永磁電機半直驅(qū)刮板輸送機動態(tài)特性研究

但亞楠

摘 要：本文針對傳統(tǒng)驅(qū)動方式下刮板輸送機調(diào)控效果差的問題，提出了永磁電機半直驅(qū)系統(tǒng)，通過對空載運行、穩(wěn)定承載運行和隨機承載運行狀態(tài)下輸送機的工況分析，得到永磁電機半直驅(qū)系統(tǒng)具有良好、實時、精準(zhǔn)調(diào)控的應(yīng)用效果，從根本上改變了刮板輸送機的驅(qū)動方式，值得借鑒。

關(guān)鍵詞：刮板輸送機;永磁電機半直驅(qū)系統(tǒng);驅(qū)動方式

0 引言

刮板輸送機鏈條性能的好壞直接影響到運輸設(shè)備的運輸性能。傳統(tǒng)刮板輸送機主要借助于減速器進行調(diào)速，效果差且設(shè)備損壞率高。為此，本文提出永磁電機半直驅(qū)作為驅(qū)動裝置，根據(jù)負(fù)載信號的不同，實現(xiàn)了實時精準(zhǔn)的控制，有良好的應(yīng)用效果。

1 永磁電機半直驅(qū)刮板輸送機系統(tǒng)機電耦合動態(tài)特性研究

刮板輸送機永磁電機半直驅(qū)動系統(tǒng)是將電磁力、傳動力和摩擦力相互耦合的復(fù)雜驅(qū)動系統(tǒng)，變頻驅(qū)動刮板輸送機主要是通過變頻器控制鏈輪的驅(qū)動力，實現(xiàn)對輸送機運行速度的調(diào)控，永磁電機半直驅(qū)動系統(tǒng)則是根據(jù)輸送機負(fù)載狀態(tài)，通過負(fù)載信號實現(xiàn)對電機的矢量控制，閉環(huán)控制的過程中實現(xiàn)了機械能和電磁能之間的轉(zhuǎn)化。針對機電耦合狀態(tài)，眾多學(xué)者針對負(fù)載調(diào)控進行了研究，對于機電耦合系統(tǒng)的研究卻頗少。

永磁電機半直驅(qū)動系統(tǒng)由電機、齒輪和刮板輸送機構(gòu)成。其中，電機產(chǎn)生的電磁力、齒輪產(chǎn)生的傳動力以及管板輸送機運行過程中產(chǎn)生的摩擦力之間相互耦合構(gòu)成了半直驅(qū)動系統(tǒng)。本文以刮板輸送機為主，對系統(tǒng)機電模型進行分析研究。不同于傳統(tǒng)的電機，永磁電機磁場的產(chǎn)生主要依賴于永磁體，輸入的三相電流經(jīng)過定子繞組形成了磁場，磁場的形成將電能轉(zhuǎn)化為磁場勢能，同時實現(xiàn)了電機轉(zhuǎn)子的同步運動。為了簡化刮板輸送機機電耦合模型，將電機軸和齒輪傳動軸設(shè)計為一個整體，得到圖1所示的刮板輸送機機電耦合模型圖。

圖中，電機轉(zhuǎn)子的角速度用ωe表示，經(jīng)過齒輪的傳速，電機轉(zhuǎn)子的輸出角速度為，輸送機的剛度系數(shù)以及阻尼系數(shù)分別用kw，cw表示，機械傳動角速度為，為了保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和及時性，視電機轉(zhuǎn)子輸出和齒輪系統(tǒng)輸出一樣，簡化系統(tǒng)后，永磁電機半直驅(qū)動系統(tǒng)分為電機系統(tǒng)和刮板輸送機系統(tǒng)兩部分。

2 永磁電機半直驅(qū)應(yīng)用研究

從上述分析可知，永磁電機半直驅(qū)動系統(tǒng)主要有電機系統(tǒng)和刮板輸送機系統(tǒng)兩部分。選用TYVZ-3800-280M-16型的永磁電機，電機的額定功率為37kW，額定電流為73.2A，額定電壓為380V，定子電阻為0.136Ω，反電勢常數(shù)為1060V，轉(zhuǎn)動慣量為1.98kg·m2。為了更加真實的反映刮板輸送機運行過程中載荷的波動，利用磁粉式測功機系統(tǒng)模擬輸送機載荷波動狀況。為了充分研究不同工況下系統(tǒng)的運行狀態(tài)，對空載運行、穩(wěn)定承載運行和隨機承載運行狀態(tài)進行研究。

2.1 空載運行工況研究

圖2為空載運行狀態(tài)下系統(tǒng)工況曲線，從圖2中（a）圖可以看出，在空載運行狀態(tài)下，電機在運行初期轉(zhuǎn)矩最大達(dá)到1.09×104N·m，隨后開始快速降低，在運行約2s左右，轉(zhuǎn)矩值穩(wěn)定在0.34×104N·m，分析其原因，為了克服鏈條及刮板的工作阻力，電機產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，而在電機運行初期，會產(chǎn)生較大的電流，在電流的驅(qū)動作用下，電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，且電磁轉(zhuǎn)矩的波動與電流波動規(guī)律一致。從圖2中（b）圖可以看出，在電機啟動初期，依靠鏈輪鏈條的嚙合作用進行運行，因此鏈輪鏈條嚙合處速度最大，在嚙合作用的傳遞作用下，距離電機較遠(yuǎn)的位置速度最低，且承載段和非承載段速度變化趨勢相同。但是不同關(guān)鍵段內(nèi)速度變化趨勢有差別，在靠近機頭機尾處速度波動較大，但是在電機啟動2s左右的時間，速度值最終穩(wěn)定在1.8m/s左右，在電機啟動的短時間內(nèi)，承載段和非承載段加速度會出現(xiàn)波動的狀況，一定張緊力的皮帶在運行過程中會受到?jīng)_擊力作用，使得鏈條速度加快，此時加速度值最大，達(dá)到24.25m2/s，這一現(xiàn)象在機頭機尾兩側(cè)作為明顯。隨著空載運行的持續(xù)進行，沖擊力作用逐漸減小，因此加速度值也隨之減小，在2s左右后，加速度值較為穩(wěn)定，值為0。

2.2 穩(wěn)定承載運行工況研究

在空載運行3s后，系統(tǒng)進入穩(wěn)定運行階段前3s內(nèi)，電機速度有一定范圍的波動，3s后速度逐漸趨于穩(wěn)定。電機n1和電機n2速度變化趨勢相同，但是電機n1的變化幅度大于電機n2，在2s左右達(dá)到755 r/min，在120s后穩(wěn)定在750 r/min左右。在穩(wěn)定承載階段，輸送機的運行速度經(jīng)過兩次大的波動，兩次波動有差異，第一次波動輸送機承載段和非承載段都有明顯的波動，第二次波動非承載段現(xiàn)象大于承載段的波動，分析其原因，在輸送機運行過程中，鏈條受到?jīng)_擊力作用，此沖擊力會被鏈條以及運輸物料吸收，造成了承載段與非承載段張力的差距，關(guān)鍵段內(nèi)電機波動的最大速度為3.6m/s，在運行15s后穩(wěn)定在1.8m/s左右。從速度曲線可以看出，在運行的前1s時和4s式，因為鏈條鏈輪的嚙合作用，鏈條運行速度波動較大，12s左右時間開始逐漸穩(wěn)定，在15s時完全穩(wěn)定下來。

2.3 隨機承載運行工況研究

在隨機承載運行狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)速沒有大范圍的波動，20s左右受到載荷作用，電機轉(zhuǎn)速開始出現(xiàn)波動，且持續(xù)一段時間，分析其原因，在長距離長時間的運輸過程中，刮板輸送機上的物料會出現(xiàn)堆積，隨著堆積物的增加，電機運行速度也會出現(xiàn)波動，機頭電機波動范圍大于機尾電機波動范圍。在20s開始，隨著負(fù)載的增加，鏈條運行速度開始波動，處于承載段的鏈條速度呈現(xiàn)下降的趨勢，非承載段的鏈條速度則呈現(xiàn)增大的趨勢。23s時，鏈條運行速度達(dá)到最大，值為2.8m/s，在刮板輸送機長距離運輸?shù)臈l件下，鏈條速度得增加對鏈條沖擊較大，在刮板輸送機位置550m的位置，速度波動較為平緩，在250m的位置，速度波動最大。根據(jù)速度曲線分析鏈條運行過程中加速度的變化，當(dāng)刮板輸送機鏈條運行速度波動較大時，鏈條的加速度會出現(xiàn)明顯波動，在刮板輸送機位置550m的位置，加速度值接近0，在250m的位置，加速度波動最大。

對于不同工況下系統(tǒng)的運行狀態(tài)分析可以看出，無論刮板輸送機處于什么工況下，永磁電機半直驅(qū)電機都有良好的動態(tài)響應(yīng)，且可以根據(jù)負(fù)載信號的不同進行自動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后電機及鏈條運行速度有波動，但是減少了傳統(tǒng)刮板輸送機大轉(zhuǎn)速小運輸?shù)膯栴}，由此可見，永磁電機半直直驅(qū)刮板輸送機具有良好的動態(tài)響應(yīng)，良好的驅(qū)動方式增加了設(shè)備運行的可靠性。

3 結(jié)論

本文基于永磁電機半直驅(qū)刮板輸送機系統(tǒng)機電耦合動態(tài)特性研究，對空載運行、穩(wěn)定承載運行和隨機承載運行狀態(tài)下系統(tǒng)工況進行了研究，研究結(jié)果表明，對于不同復(fù)雜工況下，永磁電機半直驅(qū)電機都能根據(jù)負(fù)載信號迅速做出動態(tài)響應(yīng)，及時減少了設(shè)備的損壞，提高了設(shè)備運行的穩(wěn)定性。

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