永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)在煤礦井下的應(yīng)用

盧文超

摘 要：礦山機(jī)械在實(shí)際應(yīng)用的過程中有著十分重要的作用，其中帶式輸送機(jī)和提升機(jī)等傳送系統(tǒng)都利用低速大轉(zhuǎn)矩，實(shí)際應(yīng)用的過程中因?yàn)闇p速器和耦合器等，維護(hù)工作相當(dāng)困難。

關(guān)鍵詞：永磁直驅(qū);電動(dòng)機(jī);煤礦;高效

1、前言

永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用的過程中相比較傳統(tǒng)輸送機(jī)械來說有著更加節(jié)能，更低噪聲以及不用維護(hù)的特點(diǎn)。

2、永磁電動(dòng)機(jī)

2.1基本原理

傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)是定子繞組中通過勵(lì)磁電流產(chǎn)生氣隙磁場，進(jìn)而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和感應(yīng)電流，形成感應(yīng)磁場，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的運(yùn)行轉(zhuǎn)速始終小于氣隙內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速。永磁同步電動(dòng)機(jī)與三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)基本相同，其定子為三相對稱繞組，轉(zhuǎn)子上有磁鋼，是一種異步啟動(dòng)的同步電動(dòng)機(jī)，由轉(zhuǎn)子交流啟動(dòng)后牽人同步運(yùn)行，類似于交流同步電動(dòng)機(jī)。其運(yùn)行是靠定子線圈在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場與己充磁的磁極作用，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)而做功。

2.2主要優(yōu)點(diǎn)

（1）沒有轉(zhuǎn)差損耗，效率高于異步電動(dòng)機(jī)和高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)。（2）調(diào)速范圍寬，可設(shè)計(jì)成直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。（3）經(jīng)合理設(shè)計(jì)，可獲得大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可用小機(jī)座號(hào)的永磁同步電動(dòng)機(jī)代替比其大1～2個(gè)機(jī)座號(hào)的異步電動(dòng)機(jī)，在降低永磁同步電動(dòng)機(jī)體積和成本的同時(shí)，提高了負(fù)載率。

3、直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

力矩電動(dòng)機(jī)，典型的傳動(dòng)裝置從電動(dòng)機(jī)到運(yùn)動(dòng)部件間包含一系列的機(jī)械傳動(dòng)元件，使得傳動(dòng)鏈長、傳動(dòng)效率低、制造成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的存在，不僅導(dǎo)致反向間隙、摩擦以及傳動(dòng)剛度降低等機(jī)械結(jié)構(gòu)問題，增大非線性誤差，而且還會(huì)引起一定程度的彈性變形，整個(gè)系統(tǒng)的階次變高，系統(tǒng)的魯棒性降低等。因此取消中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)已成為當(dāng)前機(jī)械裝備功能部件研究的主流方向之一，開發(fā)力矩電動(dòng)機(jī)正是解決這一重大問題的關(guān)鍵技術(shù)手段。用力矩電動(dòng)機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，取消了傳統(tǒng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：（1）動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。由于取消了系統(tǒng)中一些響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的機(jī)械傳動(dòng)部件，從而使整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能大大提高，系統(tǒng)的反應(yīng)更加靈敏。這意味著采用直驅(qū)系統(tǒng)可具有更大的加速度以及更短的定位時(shí)間。（2）傳動(dòng)剛度高。由于采用直接驅(qū)動(dòng)，避免了因中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損以及反向間隙所造成的運(yùn)動(dòng)滯后現(xiàn)象，提高了其傳動(dòng)剛度;同時(shí)由于減小了機(jī)械磨損，因此可靠性也大大提高。（3）定位精度高。由于消除了中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的傳動(dòng)間隙，減少了插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)因傳動(dòng)系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差，可大大提高機(jī)床的定位精度。（4）傳動(dòng)效率高。由于沒有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，消除了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)機(jī)械磨損時(shí)的能量損耗，傳動(dòng)效率大大提高。（5）運(yùn)動(dòng)噪聲低和零保養(yǎng)。由于沒有中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械振動(dòng)，運(yùn)動(dòng)噪聲大大降低;同時(shí)磨損的器件只剩下旋轉(zhuǎn)或直線的軸承，因此假如只要做到永久性潤滑和一次性裝配，就可以實(shí)現(xiàn)零保養(yǎng)。

4、永磁直驅(qū)系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）傳動(dòng)效率高。傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式為電動(dòng)機(jī)、偶合器、減速器組合，其傳動(dòng)環(huán)節(jié)多，綜合傳動(dòng)效率只有85%左右，而永磁直驅(qū)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率就是電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)效率，可高達(dá)95%，比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提高了10%以上。（2）故障率低。永磁直驅(qū)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部無減速器、液力偶合器，結(jié)構(gòu)簡單、故障點(diǎn)少、故障率低。（3）日常維護(hù)和檢修量小。異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部日常維護(hù)量主要為減速器換油、電動(dòng)機(jī)軸承注油及聯(lián)軸器的檢查維護(hù)（由于井下地壓較大需定期對連接部位進(jìn)行找正），而永磁直驅(qū)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部日常維護(hù)量主要是定期為電動(dòng)機(jī)軸承注油。（4）調(diào)速范圍寬。永磁電動(dòng)機(jī)比普通變頻電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍更寬，它可實(shí)現(xiàn)超低速（如0.5m/s）、高轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，最高2倍額定轉(zhuǎn)矩軟啟動(dòng)，具有良好的啟動(dòng)性能，能有效地避免為滿足重載啟動(dòng)的工況而被迫選擇大功率電動(dòng)機(jī)尷尬。（5）實(shí)現(xiàn)功率平均。系統(tǒng)采用多電動(dòng)機(jī)主從控制驅(qū)動(dòng)，避免多電動(dòng)機(jī)因出力不平衡而損壞電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)功率平衡，并能實(shí)現(xiàn)對過壓、過流、欠壓、過熱等各種故障的保護(hù)，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。（6）采用真空灌封技術(shù)。永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)絕緣灌封后的繞組具有良好的耐電暈性能，解決變頻器供電造成的電動(dòng)機(jī)匝間短路問題，灌封后的繞組導(dǎo)熱性能大幅提高，同時(shí)提高了繞組整體機(jī)械強(qiáng)度，且防水、防塵、防污效果顯著。（7）冷卻方式好。永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)外殼采用雙層設(shè)計(jì)，其中間為蛇形散熱水道，冷卻方式好，在有水的使用場合可直接通水冷卻，冷卻水水壓滿足在0.3～0.8MPa之間，流量>2.8L/h。在無水或水質(zhì)非常差的使用場合，可以選配防爆風(fēng)冷式冷水機(jī)，冷卻方式為水與空氣熱交換。

5、應(yīng)用范圍分析

現(xiàn)階段我國煤礦井下局部通風(fēng)機(jī)配用的電動(dòng)機(jī)主要是YBF2系列隔爆型異步電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，功率因數(shù)低，效率低，電能損耗大，在運(yùn)行中容易燒毀，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。而目前研制的永磁通風(fēng)機(jī)，其機(jī)座同時(shí)又是風(fēng)機(jī)流道，電動(dòng)機(jī)不帶外風(fēng)扇，直接靠風(fēng)機(jī)流道內(nèi)的強(qiáng)大氣流進(jìn)行冷卻，冷卻效果好。該系列風(fēng)機(jī)專用電動(dòng)機(jī)軸承裝置為特殊結(jié)構(gòu)，并設(shè)有不停機(jī)注、排油裝置，可解決傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的散熱差、軸承溫升高、易燒毀等問題。帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)上的應(yīng)用傳統(tǒng)的刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)均采用異步電動(dòng)機(jī)一減速器，外帶液力偶合器，其效率低、功耗大、維護(hù)工作量大。目前研制的TBB系列永磁電動(dòng)機(jī)因其低轉(zhuǎn)速下輸出大轉(zhuǎn)矩，應(yīng)用于帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)可以省去液力偶合器以及減速器，大大提高傳動(dòng)系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。輸出大小相同的功率，采用永磁電動(dòng)機(jī)的帶式輸送機(jī)總質(zhì)量減輕了將近1200kg。（1）煤礦井下空間、條件有限，相對傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成部件多、體積大而言，永磁同步變頻直驅(qū)系統(tǒng)運(yùn)輸更加方便、占用空間更小。（2）傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部件需要聯(lián)軸器聯(lián)接，且各個(gè)部件需要進(jìn)行對中、調(diào)平，而永磁同步變頻直驅(qū)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)滾筒直接連接，安裝快捷、調(diào)試方便，節(jié)省了人力、物力和時(shí)間。（3）傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用的異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩通常是額定轉(zhuǎn)矩的55%，無法實(shí)現(xiàn)膠帶輸送機(jī)的滿載啟動(dòng)，這種現(xiàn)象俗稱“壓死”，需要人工卸載物料后再啟動(dòng)，甚至可能出現(xiàn)燒壞電動(dòng)機(jī)的情況;而永磁同步變頻電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的200%，過載轉(zhuǎn)矩更是達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的220%，膠帶輸送機(jī)滿載時(shí)無需人工卸載即可直接啟動(dòng)，避免了因堵轉(zhuǎn)、過載而造成電動(dòng)機(jī)的損壞，同時(shí)也極大地降低了操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。（4）永磁同步變頻直驅(qū)系統(tǒng)運(yùn)用無傳感器矢量控制技術(shù)（SVC）變頻啟動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)膠帶輸送機(jī)恒轉(zhuǎn)矩緩慢勻速啟動(dòng)，避免了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間大電流給電網(wǎng)帶來的沖擊以及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)給傳動(dòng)系統(tǒng)帶來的機(jī)械沖擊，由此降低了系統(tǒng)的電網(wǎng)故障和機(jī)械故障。當(dāng)系統(tǒng)需要多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，通過主從控制可實(shí)現(xiàn)功率平衡，能夠避免因出力不均而造成電機(jī)的損壞。（5）由于永磁同步變頻直驅(qū)系統(tǒng)不需要減速器、機(jī)械軟啟動(dòng)裝置，在實(shí)際使用過程中系統(tǒng)更加平穩(wěn)、可靠性更高、噪音更低、無需更換潤滑油、檢修齒輪箱等，節(jié)約了使用成本、降低了維護(hù)工作量。

6、結(jié)束語

永磁同步變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在邢臺(tái)礦51100皮帶運(yùn)輸巷應(yīng)用，通過幾個(gè)月的實(shí)際應(yīng)用對比，傳動(dòng)效率高，故障率低，大大減輕了設(shè)備維護(hù)帶來的材料及人工成本，有著進(jìn)一步推廣應(yīng)用的價(jià)值。

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