智能永磁直驅電機在煤礦井下帶式輸送機上的應用

咸 凱

（山西焦煤西山煤電西銘礦多經(jīng)服務中心，山西 太原 030052）

引言

煤礦井下作業(yè)帶式傳輸機采用液力耦合驅動，受電壓影響，在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)機械故障，長時間的運轉會導致輸送機的減速裝置以及傳動裝置出現(xiàn)一定程度的磨損、啟動困難、輸送過程卡頓。為了簡化輸送流程，實現(xiàn)對輸送機的智能控制，技術部門引進智能永磁直驅電機作為動力系統(tǒng)，故障率明顯降低，傳輸效果顯著。

1 永磁電機應用原理

永磁電機基于磁阻的轉矩功能實現(xiàn)動力輸送，使用永磁材料建立磁場，具有儲能功能。對永磁電機的結構進行分析，其主要由定子、轉子以及端蓋等幾部分組成，在內部擁有相應的鐵芯、繞組等元件，共同實現(xiàn)對定子鐵芯的支撐。轉子由支架以及轉軸等元件構成，主要材料為硅鋼片，端蓋主要作用是保護和固定，實現(xiàn)對永磁電機的結構保護。其在運轉過程中，主要依靠磁場的作用實現(xiàn)對能量的轉化，類屬于電磁裝置。當電機有電流通過之后，會從定子結構中輸入電流，繞組會隨之形成磁場，提供磁力能量，使得轉子發(fā)生旋轉。在轉子結構上安裝相應的永磁裝置，由于其磁極具有固定屬性，磁極之間會吸引、排斥，在相互作用下轉子會持續(xù)旋轉，直到轉速與磁極轉速一致時，不再繼續(xù)增加旋轉力[1]。

2 智能永磁直驅電機應用特點

2.1 轉矩大

永磁電機應用依靠轉矩功能實現(xiàn)對輸送帶的動力控制。具體應用過程中，需要根據(jù)應用要求設計轉矩參數(shù)，對電機級數(shù)以及永磁體安裝數(shù)量進行明確，使其可以達到具體的應用標準。永磁電機應用具有強大的過載支撐能力，轉矩參負載能力較強，傳統(tǒng)輸送機處于負荷狀態(tài)時，電機啟動，轉矩參數(shù)達到原本額定參數(shù)的50%左右，無法實現(xiàn)全面負載，但永磁電機的轉矩參數(shù)較大，可以達到額定參數(shù)的250%以上。操作人員可以應用速度調節(jié)功能，實現(xiàn)輸送機對不同質量物質的負載，并可以進行重載啟動，應用具有一定的靈活性。

2.2 功率高

傳統(tǒng)電機結構中的轉子繞組主要應用銅制材料，磁場運轉過程中會消耗一定的熱能，導致能量功率消耗增加，能源浪費嚴重。永磁電機主要應用永磁體作為材料，運轉過程中不會消耗熱能。因此，永磁電機應用具有功率因數(shù)高的優(yōu)勢，尤其是當輸出功率與額定功率一致時，這種效率優(yōu)勢更加明顯。傳統(tǒng)的電機由于功率較大，功率因數(shù)較低，需要在通電之后使用，電機會吸引大量的電流能量，浪費電能，需要更多的電流通過才可以支持輸送機的運轉，在過電流負載情況下，極易引發(fā)故障。永磁電機受磁力性質影響，功率具有恒定屬性，效率比較高，不會出現(xiàn)異步電機運轉過程中的過電流情況。

2.3 結構簡單

永磁直驅電機不需要安裝相應的減速機，在運行過程中不會出現(xiàn)機械噪音，齒輪磨損程度降至最低。因此，應用永磁電機無需對其進行潤滑處理，使得后續(xù)的維護成本大大降低。簡單的結構使得設備裝置在安裝拆卸上的時間大大縮減。

2.4 壽命長

永磁直驅電機的使用壽命比較長，由于其在運轉期間受永磁體的磁力影響，依靠磁力實現(xiàn)傳動，推動輸送帶運轉，材料損耗程度降至最低。永磁驅動系統(tǒng)中的繞組經(jīng)過長時間運轉也不會產(chǎn)生電阻消耗，可以實現(xiàn)電流能量的完全轉化。比較傳統(tǒng)的電機而言，永磁電機的消耗率極大程度降低，使用壽命也有所延長。

2.5 智能控制

智能化控制技術是基于無傳感器設備的矢量控制技術應用實現(xiàn)對各項參數(shù)的提取以及分析，最終對各項參數(shù)進行合理控制。該技術主要應用變頻技術實現(xiàn)對裝置的啟動，確保輸送帶系統(tǒng)運轉過程中的均勻性。比較傳統(tǒng)輸送帶所應用的電機而言，規(guī)避了啟動過程中輸送電流過大導致的過電流沖擊問題，降低了故障率。賦予永磁直驅電機系統(tǒng)智能化控制功能，需要使用兩臺電機作為驅動裝置，分別承擔主要控制與輔助控制功能，確保運轉傳輸過程中的電流參數(shù)以及功率參數(shù)一致性。通過賦予永磁直驅系統(tǒng)通信功能，開設相應的接口，可以實現(xiàn)電機與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸，通過上位機發(fā)控指令，實現(xiàn)對多個傳輸機設備的集中控制[2]。

2.6 安全系數(shù)高

與傳統(tǒng)輸送帶的驅動系統(tǒng)不同，以智能永磁裝置作為輸送帶的驅動裝置，系統(tǒng)可以直接將磁能轉化為機械能，減少了中間傳動裝置應用，使得結構更加簡單。依靠磁力裝置，可以實現(xiàn)對電壓、電流等故障的規(guī)避，確保系統(tǒng)運行更加安全，運行期間不會產(chǎn)生電流沖擊故障以及電壓過載故障等。

3 智能永磁直驅電機應用實踐效果分析

某地區(qū)煤礦井下應用傳輸機裝置實現(xiàn)對相關物品的運輸，主要應用異步電機作為驅動裝置，輔助應用滾筒、液力耦合器以及減速裝置實現(xiàn)對輸送系統(tǒng)的科學控制。但由于在應用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)故障，功率消耗較大，現(xiàn)使用智能永磁直驅系統(tǒng)代替了原本的動力裝置，在原始動力裝置上進行了優(yōu)化改造。由于煤礦井下作業(yè)環(huán)境比較惡劣，煤礦運輸?shù)瓤赡軙е掠来烹姍C系統(tǒng)受到污染，使得動力系統(tǒng)受到影響。對永磁電機的位置進行明確，在原本異步電機位置150 m 處安裝永磁電機裝置，并將原本的耦合器等元件拆卸，更換成變頻器裝置，實現(xiàn)對驅動系統(tǒng)的合理改造。

將永磁電機投入使用，將其與帶式傳輸機連接在一起，應用脹套連接方法將電機系統(tǒng)與滾筒連接在一起。變頻器可以直接控制輸送機的運轉，并起到一定的保護作用，在運行過程中，輸送帶可以根據(jù)負載量實現(xiàn)對速度的控制，實現(xiàn)智能化控制目標，當煤礦數(shù)量較多時，輸送帶運行速度增加，當煤礦量較少時，輸送帶運轉速度降低。

該地區(qū)煤礦井下作業(yè)應用永磁直驅系統(tǒng)，應用永磁電機驅動，運行200 d，對比傳統(tǒng)的異步電機應用，比較兩者之間的應用效果以及應用價值。對應用成本進行計算，按照永磁直驅電機每天需要運轉16 h，電費按照1 元/度進行計算，對比投入成本，具體內容如表1、表2 所示。

表1 異步電機與永磁電機驅動傳輸效率對比表

表2 異步電機與永磁電機驅動傳輸成本對比表

對比永磁電機與異步電機之間的功率消耗及成本投入，在投入使用的200 d 時間內，永磁直驅系統(tǒng)節(jié)省了大量的成本，傳動效率也明顯提升。因此，相關部門需要加大對永磁驅動系統(tǒng)的研究，在煤礦井下作業(yè)中推廣并使用永磁電機作為驅動裝置，實現(xiàn)帶式輸送帶的智能化控制，提高傳輸效率，降低傳輸成本。