礦用刮板輸送機隔爆型三相永磁半直驅電機開發及應用

(河北乾順節能科技有限公司，河北邯鄲 314001)

0 引言

刮板輸送機在煤礦中采煤工作面使用要保持連續運轉，生產就能正常運行。否則，整個采煤工作面就會出現停產。在使用中常有啟動難、啟動時對設備的沖擊較大，時有發生斷鏈、斷掛板的情況。針對刮板輸送機的使用工況結合永磁電動機的特點，進行定制設計刮板機是驅動單元。

1 刮板輸送機現況

現礦上使用的驅動方式多為水冷異步電機+液力耦合器+齒輪箱的方式(以上稱為傳統系統)。存在許多問題。

刮板機傳統系統驅動電機選型多選擇大于額定功率的2倍，電機為雙速電機為低速啟動，啟動轉矩倍數為3倍。機頭和機尾雙驅動也常出現功率不平衡的問題。在現驅動的系統上存在故障有35%甚至更多為液力耦合器的問題。

現通過對現有刮板機的一些痛點進行改進和優化，使其達到節能減排、故障減少、維護更少。

2 刮板輸送機專用半直驅隔爆型三相永磁同步電動機設計

以礦方合作進行改造的一臺刮板機改造為例，具體設計如下。

2.1 刮板機參數

輸送量：600 t/h；輸送長度：140m；刮板鏈速：1.02m/s；齒輪箱速比：1：31；輸入轉速： 48rpm。

根據提供的實際運行工況，分別設計了兩套驅動方案。

方案一：電機功率：110kW；轉速：48rpm、直驅系統。

本方案采用直驅形式，由于電機轉速低轉矩大，中心高<630(礦方對體積要求比較嚴格)，電機的鐵心長度大，制作困難。及外形尺寸滿足不了礦方要求。

方案二：電機功率：110kW；轉速：300rpm、配合行星減速機。

本方案提高電機轉速，配合行星減速器是輸出轉速和轉矩達到要求。并外形尺寸比現有的傳統系統的體積還小質量更輕，自然冷卻。

評審后確定使用方案二。

2.2 傳統系統三相異步電機基本定額參數

三相異步電機型號：YBSDS 2-200/100-4/8

相數m：3；額定頻率f：50Hz；額定功率P：100/200kW；額定電壓Un：1140V；額定電流In：43.04A；極數：4/8；最大轉矩倍數Tmax：3；冷卻方式：IC46W；起動轉矩倍數Tst：3。

2.3 刮板輸送機專用半直驅隔爆型三相永磁同步電動機定額參數

額定功率P：110 kW;額定電壓Un：1140V；極數：40；最大轉矩倍數Tmax：4；冷卻方式：IC41；起動轉矩倍數Tst：3。

2.4 齒輪箱設計

通過與齒輪箱廠家合作開發設計一級行星齒輪箱速比為1：6。輸出轉速48rpm、轉矩滿足42kn.m 外形見圖1。

圖1 外形圖

2.5 三相永磁同步電動機設計

電機的整機參數包括電磁及結構參數，來源于Matlab計算單。

下為擇取的一些參數：功率P=110.00kW；額定相電壓U=620.00V；額定電流I=63.080； 頻率f=100.0Hz；相數m=3；極對數p=20；運行溫度tempt=75℃；定子外徑D=770.0mm；鐵心長度La=300.0mm;氣隙長度g=2.00mm；額定轉速nN=300.00r/min;效率=0.953;功率因數=0.974;最大轉矩倍數Tmax=3.403;熱負荷A1J1=704.00A2(cm*mm2)。

2.5.1 利用Ansoft有限元分析軟件對三相永磁同步電動機(110kW-40極)進行空載穩態及負載過程分析，以驗證其性能，分析結果見圖2、圖3、圖4、圖5、圖6。

圖2 磁力線分布

圖3 磁力線分布

圖4 空載反電勢

圖5 起動轉矩

圖6 最大轉矩

結果說明及分析結論

(1)由圖2、圖3知，電機磁力線分布合理，磁密分布合理，磁路飽和度合適。

(2)由圖4知，電機的空載反電勢波形接近正弦波，正弦率較高，且反電勢有效值與Matlab計算值基本相等。由于定子槽為開口槽，不可避免地存在諧波，但諧波含量也較少。

(3)由圖5知，電機帶額定轉矩負載時能夠快速起動，達到額定轉速后能穩定維持轉速及轉矩不變。

(4)由圖6知，電機在最大轉矩起動后轉矩穩定。

綜上，電機電磁方案合理，按此設計電機能夠正常起動及負載大幅度變化時穩定運行。

2.5.2 結構設計

根據與煤礦使用現況把驅動單元體積最小化，借用汽車輪轂的形式，把齒輪箱安裝到永磁電機的轉子內部，電機轉子安裝齒輪箱的高速輸入軸上，齒輪箱作為電機軸支持轉子(見圖7)。最大限度的減少刮板輸送機永磁電機體積。

圖7 齒輪箱作為電機軸支持轉子

3 樣機試驗數據

3.1 空載試驗

空載相反電動勢615V，空載試驗結果見表1。

表1 空載試驗結果

3.2 負載試驗

負載試驗結果見表2。

表2 負載試驗結果

3.3 溫升試驗

溫升試驗結果見表3。

表3 溫升試驗結果

4 改造后驅動系統對比

4.1 質量對比

傳統系統=雙速異步電機(1824kg)+液力耦合器(532 kg)+齒輪箱(1684 kg)

半直驅永磁電機(1230kg)

傳統驅動系統比半直驅多重(4040-1230=2810kg)

刮板輸送機在工作面的移動及安裝有著明顯的提升。

4.2 外形及安裝方式對比

圖8 傳統系統

圖9 半直驅系統

對比圖8與圖9就可以看出半直驅的尺寸要小的多，對礦井下的空間要求更小。

4.3 冷卻方式

傳統系統為(IC46W)強制水冷，半直驅系統為(IC41)自然冷卻。

設備的使用現場不在需要為電機提供冷卻水，因為冷卻水的省去，設備的故障率降低、對環境更友好、冷卻設備及配件的投入減少。

4.4 啟動電流、轉矩對比

啟動電流、轉矩對比見表4。

表4 啟動電流、轉矩對比

因為啟動電流的減小，對輸入電纜的要求也由原2×95mm2降低為95mm2。對上一級的變壓器的沖擊和對其他的設備的因電流沖擊的影響全部去除。

4.5 節能對比

對設備安裝完成后，作了一個節能對比，節能對比見表5。

表5 節能對比

假定驅動系統在負載率 1、0.75、0.5、0.3運行的時間，所占總運行時間的比例分別為30%、40%、20%、10%。運行時間全年按330天，每天運行16個小時，見表6。

表6 進行對比

每年還可以節約耦合器、及聯軸器的更換維修保養成本。

根據保守計算所得，半直驅永磁電動及系統比異步電機系統每年節約大概 20度/年。按照1元/度計算，每年可以節約大概 20 萬元(因異步電機功率因數與永磁電機差別太多，節能計算未考慮無功損耗，)

4.6 效率及功率因數對比

效率及功率因數對比見表7。

表7 效率及功率因數對比

5 結語

改進了刮板輸送機的驅動單元為半直驅三相永磁電動機后，去除了液力耦合器的故障，簡化傳動鏈，提高了系統效率，刮板輸送機驅動系統啟動過程對設備的機械沖擊全部去除。變頻器的加入讓功率平衡提高到<3%。同時系統效率提高25%，在寬負債率范圍內節能效果更明顯。符合節能減排國家政策。對礦用刮板輸送機產品的驅動系統更新升級有示范作用。