永磁電機在刮板輸送機驅動系統設計中的應用

李 峰

（山西高河能源有限公司， 山西 太原 047100）

引言

刮板輸送機為綜采工作面的運輸設備，其不僅承擔著運輸煤炭的任務，還與采煤機、液壓支架相互配套為液壓支架提供推溜力，為采煤機提供行走軌道。隨著綜采工作面設備自動化水平和生產能力的不斷提升，刮板輸送機正朝著大運量、大功率、大運距以及高效率的方向發展[1]。傳統刮板輸送機采用異步電機作為驅動核心，存在效率低、損耗大、振動大、噪聲大等問題，無法滿足當前綜采工作面對刮板輸送機的要求。鑒于永磁電機具有節能效果好、啟動轉矩大、低速驅動性能好等優勢，本文將永磁電機應用于刮板輸送機驅動系統中，并對其應用情況進行分析。

1 刮板輸送機驅動系統的設計

刮板輸送機為綜采工作面必不可少的運輸設備，其各分系統包括有驅動系統、刮板系統、鏈輪組件系統等。本文著重對刮板輸送機驅動系統展開研究，為確保設計刮板輸送機能夠適應當前綜采工作面大運量、大轉矩以及高效率的運輸要求，本文將永磁電機與減速器設計為刮板輸送機的驅動系統。從理論上將，永磁電機為刮板輸送機的動力源，減速器為刮板輸送機的傳動部件，將永磁電機與刮板輸送機合為一體可降低電機轉速并提高電機的轉矩。

此外，為適應刮板輸送機在實際生產中負載變化劇烈，容易發生故障的問題，結合永磁電機半直驅系統具有調速范圍寬、體積小以及節能效果好的特點，本文針對刮板輸送機將采用永磁電機半直驅系統實現對設備的驅動[2]。永磁電機半直驅驅動系統的布置情況如圖1 所示。

圖1 永磁電機半直驅系統的總體示意圖

1.1 永磁電機的選型

本文所研究刮板輸送機的具體參數如表1 所示。

表1 刮板輸送機主要規格參數

結合刮板輸送機所屬工作面的生產能力和工作面的運輸條件，需為刮板輸送機配置兩臺功率不小于30 kW 的永磁電機。結合當前市面上各種廠家永磁電機的性能和成本，最終確定永磁電機的參數如表2 所示。

表2 刮板輸送機永磁電機關鍵參數

1.2 刮板輸送機減速器的設計

為滿足當前綜采工作面對刮板輸送機的運量、轉矩、能耗等方面的需求，將永磁電機和減速器合為一體，稱為永磁電機半直驅系統。因此，對于刮板輸送機而言，除了核心永磁電機外，還需根據運輸需求設計減速器[3]。

結合刮板輸送機鏈輪的節圓半徑參數和鏈輪的的平均速度計算得出鏈輪的轉速，計算公式如式（1）所示：

式中：v 為刮板輸送機的平均運輸速度，取1.8 m/s；R為鏈輪的節圓半徑，取0.024 m。經計算可得，鏈輪的轉速n2=10 743 r/min。

結合所選型永磁電機的額定轉速n1=750 r/min，計算可得減速器的總傳動比為14.324。因此，將刮板輸送機減速去的傳動比設計為15。為保證所設計減速器能夠滿足刮板輸送機大轉矩的需求，其對應的中心輪和行星輪均采用20CrMnTi 材料進行制造，并采用滲碳并淬火的熱處理方式以提高減速器齒輪的硬度和耐磨性；同時，對于減速器中的內齒輪而言，其所選用的材料為40Cr，對應的熱處理方式為淬火+高溫回火[4]。

2 永磁電機+減速器驅動系統的應用研究

2.1 永磁電機半直驅驅動系統試驗平臺的搭建

結合試驗需求和永磁電機半直驅系統的結構，本文所搭建試驗平臺主要由核心驅動系統、傳感器、傳動裝置、檢測裝置、加載裝置以及試驗控制臺組成。對應的試驗平臺模擬如圖2 所示。

圖2 永磁電機半直驅試驗平臺模擬示意圖

本節主要驗證永磁電機半直驅驅動系統在刮板輸送機的驅動性能。因此，考慮到試驗成本的問題，搭建試驗平臺中設計到的設備未完全按照工作面實際功率進行選取，試驗平臺關鍵設備的選型結果如下所示：

1）永磁電機：所選型永磁電機的型號為TYVZ-3800-280M-16，該電機的額定功率為380 kW，額定電流為73.4 A，額定電壓為380 V。

2）磁粉式測功機：該設備的角色為試驗平臺的加載裝置，其能夠在實驗室環境下模擬刮板輸送機在不同工況下的負載。所選磁粉式測功機的具體型號為4PB15，額定扭矩為1 200 N·m，額定功率為48 kW，額定轉速為382 r/min。

3）減速齒輪箱：該設備的角色為試驗平臺的傳動裝置，所選型減速器的具體型號為ZLY160-8-1，該型減速器對應的傳動比為8。由于在上文中所設計傳動裝置的傳動比為15，為保證試驗結果可準確反應永磁電機半直驅驅動系統的性能，需對試驗平臺中刮板輸送機磁粉式測功機的負載進行等比例縮放。

4）傳感器：包括有扭矩傳感器、電壓傳感器、電流傳感器以及數據采集卡等。

2.2 永磁電機半直驅系統的性能驗證

本文將對刮板輸送機在不同工況下永磁電機半直驅系統的驅動性能進行試驗研究。在實際試驗中，需結合刮板輸送機實際工況的負載特性，結合試驗平臺各設備的參數對負載進行等效縮放模擬，以保證試驗結果的準確性。

1）空載平穩后落煤工況下的驅動試驗。經試驗可知：試驗平臺刮板輸送機在模擬負載工況下運行，在永磁電機半直驅驅動系統的作用下永磁電機的輸出扭矩與其被施加負載的曲線一致，說明本試驗平臺所選取的磁粉測功機具有較好的響應特性。而且，還能夠說明基于永磁電機半直驅驅動系統可保證刮板輸送機在空載平穩后落煤工況下根據負載的變化對其系統的轉矩、轉速等進行實時調整[5]。

2）非定常落煤工況下的驅動試驗。經試驗可知，在非定常落煤工況下，當試驗平臺所承受的負載突然增大時，對應永磁電機的輸出扭矩急速增大，并且實時對應永磁電機的轉速下降，電機轉速最終穩定于270 r/min。

3）帶負載啟動工況下的驅動試驗。試驗平臺在帶負載啟動工況下驅動試驗結果如圖3 所示。

圖3 帶負載啟動工況下永磁電機轉矩變化趨勢

如圖3 所示，當刮板輸送機帶負載啟動時，在剛開始3 s 內永磁電機的輸出扭矩為零，該時間段為系統的預熱時間主要是對系統起保護作用；在3 s 后刮板輸送機永磁電機的轉矩迅速增大且波動較大，并且在10 s 后永磁電機的輸出轉矩相對平穩，并且最終維持在620 N·m 左右。

3 結論

刮板輸送機為綜采工作面的關鍵運輸設備，為解決傳統異步電機驅動刮板輸送機存在轉矩小、運量小以及能耗大的問題，將異步電機替換為永磁電機并將其與減速器集成為刮板輸送機的驅動系統。經試驗表明：在刮板輸送機負載突然變化時，永磁電機初期輸出扭矩波動較大并且最終穩定于額定轉矩；而且，在不同工況下，永磁電機對刮板輸送機驅動控制具有較好的響應特性。