永磁變頻電動(dòng)機(jī)直驅(qū)帶式輸送機(jī)在煤礦井下的應(yīng)用研究

姜強(qiáng) 范濤 陳玖

摘 要：帶式輸送機(jī)的核心部分是其傳輸動(dòng)力裝置，其中典型的傳輸動(dòng)力裝置就是永磁電動(dòng)機(jī)和直驅(qū)電動(dòng)機(jī)，這兩類電動(dòng)機(jī)的有機(jī)結(jié)合構(gòu)建了永磁變頻直驅(qū)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)的本質(zhì)功能。本文基于此，首先分析了永磁直驅(qū)系統(tǒng)中直驅(qū)電動(dòng)機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)的基本特點(diǎn)，然后基于此分析了永磁變頻電動(dòng)機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)存在的優(yōu)勢，并最后其對(duì)在煤礦井下的應(yīng)用情況來說明了這一系統(tǒng)的具體應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：永磁變頻電動(dòng)機(jī)；直驅(qū)帶式輸送機(jī)；應(yīng)用研究

前言：對(duì)于煤礦井下作業(yè)來說，其一個(gè)重要的工序環(huán)節(jié)就是對(duì)煤炭等礦物質(zhì)的輸送。對(duì)于這一輸送任務(wù)來說，其要求承擔(dān)這一輸送任務(wù)的輸送機(jī)來說要具有安全可靠、節(jié)能高效以及維護(hù)容易等方面優(yōu)勢。根據(jù)這一技術(shù)要求，國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)此展開研究提出了很多優(yōu)秀的建議和方法，其中一個(gè)就是利用永磁材料構(gòu)建輸送任務(wù)所需的電動(dòng)機(jī)。在這一技術(shù)提出的早期，由于永磁材料的本身性能和成本價(jià)格的局限導(dǎo)致這一技術(shù)沒有得到很好的推廣。進(jìn)入新時(shí)期以來，隨著永磁材料性能的突破性提升以及成本的降低使得這一優(yōu)良技術(shù)的優(yōu)良特性被顯現(xiàn)出來，并迅速應(yīng)用在高負(fù)荷的輸送場景中。本文基于這一背景，分析了該技術(shù)的優(yōu)良特性，并就其在煤礦井下作業(yè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用局面進(jìn)行了相關(guān)討論。

1.永磁變頻直驅(qū)系統(tǒng)簡述

1.1直驅(qū)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)簡述

直驅(qū)電動(dòng)機(jī)是一種針對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)存在的主要缺陷的改進(jìn)傳動(dòng)裝置。對(duì)于傳統(tǒng)裝置來說，其構(gòu)造復(fù)雜，涵蓋很多機(jī)械傳動(dòng)零部件，這些傳動(dòng)零部件在這一系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)跟隨著運(yùn)動(dòng)，此外傳動(dòng)輪之間的傳動(dòng)鏈條長度較長，因而導(dǎo)致這一傳動(dòng)裝置傳動(dòng)效率低下。除了傳動(dòng)效率低下的問題外，機(jī)械磨損引起的故障概率高，這主要因?yàn)槠渖婕稗D(zhuǎn)動(dòng)的部件較多，這些部件在傳動(dòng)運(yùn)作過程中不可避免地因?yàn)槟Σ恋木壒蕦?dǎo)致機(jī)械受損，由于涉及的部件較多，因而導(dǎo)致出現(xiàn)故障的概率極高，同時(shí)因?yàn)椴考^多的緣故導(dǎo)致維護(hù)修理過程困難較大。此外這類裝置在長期的運(yùn)作中會(huì)因?yàn)橄嚓P(guān)部件的機(jī)械損耗導(dǎo)致設(shè)備的系統(tǒng)魯棒性不佳，導(dǎo)致該設(shè)備處于報(bào)廢狀態(tài)，因而也容易導(dǎo)致設(shè)備壽命不高。而作為改進(jìn)型的直驅(qū)電動(dòng)機(jī)，不在使用這種鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)方式，而是采用直接傳動(dòng)的方式進(jìn)行設(shè)備的運(yùn)作，這一傳動(dòng)過程減少了中間過程，降低了傳動(dòng)的損耗，提升了傳動(dòng)效率。此外由于中間環(huán)節(jié)的減少使得系統(tǒng)運(yùn)行的魯棒性相對(duì)較高，同時(shí)設(shè)備的故障出現(xiàn)率低，這一顯著的優(yōu)點(diǎn)使得該類裝置的設(shè)備壽命較長，并且故障維護(hù)近乎為零，節(jié)省了維護(hù)成本，從而有助于相關(guān)領(lǐng)域的工業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)成本控制。

1.2永磁電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)簡述

隨著稀土資源的有效開發(fā)，大量的高性能的低成本永磁材料被開發(fā)出來，使得永磁電動(dòng)機(jī)得到了很好的發(fā)展。永磁電動(dòng)機(jī)作為一種新型的電動(dòng)機(jī)裝置，其同傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)相比，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，設(shè)備所占體積較小，質(zhì)量輕便，傳動(dòng)效率高，并且系統(tǒng)運(yùn)行魯棒性高等特點(diǎn)。除此之外，該電動(dòng)機(jī)在其形狀設(shè)計(jì)上靈活多變，因而能夠根據(jù)其應(yīng)用場景對(duì)其構(gòu)造進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，從而提升了該裝置安裝的靈活程度，進(jìn)而提升了其在應(yīng)用范圍。對(duì)于這一構(gòu)建的電動(dòng)機(jī)來說，其由幾種推廣形式，比如稀土永磁電動(dòng)機(jī)、高效永磁同步電動(dòng)機(jī)等。前者相比傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)裝置來說省去了集電環(huán)和電刷裝置，使得相關(guān)的結(jié)構(gòu)簡單化，從而降低了故障概率；對(duì)于后者來說，其最大的特點(diǎn)就是不再需要無功勵(lì)磁電流，因而提升了功率因素，這樣有助于降低定子電阻所帶來的損耗，從而提升了傳動(dòng)效率。當(dāng)然這一類電動(dòng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)上的主要特點(diǎn)就是定子的構(gòu)造和傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)相，但是轉(zhuǎn)子上有永磁材料的包裹，因而可以產(chǎn)生穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)磁場，從而推動(dòng)系統(tǒng)高效平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.永磁變頻電動(dòng)機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)優(yōu)勢分析

2.1永磁變頻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單且效率高的優(yōu)勢分析

傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)子構(gòu)造和永磁電動(dòng)機(jī)有著很大的不同，其沒有采用磁性材料進(jìn)行纏繞，而是采用銅線材料，這樣導(dǎo)致在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中能量的轉(zhuǎn)變不可避免地有一部分轉(zhuǎn)化為熱能，從而導(dǎo)致能量的無形浪費(fèi)，而永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由磁性材料組成，其在生成旋轉(zhuǎn)磁場時(shí)，由于其永磁的性質(zhì)，則其不需要外力的作用來形成相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場，因而在能量的轉(zhuǎn)化過程中幾乎不會(huì)有能量轉(zhuǎn)化為熱能，因而提升了能量的利用率。由于后者對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子不在通過勵(lì)磁電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，從而避免了電磁轉(zhuǎn)化過程中的無功勵(lì)磁電流的變化導(dǎo)致無功功率的產(chǎn)生，使得后者的功率因素高（個(gè)別情況接近于1），即對(duì)應(yīng)的功率轉(zhuǎn)換效率高，因而促使其對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)效率高，啟動(dòng)電流平穩(wěn)可控，因而啟動(dòng)時(shí)對(duì)于電網(wǎng)的瞬時(shí)沖擊較小。此外對(duì)于永磁變頻式電動(dòng)機(jī)來說，其在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，不在需求減速機(jī)等裝置，因而使得這一電動(dòng)機(jī)構(gòu)架簡單。此外，這一類型的電動(dòng)機(jī)也沒有傳動(dòng)輪等的磨損，因而在維護(hù)中不需要對(duì)齒輪箱進(jìn)行維護(hù)，由此使得整個(gè)以此電動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的傳動(dòng)裝置的維護(hù)工作負(fù)荷明顯降低，不僅有助于改善維護(hù)工作局面，同時(shí)也有助于實(shí)現(xiàn)維護(hù)成本的控制，從而大大降低了這一裝置的運(yùn)行成本，提升了其潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和市場前景。

2.2永磁變頻電動(dòng)機(jī)安全性高且壽命長的優(yōu)勢分析

當(dāng)前隨著永磁變頻電動(dòng)機(jī)的廣泛使用也促進(jìn)了其對(duì)應(yīng)的技術(shù)的升級(jí)和更新，當(dāng)前無傳感器矢量控制技術(shù)作為一種新型的驅(qū)動(dòng)技術(shù)被應(yīng)用在了這一傳動(dòng)裝置中，因而使得這一裝置在啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行的過程中相比傳統(tǒng)的異步電機(jī)顯得更加平穩(wěn)，這樣就大大降低了互感現(xiàn)象對(duì)于電力系統(tǒng)的危害，相比傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)來說，其發(fā)生故障的概率大大降低。此外，在構(gòu)建驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)往往會(huì)采用兩臺(tái)這一類型的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過傳動(dòng)運(yùn)作，其形成一種主從驅(qū)動(dòng)的方式，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行中的電流和輸出功率具有一致性，有助于系統(tǒng)的平衡，降低了電動(dòng)機(jī)的磨損率。以上兩個(gè)方面的分析可知這一構(gòu)架提升了系統(tǒng)的可靠性。此外這一類型的電動(dòng)機(jī)相比傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)來說其由于沒有能量轉(zhuǎn)化為熱能的形式，因而就不會(huì)有電動(dòng)機(jī)因?yàn)槠錅囟冗^高而導(dǎo)致?lián)p壞的情況出現(xiàn)，因而從這一層面來說，其對(duì)應(yīng)的使用壽命普遍長于傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)。除了以上的優(yōu)勢外，永磁變頻電動(dòng)機(jī)在安全性等性能上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)，對(duì)于這一優(yōu)點(diǎn)來說，其主要是因?yàn)樵撗b置內(nèi)部具有過熱、欠壓、過流、過壓等相關(guān)情況下的電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，從而使其安全系數(shù)有所提升。

3.永磁變頻電動(dòng)機(jī)直驅(qū)帶式輸送機(jī)在煤礦井下的應(yīng)用情況分析

以某典型的煤礦井下作業(yè)為例，在近些年實(shí)現(xiàn)了煤炭傳輸裝置的升級(jí)改造，將原先的“滾筒——聯(lián)軸器——減速器——異步電機(jī)”的構(gòu)架轉(zhuǎn)化為永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。根據(jù)具體的應(yīng)用功情況分析，這一新型傳輸裝置相比原先的的傳輸裝置在傳動(dòng)效率上上提升了大約50%。此外，此電動(dòng)機(jī)采用了變頻器來對(duì)煤炭的具體輸送情況來適當(dāng)?shù)淖兓瘋鬏斔俣?，從而?shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。根據(jù)運(yùn)行的數(shù)據(jù)來看，在相同的額定功率下，傳統(tǒng)方式對(duì)應(yīng)的傳輸總效率大約為67%，而永磁電機(jī)裝置對(duì)應(yīng)的傳輸系統(tǒng)的傳動(dòng)效率高達(dá)92%，此外從兩種傳輸裝置的壽命期內(nèi)的費(fèi)用對(duì)比可知，永磁電動(dòng)機(jī)的壽命期內(nèi)的費(fèi)用大約為傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)的70%，由此可見這一新型傳輸裝置的應(yīng)用使得運(yùn)行成本降低了大約30%，由此提升了對(duì)應(yīng)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

4.結(jié)語

本文以永磁變頻電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，分析了其構(gòu)建基礎(chǔ)的直驅(qū)電動(dòng)機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)，并基于此分析了永磁變頻直驅(qū)系統(tǒng)的優(yōu)勢所在，最后分析了以永磁變頻電動(dòng)機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)為傳動(dòng)裝置的帶式輸送機(jī)在某一煤礦井下作業(yè)的情況，應(yīng)用情況表明，這一新型傳動(dòng)裝置的引入對(duì)于煤炭輸送情況來說，能夠提升傳送效率，降低成本，從而為相應(yīng)的企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]靳昌軍，周存燕.永磁變頻電動(dòng)機(jī)直驅(qū)帶式輸送機(jī)在煤礦井下的應(yīng)用研究[J].價(jià)值工程，2018，37（31）：178-179.