线圈和铁芯组成，线圈绕在铁芯上，构成主磁极。转子由硅钢片与永磁体构成，通过轴承连接到负载（搅拌桨、风扇等）。电流通过定子线圈时，产生一个交变电磁场，通过交变电磁场与永磁体磁场作用使转子转动，实现电机的驱动功能。电机转速可以通过改变定子绕组电流大小进行调控，甚至可以通过改变电流方向控制电机正转与反转，实现功率即时调控，从而降低能耗[9-10]。1.2永磁直驱电机节能分析由于永磁直驱电机没有无功励磁电流，能够显著提高功率因数，降低定子电流和定子损耗，能耗低[11]，其节能优势可归纳为以下几个方面。（1）结构简单，惯性负载小。传统三相异步电机的定子和转子均需采用励磁线圈，通过励磁电流提供励磁磁场，电机结构更加复杂，因而异步电机在运行过程中自身构件会产生较多的摩擦损耗。与传统三相异步电机相比，永磁直驱电机的结构更为简单，无须传统异步电机中的转子绕组和鼠笼铜条，减少了转子的惯性负载，降低了机械摩擦损耗。（2）转子无须励磁，铜损耗低。传统三相异步电机的定子和转子均需要励磁电流使其产生磁场，通常需要较大的电流，电机铜损耗高。三相异步电机的损耗PT为[12]：PT=Pcu1s+Pcu2s+PFe+Pfw+Ps (1)式中：Pcu1s——定子铜损耗；Pcu2s——转子铜损耗；PFe——铁损耗；Pfw——风磨损耗；Ps——负载杂散损耗。在三相异步电机的损耗中，定子铜损耗占比25%~40%，转子铜损耗占比18%~23%，铁损耗占比20%~25%，风磨损耗占比5%~15%，杂散损耗占比5%~10%，总铜损耗达43%以上[13]。此外，励磁电流的变化也会导致能耗波动。永磁直驱电机的转子依靠永磁体产生磁场，且永磁体具有高磁场强度和长久稳定的磁性，无须施加外部励磁电流。在永磁直驱电机中，铜损耗主要产生于定子线圈，减少了转子铜损耗，能耗显著降低。（3）负载直驱，“零”传动损耗。三相异步电机依靠齿轮、皮带等机械传动装置进行功率输出，由于传动装置存在机械摩擦损耗、传动效率低等问题，在电机工作过程中会带来额外的功率损耗。三相异步电机传动的总损耗PZ为：PZ=PT+PC (2)式中：PZ——三相异步电机装置的总损耗；PT——三相异步电机的损耗；PC——三相异步电机机械传动装置损耗。此外，传统电机往往需要使用变速器或变频器适应不同工况，附加设备也会导致能量转换损耗。永磁直驱电机应用时输出轴直接连接负载，无任何中间传动结构（如减速器或皮带），降低了传动装置损耗，直接耦合传动方式具有效率高、精度高、静音运行和响应快等优势。2搅拌桨节能设计2.1基础理论搅拌桨在诸多化工领域发挥着重要作用，能够加强物料混合，促进反应。搅拌桨是搅拌系统的重要构件，其结构会显著影响搅拌效果，对能耗也有重要影响，搅拌桨的结构设计是业内研究的热点。目前，搅拌桨的结构形式有桨式、涡轮式、锚式、框式等。其中，三斜叶桨（也称为三斜叶板桨）混合物料的效果好，混合性能高，能够有效降低能源消耗。因此，文中研究永磁直驱式搅拌系统三斜叶桨结构对能耗的影响。在搅拌桨的设计和运行中，搅拌功率[14]为：P=Npρn3D5 (3)式中：P——功率，W；Np——功率准数，与搅拌桨的形式等有关，一般采用图算法计算[15]；ρ——密度，kg/m3；n——转速，r/s；D ——搅拌桨直径，m。搅拌桨的形式、直径是影响搅拌功率的最主要因素，文中通过对比分析不同搅拌桨层数、搅拌桨直径的搅拌系统达到相同搅拌效果所需的功率，分析其节能潜力；设定釜式容器内流场速度稳定为最终搅拌效果，分析各参数对能耗的影响。2.2物理模型永磁直驱式搅拌系统由永磁直驱电机直接与搅拌桨连接，在釜式容器中进行搅拌，物理模型主要包括搅拌桨和釜式容器，其结构如图1所示，结构参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.005.F001图1搅拌桨和釜式容器结构10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.005.T001表1搅拌桨和釜式容器结构参数项目数值反应釜直径T/mm1 400反应釜高度H/mm2 910搅拌桨直径D/mm400~700搅拌桨间距S1/mm755搅拌桨离底距离S2/mm350搅拌桨宽度d/mm74搅拌桨厚度b/mm6搅拌桨倾角θ/(°)45搅拌轴直径Ds/mm902.3网格划分根据图2所示的结构以及表1的结构参数，构建模拟仿真物理模型，并进行网格划分，如图2所示。文中采用Workbench mesh软件进行搅拌釜的网格划分，根据旋转域内搅拌桨结构复杂的性质，采用四面体网格进行划分，网格数量为567 441。为了进一步提高网格质量，保障模拟结果准确，对旋转域和交界面进行加密处理，网格数量为3 357 223。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.005.F002图2物理模型网格划分2.4搅拌桨层数对能耗的影响分析不同搅拌桨层数下达到相同搅拌效果消耗的功率如图3所示。相同搅拌效果下，单层搅拌桨消耗功率最大，为30.94 kW；双层搅拌桨消耗功率最低，为13.75 kW；三层搅拌桨消耗功率远低于单层搅拌桨，但略高于双层搅拌桨，为15.95 kW。增加搅拌桨层数不会一直改善混合搅拌效果，有时会增加能源消耗。因此，与其他两重层数相比，双层搅拌桨结构最节能，其能耗比单层搅拌桨结构低约56%，比三层搅拌桨结构低约14%。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.005.F003图3不同搅拌桨层数下达到相同搅拌效果消耗的功率2.5搅拌桨直径对能耗的影响分析不同直径搅拌桨达到相同搅拌效果消耗的功率如图4所示。搅拌桨的直径一般为1/2~1/3釜体直径，选取400~700 mm的直径区间进行研究。相同的搅拌效果下，直径为700 mm的搅拌桨消耗功率13.58 kW，直径为600 mm的搅拌桨消耗功率39.48 kW，直径为500 mm的搅拌桨消耗功率79.84 kW，直径为400 mm的搅拌桨消耗功率170.74 kW。消耗的功率随搅拌桨直径的减小而呈非线性增大的变化规律。文中搅拌桨直径设计为700 mm时，搅拌消耗的功率最小。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.005.F004图4不同直径搅拌桨达到相同搅拌效果消耗的功率3永磁直驱式搅拌系统节能分析3.1永磁直驱式搅拌系统永磁直驱搅拌系统采用永磁同步电机作为动力源，直接连接搅拌桨轴，通过智能驱动控制搅拌桨工作以及智能识别负载特性等方法，实现智能输出、智能节能、智能警示等功能，在实际应用中的综合节能效果显著。智能输出（启动无冲击，满载启动）。系统内具有智能异常情况识别功能，在负载突变及突发停电等情况下，记忆当时的负载情况，重新上电后系统自动进行负载评估，进行平滑启动控制策略优化，实现满载、过载启动时无电网冲击、机械冲击，平稳运行至正常生产模式。智能节能。根据负载特性，自动在运行时学习负载特性，并对输出进行优化，使电机高效运行，最大程度实现智能节能控制输出，运行时不断对工艺进行自动辨识，在保证生产工艺情况下实现单位产量耗电最低。智能警示。根据电机实时运行状态进行大数据分析，并从数据库中选取最稳定、节能的方案进行驱动控制，实现电机稳定运行，异常情况下平稳输出、报警停机。3.2永磁直驱式搅拌系统应用实践文中研制的永磁直驱式搅拌系统目前已在国内宁夏天元锰业、四川四环锌锗公司、中国黄金朝阳新都金矿公司等企业应用实践，在生产中获得较好的节能效果，如表2所示。此外，该永磁直驱式搅拌系统在工业生产应用中的经济效益还包括：设备运行噪声小，对工业生产现场的噪声环境有很大的改善；永磁电机直接驱动搅拌，避免添加减速机油料以及出现渗漏油情况，节约减速机维修成本的投入，降低员工劳动强度；大幅度提高设备稳定运行周期，减少维护率，提高产能。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.005.T002表2永磁直驱式搅拌系统在企业应用节能情况公司名称改造项目运行时间节电率/%宁夏天元锰业公司强酸、弱酸车间搅拌釜6年5个月40.00四川四环锌锗公司湿法搅拌车间浸出搅拌釜3年4个月37.00~60.00辽宁新都黄金有限责任公司浸出搅拌釜9个月23.00内蒙古兴安铜锌冶炼有限公司酸洗浸出釜1年2个月46.38河南豫光锌业有限公司净液车间搅拌釜2年6个月26.004结语永磁直驱式搅拌系统结构简单、惯性负载小，转子无须励磁因而铜损耗低，直驱负载产生“零”传动损耗。此外，搅拌桨的结构不仅影响搅拌效果，而且对搅拌系统能耗有影响。双层三斜叶桨能够在同等搅拌效果下降低能耗，消耗功率比单层三斜叶桨低约56%，比三层搅拌桨结构低约14%。本文研制的永磁直驱式搅拌系统具有高效传动、洁净驱动、转矩密度高、智能控制、高效节能等特点，在工业生产中表现出显著的节能优势，节电率在23%以上，甚至能高达60%。未来可以进一步探讨永磁直驱搅拌系统在不同应用领域中的性能和适用性。