永磁內裝式礦井提升機應用技術研究

李玉強 謝德凌

(1.山西機電職業技術學院，山西省長治市，046011；2.貴陽高原礦山機械股份有限公司，貴州省貴陽市，550000)

礦井提升機是連接井上和井下的“咽喉”要道，是運送礦山物料、設備和人員的關鍵設備。礦井提升機的技術水平和可靠程度決定了礦井的生產效益和安全生產水平。礦井提升機的技術發展歷史悠久，驅動方式從原始的牲畜力到蒸汽機，再到電力拖動和現代自動化控制的交—直流電機變頻控制直聯驅動。我國最初的提升設備是仿制前蘇聯的設計制造，后又發展到自行設計制造。1953年，撫順重型機器廠制造了我國第1臺單繩纏繞式雙筒提升機；1958年，洛陽礦山機器廠設計制造了我國第1臺井塔式JKM2×4多繩摩擦式提升機，1960年又設計生產了1臺井塔式 JKM3×4多繩摩擦式提升機，并逐漸形成批量生產能力，擺脫了依賴進口的局面[1]。據統計，全國生產或引進的礦井提升設備約有12000臺，目前同時服役的礦井提升設備約有7000臺[2]。

目前，國內外普遍使用的礦井提升機主要由電動機、減速器、聯軸器、制動裝置、主軸裝置、液壓站、潤滑站、電控系統等組成。較先進的驅動連接方式是去掉減速器用電動機和主軸裝置直接相連接的直聯式礦井提升機。此類礦井提升機有減速器、聯軸器、潤滑站等環節，存在維護量大、傳動效率低、設備安裝占地面積大、能耗高、基建投資大等問題。基于此，研發了永磁內裝式礦井提升機。

1 永磁內裝式礦井提升機的應用發展

永磁內裝式礦井提升機與傳統礦井提升機的傳動形式不同，它是一種機電一體化的新型礦井提升機。其連接方式不是簡單地把電動機裝在摩擦輪中，而是將機械和電氣部分融為一體，摩擦輪作為電動機的外轉子，同時具有承載鋼絲繩載荷的雙重功能；電動機定子與摩擦輪采用同軸同心布置，即摩擦輪的軸同時為電動機定子的軸，轉子在外，定子在內，摩擦輪和電動機合二為一，電動機處于2個主軸承正中間，減小了影響電動機偏心距的因素，提高了運行的安全可靠性。1988年，世界上第1臺內裝式礦井提升機在德國豪斯·阿登礦的新魯姆貝格7號井投入運行。該礦井提升機機械部分由德國的GHH公司制造，電控部分由西門子公司制造， 其摩擦輪直徑為6.5 m，電動機額定功率為2200 kW。 該礦井提升機體現了較高的機電相互融合性和高度機電一體化，使提升機的傳動技術進入了一個嶄新的階段[3]。內裝式礦井提升機具有以下優點：

(1)安全可靠，當制動器失效后，電動機變為發電機，產生反方向制動力矩，防止飛車事故的發生；

(2)節能高效，省去了減速器、聯軸器、潤滑站等中間環節，整機效率可達95%以上，綜合節電比傳統提升機節約37%以上，由于無中間環節，基本無故障；

(3)結構緊湊，電動機不需要安裝基礎，減小了機房占地面積，特別是對塔式礦井提升機而言，可降低井塔造價，減少基礎施工量30%，井下硐室相應的空間小，投入硐室成本低；

(4)機械效率高，電動機的轉矩直接傳遞給摩擦輪的筒殼，傳動鏈短且傳動效率高；

(5)改善主軸運行條件，主軸裝置兩端受力對稱，使得主軸及軸承受力均勻，同時改善了主軸的剛度，不必采用電動機轉子懸掛式結構，減小了主軸的撓度，使電動機轉子和定子之間的氣隙偏差減小，運行更穩定；

(6)機電一體化，只需維護電動機，維護量小，運行費用較低。

既然機電一體結構具有這么多明顯的優點，那么為什么從1956年發明到1988年實現應用還要經過32年的漫長時間才成功呢？原因就是當時大型提升機的驅動電機只能采用慢速直流電機，它的整流子需要經常維護,不適宜裝到滾筒中去；更何況讓整流子作為轉子的一部分去與滾筒結成一體，是不可能實現的[4]。

一段時間以來，內裝式礦井提升機的缺點是設備價格昂貴，2005年，原國投新集能源股份有限公司劉莊礦引進的2套井塔式4.65×6內裝式礦井提升機，當時的費用高達2億多元。我國使用的內裝式礦井提升機均為國外高價全套引進，如開灤集團東歡坨礦副井1994年引進1臺落地式4.3 m礦井提升機；永夏礦區陳四樓礦主井 1996年引進1臺落地式4 m礦井提升機，均為德國西瑪格公司制造。內裝式礦井提升機只是礦井提升機發展中的一個新的形式，是機械和電氣完美的結合，隨著關鍵核心技術的不斷突破與應用，它將逐步取代直聯式礦井提升機。在國內，貴州高原礦山機械有限公司率先研發和應用內裝式礦井提升機填補了國內研發和生產應用的空白，并達到了國際先進水平，逐步替代進口礦井提升機。

2 永磁內裝式礦井提升機原理及設備構成

永磁礦井提升機主要采用外轉子永磁同步電機原理制成，永久性磁鐵置于滾筒內壁，作為永磁電機外轉子。內定子工作繞組線圈裝于提升機主軸上，滾筒通過兩側腹板、軸承與主軸連接，并固定在軸承座上，永磁內裝式礦井提升機驅動系統內部結構如圖1所示。

根據需要，可設計成16～100極的永磁體，電壓等級有380 V、660 V、1140 V、3 kV、 6 kV 、10 kV系列,功率有90～10000 kW系列，額定頻率為0.01～20 Hz系列的低頻永磁礦井提升機。它的工作原理為：外轉子內壁上安裝有N極(綠色)和S極(黃色)永磁體磁極，內定子繞組通電后產生三相的旋轉磁場，三相對稱電流合成旋轉磁場與外轉子永久磁體產生的磁場相互作用產生扭矩力，利用磁力帶動外轉子同步旋轉，轉速由同步驅動裝置控制，通過調節頻率控制轉速，實現變頻控制，永磁內裝式礦井提升機驅動原理如圖2所示。

1-支撐座;2-主軸;3-散熱器進風口;4-滾筒;5-制動器;6-制動盤;7-永磁體;8-定子;9-滾子軸承;10-提升鋼絲繩

圖2 永磁內裝式礦井提升機驅動原理

永磁內裝式礦井提升機是對傳統礦井提升機的傳動方式進行創新設計，直接將永磁電動機內置于滾筒，實現傳統提升機的重大技術變革。它由主軸、支撐座、有繞組定子鐵心、滾筒組件(單繩和多繩)、制動器、轉子裝配組件、冷卻系統、液壓站、制動系統、電控裝置等組成，永磁內裝式礦井提升機系統組成如圖3所示。

3 永磁內裝式礦井提升機關鍵技術研究

隨著現代科技的迅猛發展，永磁內裝式礦井提升機新技術的應用日新月異，已經成熟應用到生產現場的關鍵核心技術如下所述。

(1)提升容器的懸停技術。該技術是在盤式制動器不施加制動力的情況下，永磁內裝式礦井提升機可在任意工作速度下把滿載重物的提升容器懸停在任意位置而不下滑，這樣可以使永磁內裝式礦井提升機在滿載的狀態下先打開盤式制動器，電控系統在檢測到盤式制動器完全打開的情況下，按照給定速度運行，減少提升沖擊。

1-液壓站；2-冷卻系統；3-制動器；4-有繞組定子鐵心；5-滾筒組件

(2)電動機的靜態識別技術。該技術是在電動機不轉動的情況下，可以精確識別到電動機的相位角，并準確識別出電動機的電阻值、電感值等相關參數，達到永磁電機的最佳控制狀態。這樣可以解決更換編碼器和變頻器后重新找磁極相位角的問題。

(3)防止磁鋼退磁消磁技術。雖然磁鋼采用號稱“磁王”的釹鐵硼永磁體，退磁或消磁的可能性較小(經研究論證，該磁鋼自然退磁率100年為0.2%左右)。但為了確保萬無一失，必須采取措施確保磁鋼永遠不會退磁或失磁。為了防止磁鋼在高溫下退磁或失磁，當系統溫度達到60℃時會自動啟動冷卻系統；為了防止大電流時失去磁性，使磁鋼擁有足夠的退磁安全系數，必須使退磁電流大于電動機額定電流的5倍以上，供電驅動裝置最大電流大于電動機額定電流的2倍以上；為了防止永磁體化學腐蝕退磁，在永磁體表面采取鍍鎳處理；為防止振動消磁，永磁內裝式礦井提升機安裝使用要求振動小于1.8 mm/s2，并且加裝振動傳感器。

(4)散熱技術。為了確保永磁內裝式礦井提升機在最佳溫度下工作，需要采取散熱措施。目前常用的散熱技術有風冷和水冷2種方法。風冷是通過冷卻風機產生流動的冷氣體使定子繞組線圈產生的熱量帶到電機外部。水冷是冷卻介質通過冷卻站、冷卻管道、定子冷卻腔，將電動機熱量帶至冷卻站進行冷卻。2種冷卻方式一般設定為60℃以上才開啟冷卻系統。永磁內裝式礦井提升機風冷式系統如圖4所示。

1-出風口過濾網；2-內定子；3-外轉子；4-風筒；5-離心風機

4 永磁內裝式礦井提升機應用優勢

通過在國內主力生產礦井的使用情況數據采集，經第三方評估機構、國內煤機行業和科研院所專家組分析論證對比，永磁內裝式提升機(型號為JKN-3x2.2P)較傳統礦井提升機(型號為JN-3x2.2P)在同樣大小尺寸的情況下對比來看，在許多關鍵技術參數上有優勢，最顯著的特點是較傳統提升機使用電流下降1/3，效率提高近1/4，節能環保、噪音小、占地面積小、施工周期短且調速精度大幅度提高。具體技術參數對比見表1。

表1 永磁內裝式提升機與傳統提升機使用參數對比

5 結語

目前我國永磁內裝式礦井提升機技術發展已達到國際先進水平，并成功在國內生產礦井進行推廣應用，如永煤集團、淮南礦業集團、內蒙古大雁礦業集團等，取得了很好的社會效益和經濟效益。永磁內裝式礦井提升機技術的應用是礦井提升系統未來發展的趨勢，應用前景廣闊，對綠色礦井開采提供了節能、可靠和安全的技術保證。同時，可以讓礦井開采變得更加節能高效和自動化，大大節省能源消耗，提高煤礦開采的安全性、可靠性和節能性，減少安全事故的發生。