煤礦全永磁電機系統(tǒng)驅(qū)動傳動關鍵技術

王 雷，朱玉芹，劉 昊

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

傳統(tǒng)的煤機電力驅(qū)動系統(tǒng)大部分采用異步電機搭配減速器的形式，傳動路線較長，在長距離、大功率的發(fā)展方向下更容易出現(xiàn)諸多故障，其中機械傳動減速裝置的存在不僅增加了傳動系統(tǒng)的總體能耗和運行噪聲，而且降低了傳動系統(tǒng)的運行平穩(wěn)性和可靠性，同時驅(qū)動系統(tǒng)效率低，造成了能源的浪費[1,2]。而全永磁直驅(qū)系統(tǒng)包括永磁同步電機、永磁滾筒、永磁耦合器及永磁減速器等，其效率高、功率因數(shù)高，且能實現(xiàn)低速直驅(qū)，電機與負載直接連接，提高了驅(qū)動系統(tǒng)的效率，不僅滿足礦用裝備低速大轉矩需求，還縮短了驅(qū)動系統(tǒng)的長度，在煤礦應用日趨廣泛[3,4]。隨著永磁電機在工業(yè)領域的大規(guī)模應用，煤機裝備驅(qū)動系統(tǒng)也面臨重大轉型需求，但大部分企業(yè)的解決思路是使用永磁電機對異步電機進行替換，提高電機端的效率，長傳動鏈導致的懸臂梁、系統(tǒng)效率低的問題仍未能改善，目前尚缺少礦用全永磁式低速直驅(qū)系統(tǒng)的研發(fā)，未能從根源上提高驅(qū)動系統(tǒng)的使用效率。

而煤礦全永磁直驅(qū)系統(tǒng)可大幅減少驅(qū)動系統(tǒng)傳動鏈長度，提高煤機裝備的運行效率；削弱高頻電磁波對周邊傳感器干擾，提高煤礦設備運行穩(wěn)定性；降低對電源及繞組絕緣的需求及運輸、維修的人工成本；緩解巷道內(nèi)空間尺寸受限的難題；克服低速直驅(qū)永磁電機體積大的缺點，使永磁電機在刮板輸送機、帶式輸送機等低中心高設備上得到應用；為驅(qū)動系統(tǒng)增加可靠的機械保護，避免驅(qū)動設備損壞造成的生產(chǎn)事故，對煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要意義[5]。

1 煤礦全永磁電機系統(tǒng)

煤機裝備全永磁直驅(qū)系統(tǒng)主要包括永磁同步電機、永磁滾筒、永磁耦合器及永磁減速器。

1.1 永磁同步電機

永磁同步電機為驅(qū)動端，依靠永磁體產(chǎn)生勵磁磁場，不需要無功勵磁電流，具有高效率、體積小、質(zhì)量輕、高功率密度、調(diào)速范圍寬、運行可靠、可維護性好等優(yōu)點，已成為當前高效節(jié)能電機領域的研究熱點[6]。若采用低速大轉矩的永磁同步電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大型煤機設備驅(qū)動方式，相比傳統(tǒng)的異步電機，此時永磁電機不需要從電網(wǎng)吸收無功電流，轉子上既無銅耗又無鐵耗，所以永磁同步電機在很寬的負載范圍內(nèi)能保持接近于1 的功率因數(shù)，具有功率因數(shù)高的特點；0%～120%額定負載范圍內(nèi)效率高，在效率上，不但在額定點有了提高，而且在低負載、低速條件下，更是優(yōu)勢明顯。

永磁同步電機按結構分主要包括內(nèi)轉子電機及外轉子電機。內(nèi)轉子電機中分為工頻自啟動電機與高速變頻電機。而高速變頻電機為又分為高速電機與低速電機，其中低速電機包括一體式直驅(qū)電機、一體式半直驅(qū)電機、分體式直驅(qū)電機及分體式半直驅(qū)電機。外轉子電機包括高速電機及低速電機，而低速電機又稱為永磁滾筒。內(nèi)轉子高速電機多用于高轉速水泵、風機，外轉子高速電機，也叫輪轂電機，多用于電動汽車等場合，而煤礦用永磁電機多為50～100 r/min 低轉速驅(qū)動電機，主要為工頻自啟動電機、一體式直驅(qū)電機、一體式半直驅(qū)電機、分體式直驅(qū)電機、分體式半直驅(qū)電機及永磁滾筒等6 大類。工頻自啟動電機可不通過變頻器自啟動，目前工頻永磁電機技術極為成熟，市場飽和，無研究必要。其余5 大類永磁電機需變頻器啟動，且一體/分體式半直驅(qū)永磁電機在煤礦電機系統(tǒng)尚無應用，一體直驅(qū)及分體直驅(qū)永磁電機尚缺少大功率相關研究。因此，實現(xiàn)一體/分體式半直驅(qū)永磁電機“從無到有”的技術突破，攻克一體直驅(qū)可靠性、永磁滾筒大功率、分體直驅(qū)大功率關鍵技術十分必要。永磁同步電機分類如圖1。

圖1 永磁同步電機分類Fig.1 Permanent magnet synchronous motor classification

1.2 永磁滾筒

永磁滾筒是外轉子永磁電機，定子與軸安裝在轉子內(nèi)部，工作時膠帶、絞繩等負載直接連接轉子，不再需要額外的連接手段，電機具有更大的轉矩密度，可以廣泛應用于帶式輸送機、絞車等設備，市場前景廣闊。永磁滾筒運行效率高，全轉速范圍功率因數(shù)高，可靠性高，適應性強；不需要額外的連軸結，節(jié)省安裝空間，帶式輸送機的機頭可以更加靈活的布置；適當增加轉子表面漏磁，吸附煤中的鐵器，可起到磁選機的功效。目前，永磁滾筒礦用產(chǎn)品最高輸出功率315 kW，額定運行轉速60～90 r/min；冷卻方式采用水冷結構，設備需要外置變頻器及冷卻系統(tǒng)。永磁滾筒結構圖如圖2

圖2 永磁滾筒結構圖Fig.2 Structure picture of permanent magnet drum

1.3 永磁耦合器

目前永磁耦合器按結構及原理主要分為同步型、限矩型和調(diào)速型。

同步型耦合器結構圖及傳動基本模型圖3。同步型永磁耦合器可應用于低速直驅(qū)永磁同步電機系統(tǒng)，實現(xiàn)無損傳動的同時為永磁電機提供機械保護。耦合器結構對稱分布，主動盤與被動盤皆為永磁體盤，兩盤永磁體的磁場在氣隙中耦合，把磁能轉化為機械能，實現(xiàn)轉矩傳遞。當主動極以速度v 運動時，主動磁極（主動轉子上的永磁體）與從動磁極（從動轉子上的永磁體）產(chǎn)生的作用力P1、P2在運動方向上的分量是相疊加的，而垂直于運動方向上的分量則方向相反基本抵消。因此從動磁極在平行于運動方向的力的分量作用下，隨主動磁極以同樣的速度v 運動，實現(xiàn)了運動和力的傳遞。優(yōu)點是可實現(xiàn)主動轉子與從動轉子同步旋轉，無轉差。當兩轉子間的傳遞轉矩不能滿足負載需求，從動轉子會立即停止轉動，實現(xiàn)過載保護，但是過載保護時間不可過長，否則永磁體會有燒毀的風險。

限矩型永磁耦合器如圖4。限矩型永磁耦合器多應用與異步電機系統(tǒng)，高效傳動的同時可實現(xiàn)過載保護功能。限矩型永磁耦合器通過滑差來自適應負載變化，具有在負載卡死或其它扭力過大條件下使負載完全脫離電機的能力，當負載卡死或超過限定值的時候，排斥力迫使永磁轉子移向遠離銅導體的位置，此時離心體不再限制永磁轉子位移，氣隙將被拉大，從而減小了電機與負載之間的傳遞轉矩，電機得到完全保護。當停止電機或卸掉負載后，其能夠自動復位，無需操作員介入。限矩型永磁耦合器安裝時允許較大安裝誤差，安裝方便，適應潮濕、粉塵、高低溫等惡劣工況，額定傳遞效率大于97%，明顯高于液力耦合器。

調(diào)速型永磁耦合器如圖5。調(diào)速型永磁耦合器多用于異步電機傳動環(huán)節(jié)，可通過氣隙精準調(diào)節(jié)實現(xiàn)轉矩及轉速的精確輸出，節(jié)能效果顯著。調(diào)速型永磁耦合器可通過手動或信號控制調(diào)節(jié)氣隙大小來改變輸出轉速，具有調(diào)速功能，應用于帶式輸送機、刮板輸送機等恒轉矩負載，可以實現(xiàn)軟啟動與多機功率平衡控制，解決直起直停重載沖擊及多電機運行、單臺電機出力不均導致的電機過載燒毀、運輸帶磨損斷裂等故障。應用于風機、水泵等離心式負載調(diào)速可通過氣隙調(diào)節(jié)精確控制流量輸出，克服機械閥門流量調(diào)節(jié)造成的能量損失問題，解決“大馬拉小車”電機高配問題，具有良好節(jié)能效果。對環(huán)境和電網(wǎng)無污染，屬于清潔技術，額定轉差率3%，額定傳遞效率大于95%。適用于需要實現(xiàn)負載全過程調(diào)控的場合。

圖4 限矩型永磁耦合器Fig.4 Torque limited permanent magnet coupling

圖5 調(diào)速型永磁耦合器Fig.5 Speed-adjustable permanent magnet coupling

1.4 永磁減速器

永磁減速器又叫永磁齒輪，其通過永磁體磁場作用，以非接觸式方式通過氣隙來傳遞轉矩[7]。磁場調(diào)制式永磁減速器結構圖如圖6，包含高速旋轉的內(nèi)轉子、低速旋轉的外轉子以及靜止不動的調(diào)磁環(huán)。驅(qū)動電機與內(nèi)轉子連接，負載直接與外轉子相連，內(nèi)外轉子上皆安裝有永磁體，中間安裝有磁場調(diào)制環(huán)，其上放置高導磁特性的調(diào)磁鐵塊，用于調(diào)制內(nèi)外氣隙磁場。當驅(qū)動電機轉動時帶動永磁減速器內(nèi)轉子旋轉，通過永磁減速器的磁場調(diào)制來改變傳動比，從而帶動負載轉動。具有結構簡單、體積小、質(zhì)量輕、可過載保護，后期運行維護簡易且維護量小，并可替代傳統(tǒng)聯(lián)軸器及減速機功能的非接觸式柔性傳動裝置來解決目前煤礦機械齒輪傳動存在的振動大、噪聲大、無過載保護功能、輪齒磨損等技術難題。礦用磁場調(diào)制型永磁減速器應用到煤礦機械，可降低企業(yè)運營成本，降低維護要求，提高傳動系統(tǒng)的可靠性，為井下設備的設計工作提供了新思路、新設備。

圖6 磁場調(diào)制式永磁減速器結構圖Fig.6 Structure diagram of magnetic field modulation permanent magnet reducer

1.5 應用情況

礦用永磁同步電機可實現(xiàn)低速大轉矩直驅(qū)，取消傳動系統(tǒng)中的減速器，實現(xiàn)高效、高可靠驅(qū)動。其中，分體式低速永磁直驅(qū)電機可應用于大部分低速負載驅(qū)動系統(tǒng)，但中心高過高，難以匹配刮板機；分體式低速永磁半直驅(qū)電機尤其適用于中心高較低的刮板輸送機、礦車等；一體式低速永磁直驅(qū)電機適用于安裝空間受限及驅(qū)動部經(jīng)常移動的場合，但中心高較高，難以在刮板機、轉載機等場合得到應用；一體式低速永磁半直驅(qū)電機適用于大部門煤機裝備；礦用永磁滾筒應用于帶式輸送機、提升機等場合，可實現(xiàn)定子與軸安裝在轉子內(nèi)部，節(jié)省空間、可靠性高，但礦用功率最高為315 kW。礦用永磁耦合器可應用于帶式輸送機、刮板輸送機、風機、水泵等所有煤機裝備傳動系統(tǒng)，可靠性高、傳動效率高。永磁減速器可替換機械減速器，應用場景廣泛。

針對現(xiàn)有煤礦電機驅(qū)動傳動系統(tǒng)存量市場，建議采用永磁耦合器替換原有變頻器或液力耦合器，或采用永磁減速器替換原有機械減速箱，不僅可實現(xiàn)高效高可靠傳動，還可降低前期投入成本，性價比高，尤其對風機、水泵等離心式負載節(jié)能效果顯著。針對增量市場及新煤機市場，可采用全永磁驅(qū)動傳動系統(tǒng)。針對刮板輸送機，可采用“分體式低速永磁半直驅(qū)電機、一體式低速永磁半直驅(qū)電機+同步型永磁耦合器”；針對帶式輸送機，315 kW 以下可采用“永磁滾筒+同步型永磁耦合器”，315 kW 以上帶式輸送機用低速直驅(qū)永磁同步電機（變頻一體機、分體直驅(qū)）+同步型磁力耦合器。因此，多種永磁同步電機、永磁耦合器及永磁減速器搭配方案可實現(xiàn)礦用全永磁電機驅(qū)動傳動系統(tǒng)高效、高可靠運行。

2 全永磁電機系統(tǒng)多物理場

煤礦全永磁電機系統(tǒng)中，低速直驅(qū)永磁同步電機多學科交叉研究關鍵技術主要包括關鍵零部件尺寸參數(shù)對非均勻磁場特性影響規(guī)律（磁場）、磁熱耦合高效散熱系統(tǒng)（熱力學）、高可靠穩(wěn)定機構及結構（機械）及智能控制系統(tǒng)（電控）等[8]。永磁耦合器多學科交叉研究關鍵技術主要包括永磁體及銅盤盤對磁場特性影響（磁場）、旋轉離心風冷及水冷散熱系統(tǒng)（熱力學）、高速重載可靠穩(wěn)定調(diào)速機構及整機結構（機械）、恒轉矩軟啟動調(diào)控系統(tǒng)（電控）等[9]，永磁減速器多學科交叉研究內(nèi)容亦涉及磁場、熱力學、機械及電控等多物理場耦合分析。因此，煤礦全永磁電機系統(tǒng)多學科解耦后皆為電磁學、熱力學、機械、電控等學科，多物理場分析相互融通，觸類旁通。下面以永磁耦合器為例進行多物理場分析。

2.1 多物理場耦合機理

永磁耦合器永磁體、銅盤等關鍵尺寸參數(shù)影響磁場分布，進而影響磁場轉矩傳遞性能；磁場性能決定熱損耗大小，進而影響溫度場分布；溫度場又會反作用于磁場，造成永磁體、銅盤等磁場性能衰退，造成轉矩傳遞能力下降；同時磁場軸向力及溫度熱應力會對機械結構產(chǎn)生變形影響[10]。機械散熱片及油冷、水冷循環(huán)路徑分布又將導致熱力學溫度分布變化，流道分布還將影響磁場漏磁率。而軟啟動及功率平衡控制策略制定則需依據(jù)磁場啟動力矩及溫度場溫升變化進行預警設置，且調(diào)速曲線及調(diào)速機構是控制策略調(diào)控基礎。因此，永磁耦合器電磁學、熱力學、電控、機械等多物理場耦合作用，動態(tài)耦合機理復雜，需解耦進行分析后進行耦合計算。基于多物理場耦合機理，將多場解耦分析，并保障電磁、溫度、結構設計、控制系統(tǒng)設計等相互接口傳輸數(shù)據(jù)，建立了永磁耦合器多學科交叉開發(fā)標準化流程[11]。以1 臺永磁體安裝直徑為φ500 mm 的礦用永磁耦合器為例進行仿真計算分析。

2.2 非均勻磁場

分別研究不同銅盤厚度、永磁體占空比、永磁體級數(shù)及氣隙對永磁耦合器磁場傳遞性能的影響規(guī)律。保持礦用永磁耦合器的其他尺寸參數(shù)不變，設定銅盤的厚度為不同值，得到的銅盤厚度對傳遞轉矩影響規(guī)律如圖7。可以看到，隨著銅盤厚度的增加，礦用永磁耦合器的傳遞轉矩有所增加，但當銅盤的厚度超過6 mm 后，其轉矩增長率開始降低，代表此時礦用永磁耦合器銅盤厚度的影響達到了一個極限值。如果繼續(xù)增加銅盤的厚度，則會使造成材料的浪費。

圖7 銅盤厚度對傳遞轉矩影響規(guī)律Fig.7 The influence rule of copper disc thickness on transmission torque

永磁耦合器采用18 級，則每塊永磁體占20°機械角度，設置永磁體的占空比在0.1～0.9 之間變化，對不同的永磁體占空比進行仿真，在仿真過程中保持永磁體的體積及厚度不變，礦用永磁耦合器在45 r/min 轉差轉速下的占空比對轉矩影響如圖8。永磁耦合器在永磁體厚度不變時，隨著開角的增加，其傳遞轉矩也在增加，轉矩增長率不斷減小，當永磁體占空比達到0.75 時，礦用永磁耦合器具有最大轉矩體積比，即此時永磁耦合器的永磁體利用率最大，在占空比繼續(xù)增加時，轉矩密度開始降低。

相比于占空比，永磁耦合器的級數(shù)也對傳遞性能有較大影響。將18 級、永磁體占空比為0.75 的礦用永磁耦合器改造為16 級和20 級，設定新的永磁耦合器永磁體占空比在0.6～0.85 之間變化，同時保持永磁體的總體積不變，得到了永磁耦合器在不同級數(shù)下的傳遞性能及永磁體厚度的變化趨勢，變級數(shù)時傳遞性能及永磁體厚度變化如圖9，礦用永磁耦合器最大傳遞性能如圖10。可以看出，當永磁耦合器為16 級和20 級時，其仍在永磁體占空比為0.75 左右時有較為良好的性能輸出。不同之處在于16 級傳遞最大轉矩時的轉差轉速約為145 r/min，而20 級永磁耦合器傳遞最大轉矩時的轉差轉速約為135 r/min。即在相同轉差轉速下，級數(shù)多的耦合器可以傳遞更大的轉矩。

圖8 占空比對轉矩影響Fig.8 Effect of duty cycle on torque

圖9 變級數(shù)時傳遞性能及永磁體厚度變化Fig.9 Change of transmission performance and thickness of permanent magnet with variable series

圖10 礦用永磁耦合器最大傳遞性能Fig.10 Maximum transmission performance of mine permanent magnetic coupling

永磁耦合器最大氣隙需要進行有限元計算，根據(jù)計算結果選定1 個合理的最大氣隙值。設礦用永磁耦合器運行于不同的轉差轉速，氣隙g 按照g=［4、6、8、…、36 mm］變化，則可以計算出永磁耦合器在不同氣隙下的傳遞轉矩，不同氣隙下礦用永磁耦合器的傳遞能力如圖11。

圖11 不同氣隙下礦用永磁耦合器的傳遞能力Fig.11 Transmission capability of mine permanent magnetic coupling under different air gap

由圖11 可以看出，永磁耦合器傳遞轉矩與氣隙成反相關，氣隙越大，其傳遞轉矩越小。據(jù)此，可以根據(jù)永磁耦合器在最小氣隙時的運行性能確定設備的額定參數(shù)，并利用有限元分析計算的結果設計出最大氣隙；同時對氣隙大小進行調(diào)節(jié)則會得到永磁耦合器在不同氣隙時主從轉子之間的吸力，為設計氣隙調(diào)節(jié)機構提供必要的數(shù)據(jù)。

2.3 旋轉離心流固耦合風冷散熱

基于流固耦合傳熱結合MRF 模型精確計算散熱系數(shù)的方法，進行旋轉離心風冷溫度場精確表征，并分析不同熱損耗情況下的溫度變化規(guī)律，為散熱設計提供指導[12]。依然以安裝直徑為φ500 mm的礦用永磁耦合器為例，基于渦流損耗計算公式得到銅盤熱損耗值并作為熱源賦給銅盤，進而輸入散熱系數(shù)進行計算，得到溫度場分布。永磁耦合器溫度云圖及軸向溫度分布圖如圖12。

永磁耦合器溫度最高處為銅盤，溫度向銅盤兩側成梯度降低，銅盤到永磁體方向由于有空氣域，導熱系數(shù)小，熱傳遞效率低，熱阻大，故永磁體蓋處溫度最低。銅盤到散熱片方向，由于散熱片旋轉擾動空氣流動，散熱系數(shù)大，熱量散出主要經(jīng)過散熱片，故散熱片為主散熱體。此時，散熱片最高溫度為58.67 ℃，溫度值完全在安全范圍內(nèi)，即在永磁耦合器在45 N·m 卡死產(chǎn)熱最多狀態(tài)下，表面溫度亦在許用溫度范圍內(nèi)，表明散熱效果良好，可滿足要求。

由于釹鐵硼永磁體的溫度性能較差，其在溫度達到150 ℃后會出現(xiàn)不可逆退磁，導致永磁耦合器無法正常運行，因此應重點關注永磁體溫升。永磁體溫度分布云圖如圖13，永磁體此時溫升約為35℃，在允許溫升范圍內(nèi)，可穩(wěn)定運行。

圖12 永磁耦合器溫度云圖及軸向溫度分布圖Fig.12 Temperature cloud diagram and axial temperature distribution of permanent magnet coupling

圖13 永磁體溫度分布云圖Fig.13 Cloud distribution map of permanent magnets

對煤科集團沈陽研究院有限公司開發(fā)的6 種型號（COBT310、COBT380、COBT430、COBT550、COBT580、COBT620）永磁耦合器不同熱損耗下溫度場分步進行研究。主要針對轉差率為3%（額定轉差率）、6%、9%、12%、15%、18%（大轉差、高熱損），即不同熱損耗情況下散熱片及永磁體處溫度值對比，永磁耦合器不同型號數(shù)據(jù)對比圖（略），不同型號不同轉差情況下，銅盤溫度最高，永磁體溫度最低，且隨著轉差率升高各零部件溫升明顯，在18%大轉差、高熱損時各零部件溫升顯著且溫差最大；隨著永磁體盤徑增加，即型號的增大，永磁耦合器產(chǎn)熱量增加，最高溫升達122 ℃，散熱片溫度值為106 ℃，在煤礦安全要求150 ℃以下，尚處于安全區(qū)，但實際應用中并不允許整機溫度如此高，這會造成銅盤及散熱片性能不穩(wěn)定，極易引發(fā)永磁耦合器運行故障，此時應考慮變換風冷散熱方式為液冷散熱方式。而永磁體溫度值為73 ℃，處于退磁安全范圍內(nèi)。原因是雖然銅盤溫度較高，但向永磁體傳遞時由于氣隙空氣膜阻力的存在，極大程度上阻止了熱損耗向永磁體盤傳遞，故其溫升較低，安全性較高。

綜上所述，基于流固耦合傳熱溫度場表征方法能夠精確反應永磁耦合器溫度分布，不同熱損耗情況下溫升隨著熱損耗功率增加而上升，不同零部件溫度分布變化規(guī)律同樣隨熱損耗增加而上升。該計算結果能夠預估永磁耦合器溫度分布，預警高溫升情況，并為散熱設計提供依據(jù)。

2.4 高精實時可靠調(diào)速機構力學分析

依據(jù)調(diào)速機構的基本原理可知，氣隙調(diào)節(jié)過程中齒輪齒條及調(diào)速內(nèi)外套之間需要克服磁盤與銅盤之間的軸向力作用，磁盤分離機構中有3 對齒輪齒條用于分離兩側磁盤，有6 根銷軸用于傳遞轉矩，齒輪齒條受力示意如圖14。3 對齒輪共同來承擔磁盤與銅盤之間軸向力，每個齒輪需承受軸向力的1/3，將該力作用于齒輪齒條的選型設計和強度校核（應力仿真分析圖略）。

圖14 齒輪受力分析Fig.14 Gear force analysis

如圖14，調(diào)速機構中調(diào)速內(nèi)套上設計有3 個均布的正弦曲線溝槽，在調(diào)速外套上安裝有3 個凸輪軸承，在執(zhí)行器驅(qū)動下，凸輪軸承在調(diào)速溝槽內(nèi)滑動，實現(xiàn)調(diào)節(jié)氣隙的功能。為了確保調(diào)速性能，凸輪軸承與調(diào)速內(nèi)套溝槽內(nèi)滑動時，二者需要具有較高的機械強度以滿足調(diào)速需求，對調(diào)速溝槽所承受的接觸應力進行分析計算，根據(jù)磁場仿真出的銅盤與磁盤之間的軸向力，每個凸輪軸承受法向壓力為軸向力的1/3。根據(jù)凸輪軸承的尺寸及調(diào)速溝槽形式，對調(diào)速溝槽的機型接觸應力分析，保證所受應力及變形量滿足材料的力學特性，調(diào)速溝槽接觸應力仿真分析圖略。

2.5 恒轉矩負載軟啟動數(shù)學模型與控制策略

在帶式輸送機啟動時，使用電動執(zhí)行器對耦合器的氣隙進行調(diào)節(jié)[13]。隨著氣隙減小，耦合器輸出轉矩T 增加，直到耦合器輸出端開始動作。

式中：T 為耦合器的輸出轉矩，N·m；T1為負載轉矩，N·m；ω 為耦合器輸出端角速度，rad/s；n 為耦合器輸出端轉速，r/min；J 為帶式輸送機輥筒的轉動慣量；a 為耦合器輸出加速度，m/s2；Cp為和帶式輸送機有關的常數(shù)；t 為運行時間，s。

式（1）可變?yōu)椋?/p>

式中：δ 為耦合器的轉差率；g0為帶式輸送機開始動作時耦合器的氣隙；g 為耦合器運行時下氣隙。

此時耦合器輸出轉矩為帶式輸送機啟動時的負載轉矩。

將式（2）等式兩側同時對t 求導，可以得到：

若啟動過程中對耦合器的氣隙不作調(diào)整，即dg/dt＝0，則式（3）變?yōu)椋?/p>

式中：s 為耦合器的轉差轉速。

求解式（4）微分方程，得:

式中:C1為常數(shù)。

當負載開始動作時，若使耦合器的氣隙不變，耦合器工作在特性曲線的上升區(qū)，因此有:

由式（5）和式（6）可知，耦合器的輸出加速度a將以指數(shù)形式上升，以致造成對膠帶及輥筒極大的沖擊。因此，需在負載啟動過程中，通過改變耦合器的氣隙以調(diào)節(jié)耦合器的輸出轉矩，將耦合器的輸出加速度穩(wěn)定在1 個區(qū)間內(nèi)，直到負載啟動完畢，達到軟啟動的效果。可設定軟啟動時間為tstart，進而求得軟啟動的期望平均加速度為：

式中：ar為啟動過程中的期望平均加速度；nN為耦合器驅(qū)動電機的額定轉速。

耦合器的氣隙g 由角行程電動執(zhí)行器進行控制，氣隙調(diào)節(jié)為勻速，即:

式中:TZ為角行程電動執(zhí)行機構從0%到100%開度的時間，s。

將式（8）代入式（3），有:

為對帶式輸送機不造成沖擊，令帶式輸送機以恒定的加速度進行軟啟動，即：

角行程電動執(zhí)行機構的輸出轉角與實際開度的關系為:

式中:θ（t）為角行程電動執(zhí)行機構的輸出轉角，rad；c（t）為角行程電動執(zhí)行機構的輸出開度實際值。

永磁耦合器氣隙與角行程電動執(zhí)行機構輸出轉角的關系為:

式中：θ 為角行程機構的輸出轉角，rad。

由式（11）和式（12）得：

式中：c 為執(zhí)行器開度。

由式（10）和式（13）得:

根據(jù)式（14），軟啟動過程中的執(zhí)行機構開度調(diào)節(jié)率可取:

式中：kI為積分控制系數(shù)；△c 為執(zhí)行機構開度的增量；為啟動過程中的期望平均加速度。

基于恒轉矩軟啟動數(shù)學模型分析，可得到耦合器軟啟動控制系統(tǒng)的結構。帶式運輸機軟啟動流程圖如圖15。

帶式輸送機軟啟動流程分為以下步驟：

1）啟動電機，此時永磁耦合器處于最大氣隙位置，只能傳遞很小的轉矩，實現(xiàn)電機空載啟動，減少電機峰值電流持續(xù)時間，削弱電機啟動過程中電網(wǎng)的壓降。

2）永磁耦合器處于大氣隙時，其傳遞轉矩不能帶動負載，永磁耦合器的輸出轉速加速度為0，經(jīng)過PID 調(diào)節(jié)器對信號的處理，永磁耦合器的氣隙迅速減小，直到永磁耦合器輸出端動作，此時根據(jù)調(diào)速型永磁耦合器的數(shù)學模型計算此次啟動轉矩T1。

3）實時監(jiān)測永磁耦合器的輸出端轉速及氣隙大小，計算出永磁耦合器的傳遞轉矩，并將計算結果和T1進行對比，對比后計算出轉速的加速度，經(jīng)過PID 調(diào)節(jié)器后對永磁耦合器的氣隙進行進一步的調(diào)節(jié)，使永磁耦合器的傳遞轉矩維持在T1，維持帶式輸送機轉速加速度。

4）當帶式輸送機的帶速達到額定后，調(diào)速型永磁耦合器將會到最小氣隙狀態(tài)下運行。此階段控制器將會根據(jù)本次啟動的時長與設定的時長進行對比，修正PID 控制參數(shù)。

5）帶式輸送機停機后，調(diào)速型永磁耦合器的氣隙將會調(diào)節(jié)至最大狀態(tài)，保證下次啟動時電機可以空載啟動。最終可實現(xiàn)啟動加速度低于0.25 m/s2。

3 結 語

1）煤礦全永磁電機系統(tǒng)可大幅減少驅(qū)動系統(tǒng)傳動鏈長度，提高運行效率及穩(wěn)定性。其中永磁同步電機能夠?qū)崿F(xiàn)50～100 r/min 低轉速直驅(qū)，且傳動效率可達97%；永磁耦合器應用于電機傳動環(huán)節(jié)，高效傳動的同時為電機提供有效的機械保護；永磁減速器應用于電機傳動環(huán)節(jié)替換傳統(tǒng)齒輪減速器，具有結構簡單、體積小、質(zhì)量輕、可過載保護等優(yōu)點。

2）以永磁耦合器為例進行多物理場解耦分析，在非均勻磁場方面，可以發(fā)現(xiàn)銅盤厚度最優(yōu)為6 mm，占空比0.75 時傳遞轉矩最大，相同轉差情況下技術越多磁場傳遞轉矩能力愈強。同時，磁場轉矩傳遞能力與氣隙成反比。

3）旋轉離心流固耦合風冷溫度場分析方面，在負載卡死產(chǎn)熱量最大情況下，散熱片最高溫度為58.67 ℃，溫度處于安全范圍內(nèi)；同時，分析了不同熱損耗、不同型號永磁耦合器的溫度變化規(guī)律，可知溫度隨熱損耗增加而升高。

4）針對高精實時調(diào)速機構力學分析方面，對氣隙調(diào)節(jié)過程中齒輪齒條受力進行仿真計算，可以得到齒輪強度、調(diào)速溝槽接觸應力等滿足應力及材料變形量要求。

5）建立了恒轉矩負載軟啟動調(diào)控數(shù)學模型并進行計算分析，得到軟啟動控制策略及軟啟動調(diào)控流程，實現(xiàn)啟動加速度低于0.25 m/s2。