永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)及其在礦山裝備領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

張 磊，鮑久圣，葛世榮，楊小林，陰 妍，鮑周洋

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083；3.北京百正創(chuàng)源科技有限公司，北京 100089）

0 引 言

在我國(guó)大力發(fā)展煤礦智能化建設(shè)的背景下，礦山裝備的高效智能驅(qū)動(dòng)成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一［1］。 目前，在礦山裝備領(lǐng)域，包括采掘裝備的截割部、帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)以及礦井提升機(jī)等運(yùn)輸裝備的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，仍然普遍采用交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。 為了應(yīng)對(duì)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的運(yùn)行工況，交流異步電機(jī)與負(fù)載之間必須連接減速裝置。 因此，在設(shè)計(jì)選型時(shí)，需要較大的功率富裕量來(lái)應(yīng)對(duì)礦山裝備重載啟動(dòng)過(guò)程大轉(zhuǎn)矩的需求，電機(jī)經(jīng)常處于低效率高能耗下運(yùn)行，其調(diào)速特性差，智能化程度低［2］，不僅影響了煤炭的開(kāi)采效率，還造成了嚴(yán)重的電能浪費(fèi)。

永磁同步電機(jī)是一種利用稀土永磁體勵(lì)磁的同步電機(jī)，永磁體充磁后能夠產(chǎn)生永久磁場(chǎng)，無(wú)需勵(lì)磁電流，因此可以大幅提高功率因數(shù)［3］，傳動(dòng)效率與負(fù)載率也更高，因而永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用可以節(jié)約大量電能。 同時(shí)，永磁電機(jī)中電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上的永磁體建立的氣隙磁密對(duì)氣隙的變化并不敏感，能夠產(chǎn)生低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的輸出效果，也可以滿足大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的需求，因此十分適合用礦井采掘與運(yùn)輸設(shè)備驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所處的重載啟動(dòng)與低速運(yùn)行的工況。 此外，我國(guó)作為稀土儲(chǔ)量世界第一的國(guó)家在永磁驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域更具有得天獨(dú)厚的發(fā)展條件。 雖然，永磁電機(jī)具有以上的優(yōu)點(diǎn)，但因礦山裝備多運(yùn)行在重載、潮濕、隔爆等嚴(yán)苛工況下運(yùn)行，而釹鐵硼材料的永磁體工作溫度要求小于150 ℃，受溫度影響較大，可耐更高溫度的稀土鈷永磁體材料價(jià)格又比較高昂，因此在過(guò)去永磁電機(jī)在礦山裝備中的實(shí)際使用極少。

近年來(lái)，電力電子技術(shù)的進(jìn)步以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用有力地推動(dòng)了大功率永磁電機(jī)的發(fā)展，進(jìn)而使永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)在航空航天、交通運(yùn)輸、風(fēng)力發(fā)電等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用［4］，也為永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)在礦山裝備領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)了廣闊的研究前景。 筆者首先介紹了永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)中使用率最高的永磁同步電機(jī)、永磁無(wú)刷直流電機(jī)以及永磁直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其變頻調(diào)速方式，著重分析了永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)在礦井采掘裝備、運(yùn)輸與提升裝備等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后總結(jié)了礦山裝備領(lǐng)域永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向。

1 永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)

永磁電機(jī)的分類如圖1 所示［5］，根據(jù)驅(qū)動(dòng)形式的不同可分為永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)與永磁直線電機(jī)，永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)根據(jù)供電形式的不同進(jìn)一步可劃分為永磁同步電機(jī)、永磁直流電機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)。 而永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)是一種利用永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作的牽引技術(shù)，目前使用率最高的永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型有：永磁同步電機(jī)、永磁無(wú)刷直流電機(jī)與永磁直線電機(jī)。根據(jù)永磁電機(jī)與負(fù)載之間是否連接減速裝置，可分為永磁直驅(qū)與永磁半直驅(qū)兩類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

圖1 永磁電機(jī)分類Fig.1 Classification of permanent magnet motors

1.1 永磁同步電機(jī)特點(diǎn)及應(yīng)用

交流異步電機(jī)又可稱為感應(yīng)電機(jī)，其工作原理為定子繞組在通三相交流電后產(chǎn)生三相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子繞組在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用產(chǎn)生感應(yīng)電流最終產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。 交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)如圖2a 與圖2b，按繞組結(jié)構(gòu)的不同可分為籠式繞組以及繞線式繞組，繞組線圈為電感元件，存在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，在工作過(guò)程中會(huì)向電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，因而功率因數(shù)較低，電能不能充分利用。

圖2 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.2 Rotor structure of PMSM

在工作原理與結(jié)構(gòu)上與交流異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)采用高性能稀土等永磁材料作為轉(zhuǎn)子上的永磁體，不需要?jiǎng)?lì)磁繞組，電磁轉(zhuǎn)矩直接來(lái)源于定子繞組通電勵(lì)磁后與永磁體相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子無(wú)繞組結(jié)構(gòu)，因此不存在線圈繞組銅損，提高了電機(jī)效率，同時(shí)使電機(jī)溫度上升緩慢，也提高了電機(jī)的使用壽命。 此外，永磁體建立的氣隙磁密對(duì)氣隙的變化并不敏感，因此可以通過(guò)增加極數(shù)來(lái)增加永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，在極數(shù)增加的同時(shí)電機(jī)軸半徑也會(huì)增加，從而實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)。

永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2c 與圖2d 所示，按照永磁體在轉(zhuǎn)子上布置方式不同分為表面式（SPM）與內(nèi)置式（IPM）。 由圖2e 與圖2f 可知，SPM 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體貼于轉(zhuǎn)子鐵心的表面并與空氣直接接觸，因永磁體磁導(dǎo)率與空氣磁導(dǎo)率接近，故可認(rèn)為d軸電感約等于q軸電感，即凸極率為1，無(wú)凸極效應(yīng)和磁阻轉(zhuǎn)矩。 而IPM 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體嵌于轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，與SPM 式的相比，永磁體外表面與氣隙之間受到了鐵磁物質(zhì)的極靴的保護(hù)［6］，不容易退磁，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更加牢靠。 此外，IPM 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體d軸電感要大于q軸電感，存在轉(zhuǎn)子d軸、q軸不對(duì)稱的凸極效應(yīng)所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，有利于提高電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力與功率密度，恒功率運(yùn)行范圍也越大。 因此，IPM 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)更適合在礦山極端工況下運(yùn)行。

為克服永磁同步電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)子慣性，使電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩克服電磁排斥力，早期的永磁同步電機(jī)多采用如圖2g 所示的異步啟動(dòng)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，即在電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心上安裝有籠式繞組電機(jī)中常使用的籠式繞組導(dǎo)條，使永磁同步電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程利用異步電機(jī)啟動(dòng)的優(yōu)勢(shì)完成啟動(dòng)。 當(dāng)永磁電機(jī)三相繞組產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)與永磁體磁場(chǎng)的磁極實(shí)現(xiàn)互鎖后，再切換為同步電機(jī)工作模式。 隨著現(xiàn)代電氣傳動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，利用大功率變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻啟動(dòng)的調(diào)速型永磁同步電機(jī)在使用率上已占主導(dǎo)地位，其不僅可以簡(jiǎn)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，同時(shí)變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制精度與響應(yīng)速度也更適于礦山運(yùn)行工況。

基于以上的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)變頻調(diào)速后的大功率永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能很好地滿足低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩負(fù)載的運(yùn)行工況［7］。 例如，ABB 公司將自行研制的38 MW 永磁同步電機(jī)用于艦艇的推進(jìn)系統(tǒng)；中車株洲研制出了時(shí)速400 km 的高鐵用TQ800 永磁同步電機(jī)以及兆瓦級(jí)永磁半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 在礦山裝備領(lǐng)域，永磁同步電機(jī)同樣不僅可應(yīng)用于低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行工況的采掘機(jī)械截割部、帶式輸送機(jī)與刮板輸送機(jī)等，還可以作為直驅(qū)電機(jī)用于井下齒軌機(jī)車［8］。

1.2 永磁無(wú)刷直流電機(jī)特點(diǎn)及應(yīng)用

由圖1 可知永磁直流電機(jī)按照結(jié)構(gòu)中是否存在電刷裝置可分為永磁有刷直流電機(jī)以及永磁無(wú)刷直流電機(jī)。 因永磁無(wú)刷電機(jī)取消了傳統(tǒng)直流電機(jī)的電刷裝置，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，成本更低，因此目前正在各行業(yè)逐步取代傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)。

永磁無(wú)刷直流電機(jī)在工作原理上與永磁同步電機(jī)基本一致，區(qū)別在于永磁無(wú)刷直流電機(jī)是直流電供電，無(wú)需整流與濾波電路。 在電機(jī)結(jié)構(gòu)上，永磁無(wú)刷直流電機(jī)多采用如圖2c 所示的SPM 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，雖然其永磁體直接暴露于氣隙磁場(chǎng)中，容易造成永磁體退磁。 但其采用了霍爾位置傳感器，只需準(zhǔn)確控制電流換向點(diǎn)就可以保證電機(jī)正常運(yùn)行，控制精度更高，工作壽命更長(zhǎng)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用在儀器儀表、航空航天、醫(yī)療器械等高精密小功率設(shè)備上［9］。

永磁無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)大負(fù)載設(shè)備時(shí)，需將供電系統(tǒng)的交流電轉(zhuǎn)化為直流電后才能供其使用，與傳統(tǒng)交流電機(jī)相比，相同功率的電機(jī)所需的體積更大。 因此，若用永磁無(wú)刷直流電機(jī)在井下狹小空間中驅(qū)動(dòng)大功率的設(shè)備所產(chǎn)生的成本太高且效率低下，但因其取消了電刷與換向器等電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，所以其更適合運(yùn)用于井下中小型移動(dòng)式設(shè)備上。 例如可作為啟動(dòng)電機(jī)、輪轂電機(jī)運(yùn)用在井下蓄電池及混合動(dòng)力無(wú)軌膠輪車［10］等輔助運(yùn)輸車輛上。

1.3 永磁直線電機(jī)特點(diǎn)及應(yīng)用

永磁直線電機(jī)在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于永磁同步電機(jī)沿徑向展開(kāi)的形式，定子繞組為永磁直線電機(jī)的初級(jí)，永磁體轉(zhuǎn)子為永磁直線電機(jī)的次級(jí)，初級(jí)與次級(jí)之間存在氣隙磁場(chǎng)，在電磁感應(yīng)的作用下驅(qū)動(dòng)負(fù)載進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，且傳動(dòng)不需要中間轉(zhuǎn)換裝置。 它既具有永磁體勵(lì)磁的特點(diǎn)，又保留了直線電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，具有傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、磨損小、精度高等優(yōu)點(diǎn)，適用于軌道運(yùn)輸與垂直提升領(lǐng)域。

目前，永磁直線電機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于軌道運(yùn)輸領(lǐng)域。例如，長(zhǎng)沙地鐵一號(hào)線［11］使用的永磁地鐵與上海高速磁懸浮列車運(yùn)輸系統(tǒng)均已到達(dá)世界先進(jìn)水平。MAGNEMOTION［12］將永磁直線垂直驅(qū)動(dòng)技術(shù)在軍事上進(jìn)行了應(yīng)用。 在礦山裝備領(lǐng)域，鮑久圣［13］提出了利用永磁直線電機(jī)與永磁同步來(lái)驅(qū)動(dòng)井下軌道運(yùn)輸車輛，該種驅(qū)動(dòng)方式提升了礦用電機(jī)車運(yùn)輸效率與爬坡能力，非常適合于短距離重載運(yùn)輸。 基于以上的優(yōu)勢(shì)與技術(shù)積累，永磁直線電機(jī)在井下軌道運(yùn)輸系統(tǒng)與礦井提升機(jī)中將會(huì)有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1.4 永磁電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)及應(yīng)用

在永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，目前使用最多的開(kāi)環(huán)變頻調(diào)速方式是恒壓頻比控制變頻調(diào)速。

礦山大功率恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載多采用恒壓頻比控制方式。 如式（1）所示，在保證磁通一定的前提下，通過(guò)成比例控制三相交流電的電壓和頻率可到達(dá)變頻調(diào)速與軟啟動(dòng)的目的。 但該種控制方式無(wú)法對(duì)相位進(jìn)行控制，是一種開(kāi)環(huán)控制方式，不適合采掘機(jī)械、刮板輸送機(jī)這一類負(fù)載經(jīng)常會(huì)發(fā)生突變的設(shè)備使用，現(xiàn)多用于井下風(fēng)機(jī)水泵、礦井提升機(jī)等恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載設(shè)備。

恒壓頻比控制原理公式：

式中：φ為電機(jī)磁通量，Wb；E為定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，V；f為供電頻率，Hz。

通過(guò)閉環(huán)變頻調(diào)速的方式可對(duì)負(fù)載的變化實(shí)時(shí)調(diào)控，目前最常用的閉環(huán)調(diào)速方式有兩種：矢量控制變頻調(diào)速（FOC）、直接轉(zhuǎn)矩（DTC）控制變頻調(diào)速。矢量控制是一種跟蹤與解耦的控制方式，通過(guò)Clark 與Park 坐標(biāo)變化將三相旋轉(zhuǎn)交流電近似轉(zhuǎn)換模擬為d軸與q軸兩相直流電，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁電機(jī)多變量系統(tǒng)的解耦。 以轉(zhuǎn)子磁極位置為基準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后的d－q坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)了定子電流跟蹤轉(zhuǎn)子磁極位置，通過(guò)對(duì)d軸產(chǎn)生的勵(lì)磁分量與q軸產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩分量單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁電機(jī)的高效調(diào)節(jié)。

如圖3 和圖4 所示，設(shè)定永磁電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速值nr＝6 m／s，當(dāng)機(jī)械負(fù)載在第3 秒處發(fā)生突變?cè)龃髸r(shí)，永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速值會(huì)降低且小于設(shè)定值nr，矢量控制模型會(huì)以該差值為系統(tǒng)輸入量，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)矩PI與電流PI 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)后，產(chǎn)生需要增大的q軸需求電流，再經(jīng)過(guò)電流PI 環(huán)調(diào)節(jié)后產(chǎn)生所需的q軸電壓Uq以及d軸電壓Ud；在基礎(chǔ)上通過(guò)Park 逆變換模塊將Ud與Uq轉(zhuǎn)換為α－β坐標(biāo)系下的α軸電壓Uα與β軸電壓Uβ，再經(jīng)由SVPWM 調(diào)制與逆變器這2 個(gè)模塊使永磁同步電機(jī)實(shí)時(shí)輸出所需的三相電流iA、iB與iC；最后通過(guò)Clark 與Park 坐標(biāo)模塊變化使永磁電機(jī)的q軸電流iq增加至15 A，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到設(shè)定值，體現(xiàn)了良好的動(dòng)態(tài)特性。

圖3 雙閉環(huán)矢量控制模型Fig.3 Double closed loop vector control model

圖4 負(fù)載突變時(shí)永磁電機(jī)輸出三相電流與轉(zhuǎn)速變化Fig.4 Change of output three－phase current and speed of PMSM under sudden load change

為簡(jiǎn)化矢量控制的計(jì)算與調(diào)節(jié)過(guò)程，20 世紀(jì)80年代國(guó)外學(xué)者又提出了直接轉(zhuǎn)矩控制，該控制方法與矢量控制的最大區(qū)別是其采用了定子磁通定向技術(shù)，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。 通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)永磁電機(jī)定子電流與電壓，并對(duì)轉(zhuǎn)矩與磁鏈的幅值直接計(jì)算，經(jīng)過(guò)滯環(huán)調(diào)節(jié)后對(duì)電機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，是一種十分先進(jìn)的變頻控制方式，在三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)與刮板輸送機(jī)中廣泛使用；但因其僅采用離散滯環(huán)調(diào)節(jié)的控制，無(wú)法達(dá)到矢量控制的控制效果，存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與大沖擊電流，在礦山裝備永磁驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域僅有理論研究尚無(wú)實(shí)際應(yīng)用。

目前，除帶式輸送機(jī)以外，關(guān)于其他礦山裝備的永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究在國(guó)內(nèi)仍停留在理論與試驗(yàn)階段，而國(guó)外主要集中于控制方法的研究。 例如，MATSUKI［14］對(duì)于永磁電機(jī)傳統(tǒng)的恒壓頻比控制方法提出了一種基于n－t坐標(biāo)系的高效控制方法；PREINDL［15］對(duì)永磁電機(jī)DTC 控制方法提供了一種新型預(yù)測(cè)模型以滿足多種轉(zhuǎn)矩工況的需求，但國(guó)外在礦山裝備領(lǐng)域鮮有研究。

2 礦井采掘裝備永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)現(xiàn)狀

目前，在采掘裝備上永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用研究主要集中于采煤機(jī)與掘進(jìn)機(jī)的截割部。 長(zhǎng)期以來(lái)，采掘裝備截割部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均由交流異步電機(jī)＋多級(jí)減速裝置構(gòu)成，但在該驅(qū)動(dòng)方式下的截割電機(jī)多為電壓等級(jí)3 300 V 交流異步電機(jī)，且裝機(jī)功率超過(guò)1 000 kW，而該電壓等級(jí)與裝機(jī)功率下的變頻器體積太大，采煤機(jī)已無(wú)空間安裝，因此無(wú)法根據(jù)負(fù)載實(shí)現(xiàn)截割變頻調(diào)速，造成電能大量浪費(fèi)。 而異步電機(jī)啟動(dòng)電流過(guò)大，還會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)很大沖擊，影響礦井其他設(shè)備的安全運(yùn)行。

在永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)李威課題組［16－17］提出了基于新型滑膜觀測(cè)器的無(wú)傳感器控制策略與自抗擾容錯(cuò)控制策略，可以對(duì)采煤機(jī)截割部的永磁同步電機(jī)進(jìn)行智能控制以降低其故障率；葛世榮［18］提出了一種采用萬(wàn)向聯(lián)軸器傳動(dòng)的采煤機(jī)搖臂裝置，如圖5 所示。 該裝置將永磁同步電機(jī)與一級(jí)行星齒輪減速器由萬(wàn)向軸聯(lián)軸器連接，取消了惰輪傳動(dòng)組，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割滾筒的長(zhǎng)距離、低速大轉(zhuǎn)矩傳遞的功能。 2017 年，晉煤集團(tuán)趙俊杰［19］將雙滾筒采煤機(jī)的下裝煤滾筒換裝為250 kW 永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這是永磁同步電機(jī)在采煤機(jī)上的首次應(yīng)用試驗(yàn)。

圖5 萬(wàn)向軸連接式采煤機(jī)截割部Fig.5 Shearer cutting part connected by cardan shaft

因采掘裝備運(yùn)行工況惡劣，截割部處于變化沖擊載荷下，若采用永磁直驅(qū)系統(tǒng)將截割滾筒與永磁電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直接連接，截割過(guò)程產(chǎn)生的波動(dòng)會(huì)直接沖擊永磁電機(jī)，帶來(lái)電機(jī)溫度過(guò)熱、永磁體退磁與運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題，將會(huì)大幅度降低電機(jī)壽命?；谝陨蠁?wèn)題，若將永磁同步電機(jī)與多級(jí)行星齒輪減速器內(nèi)置于同一箱體內(nèi)來(lái)進(jìn)一步提高傳動(dòng)比，則既可以充分利用永磁同步電機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩的特性使采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)高效截割，又能夠保證電機(jī)運(yùn)行的可靠性與壽命，同時(shí)半直驅(qū)系統(tǒng)節(jié)省出的空間也可以縮小搖臂長(zhǎng)度，減輕采煤機(jī)整機(jī)重量，降低了生產(chǎn)成本。 因此，由永磁同步電機(jī)＋內(nèi)置行星齒輪減速器組成的永磁半直驅(qū)系統(tǒng)將會(huì)是采掘裝備現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)永磁驅(qū)動(dòng)一種可行方式。

3 礦山運(yùn)輸裝備永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)現(xiàn)狀

礦山運(yùn)輸裝備永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究現(xiàn)主要集中于帶式輸送機(jī)與刮板輸送機(jī)兩類設(shè)備。

3.1 帶式輸送機(jī)永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)

帶式輸送機(jī)是一種利用膠帶與滾筒間產(chǎn)生的摩擦牽引力來(lái)運(yùn)輸煤炭與散料的機(jī)械設(shè)備，與刮板輸送機(jī)的鏈傳動(dòng)相比，其在動(dòng)力不足時(shí)會(huì)發(fā)生打滑現(xiàn)象，電機(jī)不會(huì)因?yàn)檫\(yùn)輸載荷過(guò)大而發(fā)生堵轉(zhuǎn)，使得溫度過(guò)高，最終導(dǎo)致永磁體退磁失效或電機(jī)停機(jī)燒毀。

因此，由于帶式輸送機(jī)采用帶傳動(dòng)而在驅(qū)動(dòng)原理上而為電機(jī)帶來(lái)的自我保護(hù)特性，其能夠減小永磁體發(fā)生退磁的概率進(jìn)而保證電機(jī)處在高效、穩(wěn)定與可靠的運(yùn)行區(qū)間運(yùn)行且十分適合于帶式輸送機(jī)運(yùn)輸物料所處的低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行工況。 所以，永磁驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)已經(jīng)在多個(gè)煤礦得到實(shí)際應(yīng)用。 例如，MASOUDINEJAD 等［20］提出了一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)輸負(fù)載調(diào)節(jié)永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速來(lái)降低能耗的方法；楊小林等［21］提出了永磁直驅(qū)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)如圖6 所示，兩側(cè)永磁直驅(qū)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)滾筒直接連接，在單側(cè)發(fā)生故障后，在變頻器控制下另一側(cè)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩減速工作，保持了運(yùn)輸系統(tǒng)的連續(xù)性。

圖6 帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)［21］Fig.6 Permanent magnet direct driving system for belt conveyor［21］

現(xiàn)有的帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與張緊機(jī)構(gòu)一般采用獨(dú)立的控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)性差，張緊過(guò)程存在著滯后性。 在帶式輸送機(jī)采用永磁直驅(qū)的基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步利用永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)對(duì)其張緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)與張緊的協(xié)同控制可以實(shí)現(xiàn)全永磁智能驅(qū)動(dòng)。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)與北京百正創(chuàng)源公司提出的基于永磁同步電機(jī)的智能直驅(qū)與張緊一體化系統(tǒng)如圖7 所示，采用機(jī)頭與機(jī)身中部多電機(jī)多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與張緊系統(tǒng)均采用永磁同步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，共用一套綜合控制系統(tǒng)，已成功應(yīng)用于鄂爾多斯昊華精煤高家梁礦［22］等多家煤礦。

圖7 帶式輸送機(jī)智能直驅(qū)與張緊一體化系統(tǒng)Fig.7 Integrated system of intelligent direct drive and tension for belt conveyor

如圖8 所示，綜合控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各傳動(dòng)滾筒的轉(zhuǎn)速，并與速度控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行校驗(yàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速5%時(shí)即判定為發(fā)生打滑，系統(tǒng)立刻啟動(dòng)打滑抑制控制策略，減小打滑滾筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)張緊系統(tǒng)的張緊力，從而有效防止膠帶打滑事故的發(fā)生［23］。

圖8 帶式輸送機(jī)全永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)防打滑控制策略Fig.8 Anti－slip control strategy of belt conveyor full permanent magnet driving system

基于以上優(yōu)勢(shì)，張磊［24］利用MATLAB／Simulink 搭建了集“永磁直驅(qū)＋永磁張緊＋協(xié)同控制”于一體的全永磁驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)機(jī)－電耦合動(dòng)力學(xué)模型并通過(guò)井下試驗(yàn)驗(yàn)證了全永磁驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)不僅可實(shí)現(xiàn)智能驅(qū)動(dòng)與張緊，還可以大幅度縮減耗電量，將會(huì)是未來(lái)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的重要發(fā)展方向。 在此基礎(chǔ)上，郝建偉等［25］提出的自抗擾同步控制策略可進(jìn)一步提高帶式輸送機(jī)的抗干擾能力、控制精度和同步性，更有利于多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

3.2 刮板輸送機(jī)永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)

刮板輸送機(jī)作為采煤機(jī)運(yùn)行的軌道與工作面煤炭運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備，其驅(qū)動(dòng)部分多采用TTT 技術(shù)、CST 技術(shù)以及異步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以上3 種驅(qū)動(dòng)技術(shù)均采用交流異步電機(jī)作為動(dòng)力源，分別存在自身局限性。 而與交流異步電機(jī)相比，因永磁同步電機(jī)具有低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩輸出特性、高節(jié)能效果、高功率因素等優(yōu)點(diǎn)，為推廣永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)在刮板輸送機(jī)上的應(yīng)用，近來(lái)，也有人針對(duì)刮板輸送機(jī)開(kāi)展了永磁直驅(qū)技術(shù)研究。 例如，王洋洋等［26］利用MATLAB／Simulink軟件對(duì)永磁直驅(qū)系統(tǒng)建立了機(jī)電耦合模型，根據(jù)負(fù)載變化實(shí)時(shí)控制機(jī)頭、機(jī)尾的永磁同步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，減小了鏈條的過(guò)載沖擊；LU 等［27］針對(duì)刮板輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于負(fù)載特性的復(fù)合滑膜控制方法，提高了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的智能化程度。 但是，實(shí)際情況是刮板輸送機(jī)若使用永磁直驅(qū)系統(tǒng)，為滿足其低速大轉(zhuǎn)矩的輸出條件，所需電機(jī)體積會(huì)變大導(dǎo)致占用的空間高于刮板輸送機(jī)彎曲度，無(wú)法滿足井下三級(jí)配套的安裝空間，同時(shí)聯(lián)軸器所承擔(dān)的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩將顯著變大，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)造成傳動(dòng)系統(tǒng)失穩(wěn)的現(xiàn)象會(huì)更加明顯，故永磁直驅(qū)方案在刮板輸送機(jī)上難具實(shí)際可行性［28］。

對(duì)此，楊小林等［29］提出了一種適用刮板輸送機(jī)的永磁半直驅(qū)電機(jī)，如圖9 所示，將減速器與永磁電機(jī)內(nèi)置于同一個(gè)箱體內(nèi)，在保證傳動(dòng)效率的同時(shí)，降低了傳動(dòng)系統(tǒng)的故障率；舒子龍［30］對(duì)刮板輸送機(jī)永磁半直驅(qū)系統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)建立動(dòng)力學(xué)方程，為刮板輸送機(jī)永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用建立了理論基礎(chǔ)；葛世榮等［31］提出了采用2 臺(tái)永磁電機(jī)并聯(lián)的刮板輸送機(jī)半直驅(qū)系統(tǒng)如圖10 所示，可以根據(jù)負(fù)載大小實(shí)時(shí)切換單電機(jī)輕載與雙電機(jī)重載工作模式，使刮板機(jī)一直處于節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)。 這種雙電機(jī)并聯(lián)的驅(qū)動(dòng)方案同樣也適用于帶式輸送機(jī)的永磁直驅(qū)系統(tǒng)［32］。

圖9 刮板輸送機(jī)用永磁半直驅(qū)電機(jī)Fig.9 Permanent magnet semi－direct driving motor for scraper conveyor

圖10 刮板輸送機(jī)并聯(lián)式永磁半直驅(qū)系統(tǒng)Fig.10 Parallel permanent magnet semi－direct driving system of scraper conveyor

4 礦井提升裝備永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)現(xiàn)狀

提升機(jī)是礦井利用鋼絲繩來(lái)提升物料、升降人員與設(shè)備的主要裝置［33］。 隨著控制技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)的提升機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)逐漸代替了傳統(tǒng)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)［34］，而目前礦井提升機(jī)也正在朝著大功率、高效率的同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展［35］，永磁同步電機(jī)作為一種性能優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)電機(jī)也開(kāi)始在 礦井提升機(jī)上得到研究與應(yīng)用。 例如：貴州高礦重工研制的全球首臺(tái)永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)已在貴州省苞谷山煤礦投入使用［36］；太原理工大學(xué)［37］開(kāi)展了永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究，其采用外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)與提升機(jī)卷筒一體化結(jié)構(gòu)，具有傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲小等優(yōu)勢(shì)；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)譚國(guó)俊研制的礦井超大功率提升機(jī)全系列變頻智能控制技術(shù)［38］達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

隨著淺層煤炭資源的日益減少，煤炭開(kāi)采的深度與載荷也越來(lái)越大，但因鋼絲繩力學(xué)性能以及自重等問(wèn)題，傳統(tǒng)的鋼絲繩提升系統(tǒng)嚴(yán)重限制了超大噸位與超深井提升技術(shù)的發(fā)展［39］。 為替換傳統(tǒng)鋼絲繩提升系統(tǒng)，在永磁驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，封孝輝等［40］利用DSP 芯片對(duì)永磁直線電機(jī)垂直提升系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)與仿真；河南理工大學(xué)了建立載荷3.6 t、高度20 m 的直線電機(jī)垂直提升樣機(jī)，但目前單個(gè)永磁直線電機(jī)僅能推動(dòng)幾噸重的載荷，因而僅靠永磁直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)仍然無(wú)法滿足礦井?dāng)?shù)十噸重的提升載荷需求。

針對(duì)這一問(wèn)題，鮑久圣等［41－42］提出了采用“鋼絲繩主提升＋垂直式直線電機(jī)輔助提升”的新型混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方案，發(fā)明了永磁直線電機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)的特大型箕斗（＞50 t）與特大型罐籠（＞60 t）提升系統(tǒng)如圖11 所示，并利用Matlab／Simulink 軟件建立了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的多電機(jī)三閉環(huán)矢量控制模型［43］。 在不改變?cè)袖摻z繩主提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不增加鋼絲繩長(zhǎng)度及重量的基礎(chǔ)上，將永磁直線電機(jī)次級(jí)布置在提升容器上，初級(jí)布置于井筒井壁的鋼結(jié)構(gòu)桁架上，在井下供電系統(tǒng)對(duì)直線電機(jī)初級(jí)通電后，直線電機(jī)次級(jí)帶動(dòng)提升容器垂直運(yùn)動(dòng)。 通過(guò)直線電機(jī)輔助提升箕斗或罐籠，分擔(dān)主提升系統(tǒng)的載荷，可突破現(xiàn)有鋼絲繩提升技術(shù)極限，進(jìn)一步增加20%以上的提升載荷。 除此以外，根據(jù)提升載荷與材料的不同，還可以在鋼絲繩提升、鋼絲繩＋直線電機(jī)復(fù)合提升兩種模式間進(jìn)行切換，在增加提升負(fù)載與高度的同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)多動(dòng)力混合、高效節(jié)能驅(qū)動(dòng)。 因此，在傳統(tǒng)鋼絲繩提升系統(tǒng)發(fā)展受限而僅依靠永磁直線電機(jī)又無(wú)法單獨(dú)提升的情況下，采用“鋼絲繩＋直線電機(jī)”的復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將會(huì)是未來(lái)超深礦井、特大噸位載荷提升的重要發(fā)展方向。

圖11 鋼絲繩與永磁直線電機(jī)復(fù)合驅(qū)動(dòng)的礦井提升系統(tǒng)［41－42］Fig.11 Mine hoisting system driven by wire rope and permanent magnet linear motor［41－42］

在此基礎(chǔ)上，為推動(dòng)太空采礦技術(shù)的發(fā)展，鮑久圣結(jié)合碳納米管材料的優(yōu)異力學(xué)性能和導(dǎo)電特性，基于永磁電機(jī)高效驅(qū)動(dòng)技術(shù)，提出了基于碳納米管纜繩的摩擦式太空提升系統(tǒng)［44］與采用激光供電的爬繩式太空提升系統(tǒng)［45］，為未來(lái)發(fā)展太空采礦提供了運(yùn)輸提升方案。

5 礦山裝備永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)展望

1）為更好地適應(yīng)煤礦井下工作環(huán)境和礦山裝備工況特點(diǎn)，有必要進(jìn)一步發(fā)展高可靠性永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使永磁電機(jī)在高溫、電流振蕩、化學(xué)腐蝕等環(huán)境下以及重載、負(fù)載突變等工況下永磁體不發(fā)生退磁，具體措施包括：使用氮?dú)饫鋮s等新型高效冷卻技術(shù)對(duì)永磁電機(jī)實(shí)時(shí)冷卻，對(duì)轉(zhuǎn)子反向磁場(chǎng)進(jìn)行控制以避免永磁體直接退磁，實(shí)時(shí)檢測(cè)永磁電機(jī)溫度與三相交流電大小避免永磁體過(guò)熱退磁等。

2）為實(shí)現(xiàn)礦山裝備重載啟動(dòng)、減小礦山裝備負(fù)載突變對(duì)永磁電機(jī)產(chǎn)生的不利影響，應(yīng)大力研發(fā)內(nèi)置有FOC 與DTC 等先進(jìn)永磁閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的大功率礦用隔爆型變頻器，并將永磁電機(jī)無(wú)傳感器控制與自抗擾控制技術(shù)植入礦山裝備中，提高控制精度，減小電機(jī)工作時(shí)的電流波動(dòng)。 針對(duì)帶式輸送機(jī)與刮板輸送機(jī)也可采用多電機(jī)永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)降低單電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)給裝備的巨大運(yùn)行負(fù)荷，縮小電機(jī)體積。

3）在大力發(fā)展礦山裝備永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步利用永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)所具有的傳動(dòng)鏈簡(jiǎn)單、適于低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩負(fù)載以及節(jié)能省電運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，將其與采掘裝備的煤巖識(shí)別、記憶截割、GIS 地理信息模型［46］與多姿態(tài)多傳感器融合，運(yùn)輸裝備的機(jī)器人智能巡檢［47］、刮板輸送機(jī)智能調(diào)直［48］，提升裝備的罐道載荷及鋼絲繩在線無(wú)損檢測(cè)等礦山裝備領(lǐng)域的智能化理論與先進(jìn)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，大力發(fā)展基于永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的智能化礦山裝備，從而為建設(shè)智慧礦山奠定重要裝備基礎(chǔ)。