永磁電機(jī)在港口散貨碼頭帶式輸送機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用前景分析

羅建平

交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院

1 引言

當(dāng)前永磁電機(jī)在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防軍工、航空、風(fēng)機(jī)水泵、家用電器、醫(yī)療器械、石油工業(yè)與港機(jī)、新能源汽車等領(lǐng)域。永磁電機(jī)通過(guò)永磁體產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)，不需要無(wú)功勵(lì)磁電流。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，永磁體既作為磁源又作為磁路。它主要由固定定子和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子組成，繞組與主磁場(chǎng)之間通過(guò)相互切割而產(chǎn)生大小和方向成周期性變化的交變電流。

永磁電機(jī)作為一種高效節(jié)能電機(jī)，已成為當(dāng)前電機(jī)行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，也是我國(guó)大力推廣應(yīng)用的重點(diǎn)，已成功應(yīng)用于煤礦、電廠等領(lǐng)域的帶式輸送機(jī)系統(tǒng)。我國(guó)對(duì)永磁電機(jī)的研究和應(yīng)用起步較晚，已成為全球永磁電機(jī)的主要生產(chǎn)國(guó)，但由于自主創(chuàng)新能力不足，主要掌握中低端永磁電機(jī)市場(chǎng)[1]。通過(guò)研究其應(yīng)用效果，分析永磁電機(jī)在散貨碼頭帶式輸送機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的可行性及應(yīng)用前景。

2 永磁電機(jī)在礦用帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用情況

為解決傳統(tǒng)礦用帶式輸送機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在運(yùn)輸效率低、運(yùn)行過(guò)程不穩(wěn)定、在重載時(shí)啟動(dòng)困難，嚴(yán)重影響輸送效率等問(wèn)題，越來(lái)越多的企業(yè)開始使用永磁同步電動(dòng)機(jī)直驅(qū)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括永磁直驅(qū)同步電機(jī)、變頻器、驅(qū)動(dòng)滾筒等裝置，與傳輸帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方式相比省去了減速機(jī)、液力耦合器或CST等結(jié)構(gòu)。

據(jù)文獻(xiàn)顯示，山西西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦、汾西礦業(yè)集團(tuán)公司、山西晉煤集團(tuán)金鼎煤機(jī)礦業(yè)有限責(zé)任公司、河南能源化工集團(tuán)安陽(yáng)市主焦煤業(yè)有限責(zé)任公司等國(guó)內(nèi)很多企業(yè)均對(duì)其生產(chǎn)工藝系統(tǒng)內(nèi)的部分帶式輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能改造，采用永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)替換傳統(tǒng)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[2-5]，改造前后結(jié)構(gòu)對(duì)比見圖1。

圖1 某礦用帶式輸送機(jī)采用永磁同步電機(jī)改造 前后結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖

經(jīng)試驗(yàn)運(yùn)行，永磁同步電機(jī)直驅(qū)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)：

(1)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、穩(wěn)定性高。帶式運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)是一個(gè)加速過(guò)程，啟動(dòng)時(shí)間短、機(jī)械沖擊力大、易損壞機(jī)械設(shè)備。永磁同步電機(jī)直驅(qū)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)化了傳動(dòng)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用永磁變頻啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)裝置的軟啟動(dòng)，能夠保證啟動(dòng)時(shí)皮帶不打滑、啟動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)機(jī)械沖擊現(xiàn)象，而且啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大[6-7]，可重載啟動(dòng)，因此可避免普通異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)選型功率偏大的問(wèn)題，能有效解決運(yùn)行中“大馬拉小車”現(xiàn)象。

(2)高效節(jié)能。由于永磁材料的使用，永磁同步電機(jī)不需要無(wú)功勵(lì)磁電流，沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，能夠有效提高功率因素和傳動(dòng)效率。此外，感應(yīng)電機(jī)在60%負(fù)荷下工作時(shí)，效率下降15%，而永磁電機(jī)在25%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率[7]，因此在輕載時(shí)更能體現(xiàn)節(jié)能優(yōu)勢(shì)。據(jù)相關(guān)企業(yè)統(tǒng)計(jì)，與傳統(tǒng)電機(jī)相比，其節(jié)能率約達(dá)到20%以上。

(3)降低運(yùn)行成本。減少了對(duì)減速器及機(jī)械軟啟動(dòng)裝置等的檢修、維護(hù)工作量，有效減低系統(tǒng)運(yùn)行成本，在人力、物力上都能切實(shí)給企業(yè)“減負(fù)”。

(4)智能化控制。永磁同步電機(jī)直驅(qū)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊，多臺(tái)設(shè)備集中控制運(yùn)行，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至主控室，對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、在線監(jiān)測(cè)，故障診斷等智能化運(yùn)行和控制。另外，當(dāng)系統(tǒng)采用多電機(jī)主從控制驅(qū)動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)功率平衡，能夠避免多電機(jī)因出力不均而造成的電機(jī)損壞。

3 永磁電機(jī)在港口散貨碼頭推廣前景分析

3.1 港口散貨帶式輸送機(jī)電機(jī)系統(tǒng)工作特點(diǎn)分析

港口大宗散貨碼頭帶式輸送機(jī)是港口散裝物料的主要輸送設(shè)備之一，屬于長(zhǎng)距離、高效、高能耗的大型連續(xù)輸送設(shè)備。其工作特點(diǎn)與礦用帶式輸送機(jī)系統(tǒng)有諸多相同之處。一是輸送量大；二是存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，為保證能夠滿載帶載啟動(dòng)，設(shè)計(jì)功率普遍較高，但不同工況下實(shí)際輸送機(jī)實(shí)際傳動(dòng)功率遠(yuǎn)低于其設(shè)計(jì)傳動(dòng)功率，甚至不到設(shè)計(jì)功率的30%，系統(tǒng)功率因數(shù)低；三是裝機(jī)容量大，能耗高，每條輸送機(jī)一般配備2～4臺(tái)300～600 kW、三相6 kV高壓電動(dòng)機(jī)[8]。

通過(guò)永磁同步電機(jī)在礦用帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用效果分析，使用永磁同步電機(jī)能有效改善碼頭帶式輸送機(jī)能耗高、“大馬拉小車”等問(wèn)題。

3.2 永磁電機(jī)在港口散貨碼頭推廣應(yīng)用前景分析

在國(guó)家大力推廣應(yīng)用高效節(jié)能電機(jī)的背景下，基于散貨碼頭帶式輸送機(jī)系統(tǒng)與礦用帶式輸送機(jī)系統(tǒng)工作特點(diǎn)相似，借鑒永磁同步電機(jī)在礦用帶式輸送機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)，在碼頭推廣應(yīng)用永磁同步電機(jī)，將能夠有效降低大宗散貨碼頭輸送設(shè)備能耗，有利于推進(jìn)港口節(jié)能減排工作。該系統(tǒng)既適用于碼頭原有帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能改造，又適用于碼頭新建帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

當(dāng)前永磁電機(jī)在應(yīng)用推廣過(guò)程中還存在一些問(wèn)題。

(1)成本高。目前，永磁電機(jī)多采用稀土永磁材料，由于稀土永磁材料市場(chǎng)價(jià)格較高，因此永磁電機(jī)的制作成本居高不下，尤其大功率電機(jī)，其價(jià)格大約是普通電機(jī)的2倍多，許多企業(yè)認(rèn)為其價(jià)格昂貴，前期投資太大，質(zhì)疑其“節(jié)能不節(jié)錢”，這也直接導(dǎo)致了永磁電機(jī)得不到有力推廣。

(2)退磁問(wèn)題。如果設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)，永磁同步電機(jī)溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機(jī)械振動(dòng)時(shí)有可能產(chǎn)生不可逆退磁，使電機(jī)性能下降，長(zhǎng)期如此，將大大降低電機(jī)使用壽命。所以在設(shè)計(jì)制造永磁電機(jī)的同時(shí)，還要著重研究永磁體磁性穩(wěn)定性，分析不同結(jié)構(gòu)型式永磁電機(jī)的抗去磁能力，采取有力措施減少電機(jī)失磁[2]。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，永磁電機(jī)的發(fā)展將不斷吸收新技術(shù)、新成果，未來(lái)也會(huì)向更高性能、更專用化方向發(fā)展，價(jià)格也將趨于合理。將其應(yīng)用于港口散貨碼頭帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，將會(huì)給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，有利于推進(jìn)港口節(jié)能減排工作，加快綠色港口建設(shè)。

4 結(jié)語(yǔ)

永磁電機(jī)具有輸出轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效節(jié)能等特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于礦用帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能改造，且效果顯著。隨著永磁技術(shù)的不斷成熟，通過(guò)借鑒其成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)將其引入港口散貨碼頭帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，將有效提升港口帶式輸送機(jī)節(jié)能減排效果，具有廣闊的應(yīng)用前景。