永磁直驅(qū)電動機在煤礦井下的應(yīng)用

盧文超

摘 要：礦山機械在實際應(yīng)用的過程中有著十分重要的作用，其中帶式輸送機和提升機等傳送系統(tǒng)都利用低速大轉(zhuǎn)矩，實際應(yīng)用的過程中因為減速器和耦合器等，維護工作相當(dāng)困難。

關(guān)鍵詞：永磁直驅(qū);電動機;煤礦;高效

1、前言

永磁直驅(qū)電動機在實際應(yīng)用的過程中相比較傳統(tǒng)輸送機械來說有著更加節(jié)能，更低噪聲以及不用維護的特點。

2、永磁電動機

2.1基本原理

傳統(tǒng)異步電動機是定子繞組中通過勵磁電流產(chǎn)生氣隙磁場，進而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，形成感應(yīng)磁場，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的運行轉(zhuǎn)速始終小于氣隙內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速。永磁同步電動機與三相異步電動機結(jié)構(gòu)基本相同，其定子為三相對稱繞組，轉(zhuǎn)子上有磁鋼，是一種異步啟動的同步電動機，由轉(zhuǎn)子交流啟動后牽人同步運行，類似于交流同步電動機。其運行是靠定子線圈在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場與己充磁的磁極作用，帶動轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)而做功。

2.2主要優(yōu)點

（1）沒有轉(zhuǎn)差損耗，效率高于異步電動機和高轉(zhuǎn)差電動機。（2）調(diào)速范圍寬，可設(shè)計成直接驅(qū)動負(fù)載。（3）經(jīng)合理設(shè)計，可獲得大啟動轉(zhuǎn)矩，可用小機座號的永磁同步電動機代替比其大1～2個機座號的異步電動機，在降低永磁同步電動機體積和成本的同時，提高了負(fù)載率。

3、直驅(qū)電動機的特點

力矩電動機，典型的傳動裝置從電動機到運動部件間包含一系列的機械傳動元件，使得傳動鏈長、傳動效率低、制造成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。中間傳動環(huán)節(jié)的存在，不僅導(dǎo)致反向間隙、摩擦以及傳動剛度降低等機械結(jié)構(gòu)問題，增大非線性誤差，而且還會引起一定程度的彈性變形，整個系統(tǒng)的階次變高，系統(tǒng)的魯棒性降低等。因此取消中間傳動環(huán)節(jié)已成為當(dāng)前機械裝備功能部件研究的主流方向之一，開發(fā)力矩電動機正是解決這一重大問題的關(guān)鍵技術(shù)手段。用力矩電動機代替?zhèn)鹘y(tǒng)電動機實現(xiàn)直接驅(qū)動，取消了傳統(tǒng)的傳動系統(tǒng)，具有以下突出優(yōu)點：（1）動態(tài)響應(yīng)速度快。由于取消了系統(tǒng)中一些響應(yīng)時間常數(shù)較大的機械傳動部件，從而使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能大大提高，系統(tǒng)的反應(yīng)更加靈敏。這意味著采用直驅(qū)系統(tǒng)可具有更大的加速度以及更短的定位時間。（2）傳動剛度高。由于采用直接驅(qū)動，避免了因中間傳動環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損以及反向間隙所造成的運動滯后現(xiàn)象，提高了其傳動剛度;同時由于減小了機械磨損，因此可靠性也大大提高。（3）定位精度高。由于消除了中間傳動機構(gòu)中的傳動間隙，減少了插補運動時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差，可大大提高機床的定位精度。（4）傳動效率高。由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)，消除了中間傳動環(huán)節(jié)機械磨損時的能量損耗，傳動效率大大提高。（5）運動噪聲低和零保養(yǎng)。由于沒有中間傳動機構(gòu)的機械振動，運動噪聲大大降低;同時磨損的器件只剩下旋轉(zhuǎn)或直線的軸承，因此假如只要做到永久性潤滑和一次性裝配，就可以實現(xiàn)零保養(yǎng)。

4、永磁直驅(qū)系統(tǒng)的特點

（1）傳動效率高。傳統(tǒng)帶式輸送機的驅(qū)動方式為電動機、偶合器、減速器組合，其傳動環(huán)節(jié)多，綜合傳動效率只有85%左右，而永磁直驅(qū)系統(tǒng)的傳動效率就是電動機的傳動效率，可高達(dá)95%，比傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)提高了10%以上。（2）故障率低。永磁直驅(qū)系統(tǒng)驅(qū)動部無減速器、液力偶合器，結(jié)構(gòu)簡單、故障點少、故障率低。（3）日常維護和檢修量小。異步電動機驅(qū)動部日常維護量主要為減速器換油、電動機軸承注油及聯(lián)軸器的檢查維護（由于井下地壓較大需定期對連接部位進行找正），而永磁直驅(qū)系統(tǒng)驅(qū)動部日常維護量主要是定期為電動機軸承注油。（4）調(diào)速范圍寬。永磁電動機比普通變頻電動機調(diào)速范圍更寬，它可實現(xiàn)超低速（如0.5m/s）、高轉(zhuǎn)矩運行，最高2倍額定轉(zhuǎn)矩軟啟動，具有良好的啟動性能，能有效地避免為滿足重載啟動的工況而被迫選擇大功率電動機尷尬。（5）實現(xiàn)功率平均。系統(tǒng)采用多電動機主從控制驅(qū)動，避免多電動機因出力不平衡而損壞電動機，實現(xiàn)功率平衡，并能實現(xiàn)對過壓、過流、欠壓、過熱等各種故障的保護，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。（6）采用真空灌封技術(shù)。永磁直驅(qū)電動機絕緣灌封后的繞組具有良好的耐電暈性能，解決變頻器供電造成的電動機匝間短路問題，灌封后的繞組導(dǎo)熱性能大幅提高，同時提高了繞組整體機械強度，且防水、防塵、防污效果顯著。（7）冷卻方式好。永磁直驅(qū)電動機外殼采用雙層設(shè)計，其中間為蛇形散熱水道，冷卻方式好，在有水的使用場合可直接通水冷卻，冷卻水水壓滿足在0.3～0.8MPa之間，流量>2.8L/h。在無水或水質(zhì)非常差的使用場合，可以選配防爆風(fēng)冷式冷水機，冷卻方式為水與空氣熱交換。

5、應(yīng)用范圍分析

現(xiàn)階段我國煤礦井下局部通風(fēng)機配用的電動機主要是YBF2系列隔爆型異步電動機，啟動轉(zhuǎn)矩小，功率因數(shù)低，效率低，電能損耗大，在運行中容易燒毀，造成一定的經(jīng)濟損失。而目前研制的永磁通風(fēng)機，其機座同時又是風(fēng)機流道，電動機不帶外風(fēng)扇，直接靠風(fēng)機流道內(nèi)的強大氣流進行冷卻，冷卻效果好。該系列風(fēng)機專用電動機軸承裝置為特殊結(jié)構(gòu)，并設(shè)有不停機注、排油裝置，可解決傳統(tǒng)電動機的散熱差、軸承溫升高、易燒毀等問題。帶式輸送機、刮板輸送機上的應(yīng)用傳統(tǒng)的刮板輸送機、帶式輸送機傳動系統(tǒng)均采用異步電動機一減速器，外帶液力偶合器，其效率低、功耗大、維護工作量大。目前研制的TBB系列永磁電動機因其低轉(zhuǎn)速下輸出大轉(zhuǎn)矩，應(yīng)用于帶式輸送機、刮板輸送機可以省去液力偶合器以及減速器，大大提高傳動系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。輸出大小相同的功率，采用永磁電動機的帶式輸送機總質(zhì)量減輕了將近1200kg。（1）煤礦井下空間、條件有限，相對傳統(tǒng)異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)組成部件多、體積大而言，永磁同步變頻直驅(qū)系統(tǒng)運輸更加方便、占用空間更小。（2）傳統(tǒng)異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)各部件需要聯(lián)軸器聯(lián)接，且各個部件需要進行對中、調(diào)平，而永磁同步變頻直驅(qū)系統(tǒng)電動機與傳動滾筒直接連接，安裝快捷、調(diào)試方便，節(jié)省了人力、物力和時間。（3）傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)使用的異步電動機啟動轉(zhuǎn)矩通常是額定轉(zhuǎn)矩的55%，無法實現(xiàn)膠帶輸送機的滿載啟動，這種現(xiàn)象俗稱“壓死”，需要人工卸載物料后再啟動，甚至可能出現(xiàn)燒壞電動機的情況;而永磁同步變頻電動機啟動轉(zhuǎn)矩可達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的200%，過載轉(zhuǎn)矩更是達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的220%，膠帶輸送機滿載時無需人工卸載即可直接啟動，避免了因堵轉(zhuǎn)、過載而造成電動機的損壞，同時也極大地降低了操作工人的勞動強度。（4）永磁同步變頻直驅(qū)系統(tǒng)運用無傳感器矢量控制技術(shù)（SVC）變頻啟動，能實現(xiàn)膠帶輸送機恒轉(zhuǎn)矩緩慢勻速啟動，避免了電動機啟動瞬間大電流給電網(wǎng)帶來的沖擊以及轉(zhuǎn)矩波動給傳動系統(tǒng)帶來的機械沖擊，由此降低了系統(tǒng)的電網(wǎng)故障和機械故障。當(dāng)系統(tǒng)需要多電機驅(qū)動時，通過主從控制可實現(xiàn)功率平衡，能夠避免因出力不均而造成電機的損壞。（5）由于永磁同步變頻直驅(qū)系統(tǒng)不需要減速器、機械軟啟動裝置，在實際使用過程中系統(tǒng)更加平穩(wěn)、可靠性更高、噪音更低、無需更換潤滑油、檢修齒輪箱等，節(jié)約了使用成本、降低了維護工作量。

6、結(jié)束語

永磁同步變頻驅(qū)動系統(tǒng)在邢臺礦51100皮帶運輸巷應(yīng)用，通過幾個月的實際應(yīng)用對比，傳動效率高，故障率低，大大減輕了設(shè)備維護帶來的材料及人工成本，有著進一步推廣應(yīng)用的價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]張斌.新能源汽車中永磁同步電機技術(shù)的應(yīng)用研究[J].裝備制造技術(shù)，2019，289（01）：172-174.

[2]劉宇.應(yīng)用抽油機用永磁半直驅(qū)同步拖動裝置效果分析[J].石油石化節(jié)能，2019，9（05）：11+48-50.

[3]李松.主運皮帶驅(qū)動模式改造及提速的設(shè)計與應(yīng)用[J].中國高新科技，2019（9）：65-67.

[4]周末我.變頻永磁直驅(qū)系統(tǒng)在皮帶輸送機上的應(yīng)用[J].中國水泥，2019，201（2）：107-108.

[5]張無.低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機在索道上的應(yīng)用[J].起重運輸機械，2019（4）：59-62.

[6]周東陽.智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)在煤礦井下帶式輸送機上的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（12）.