永磁電機的短接對斜皮帶機下滑的輔助保護

漆復(fù)興

應(yīng)用研究

永磁電機的短接對斜皮帶機下滑的輔助保護

漆復(fù)興

（南京渥孚磁動力科技有限公司，南京江蘇 210000）

本文介紹了三相永磁同步電動機短接后，對傾斜帶式輸送機下滑的輔助保護工作原理，通過對實際案例的計算，得出當(dāng)逆止器失效后，滿物料的帶式輸送機將以0.044m/s的速度勻速下滑，這種下滑速度不會對下端設(shè)備產(chǎn)生沖擊，造成飛車事故，證明是一種有效的帶式輸送機輔助防下滑的方法，具有較好的推廣價值。

永磁同步電動機 帶式輸送機 輔助保護 制動力矩 下滑速度

0 引言

在散裝物料的轉(zhuǎn)運、短距離輸送等環(huán)節(jié)，帶式輸送機是一個非常重要的工藝裝備，由于其輸送物料自動化程度高、運行平穩(wěn)、管理維護方便，目前在我國得到了廣泛的應(yīng)用，隨著帶式輸送機功能的多元化和應(yīng)用范圍的擴大化，長距離、大運量、高帶速的大型帶式輸送機也成為發(fā)展的主要方向，其中，有很多是帶坡度或起伏的輸送環(huán)境，在這樣的環(huán)境里一般采用傾斜帶式輸送機，特殊情況下甚至傾角達(dá)到了16°～25°[1]，這種傾斜帶式輸送機一旦意外停機，在物料重力的作用下，傾斜帶式輸送機將發(fā)生逆轉(zhuǎn)，造成輸送帶回溜和物料堆積，國內(nèi)已發(fā)生多起因逆止失效導(dǎo)致輸送機倒轉(zhuǎn)繼而飛車、物料下滑堵塞巷道、減速器和電機超速損壞等破壞性事故，給安全生產(chǎn)造成了很大損失。在嚴(yán)重情況下還會造成人員傷害，為防止輸送帶發(fā)生逆行或下滑事故，這類帶式輸送機一般都安裝有逆止器，常用的逆止器有三種[2]：①帶式逆止器；②滾柱逆止器；③異形塊逆止器。分析上述三種逆止器的工作原理，在止動時都有摩擦、磨損的問題，因此，理論上還是存在逆止器失效的可能。

近年來，三相永磁同步電機因其高效率、高功率因數(shù)的特性，在帶式輸送機上也得到了廣泛使用，特別是所謂“永磁直驅(qū)技術(shù)”，利用其低速、大扭矩的輸出，直接取代異步電動機+減速箱的傳動系統(tǒng)，大幅提升了系統(tǒng)的傳動效率和減少了系統(tǒng)的維護工作量。這也為采用永磁電動機三相引出線短接的方式，對帶式輸送機下滑起輔助保護作用提供了可能。

1 三相永磁電機短接止動原理

圖 1 永磁電機三相短接示意圖

2 項目應(yīng)用

現(xiàn)以某水泥廠的一條傾斜帶式輸送機為例來進行具體分析計算，輸送機主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 輸送機主要參數(shù)

該帶式輸送機正好作了永磁直驅(qū)電機的改造，采用的是永磁滾筒電機（外轉(zhuǎn)子電機），電機參數(shù)如表 2。

表2 電動機及運行參數(shù)

2.1 下滑力的確定

分析下滑速度前需要確定帶式輸送機在物料的重力作用下所產(chǎn)生的下滑力，可以借鑒國內(nèi)外常用的逆止器所需逆止力矩計算方法[3]，有①下滑力計算法，②輸送機逆止功率計算法，③帶式輸送機驅(qū)動電機功率計算法等，三種方法中，下滑力計算法是計算輸送機逆止力矩最準(zhǔn)確、最合理的方法，是國內(nèi)和國際上公認(rèn)的計算方法，也是國家標(biāo)準(zhǔn)《GB50431-2008 帶式輸送機工程設(shè)計規(guī)范》第 9.6 節(jié)“制動和逆止裝置”中的逆止力矩所規(guī)定的計算方法。最大下滑力Fstmax為：

考慮到輸送機皮帶下滑過程中也會受到摩擦阻力的作用，因此還需要確定最小主要阻力Fmin如下：

式中：—模擬摩擦系數(shù)，取0.012；1—承載、回程段托輥單位長度旋轉(zhuǎn)部質(zhì)量；0—輸送帶單位長度質(zhì)量。

用式（1）減去式（2）得到實際下滑力F：

（4）式中：－驅(qū)動滾筒直徑（即永磁滾筒電機外徑）

將輸送機的資料代入式（1）～（4）計算得出下滑轉(zhuǎn)矩為：12.44 kNm。

2.2 永磁電機短路電磁轉(zhuǎn)矩的確定

這一問題可歸于電機學(xué)里永磁同步發(fā)電機的短路狀態(tài)分析，其短路電磁轉(zhuǎn)矩Te和產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速n可根據(jù)下面公式[4]進行計算。

式中：—極對數(shù)`；R—定子相電阻；—電角速度；—永磁體磁鏈；L—直軸電感；L—交軸電感；

隨著電機設(shè)計手段的豐富，短路電磁轉(zhuǎn)矩Te和對應(yīng)的轉(zhuǎn)速n還可以通過有限元仿真計算得出，采用有限元仿真計算如同電動機設(shè)計計算一樣，需要求解的問題量隨時間而變化，所以采用瞬態(tài)場求解，在瞬態(tài)求解中的運動設(shè)置里與電動機設(shè)計稍有不同，電動機計算一般是將其旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為電動機的同步速度，這里設(shè)置為變量，以方便進行參數(shù)化掃描，同時在激勵源里采用外電路設(shè)置，以方便三相繞組短接，外電路如圖2。

圖2 有限元仿真計算的外電路（三相短接）

通過對旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的參數(shù)化掃描，得到了電磁轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系曲線，如圖3。

圖3 電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

從圖3中可以看出，電機在沒有飽和的情況下，電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，在掃描中得到的一個點：電磁轉(zhuǎn)矩為14.4 kNm 對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為1.2 rpm，按線性關(guān)系計算，上述通過式（1）～（4）計算的轉(zhuǎn)矩12.44 kNm 對應(yīng)的轉(zhuǎn)速則為：1.04 rpm。

此時：T=T

下滑轉(zhuǎn)矩與永磁電機產(chǎn)生的電磁制動轉(zhuǎn)矩達(dá)到了平衡，根據(jù)牛頓定律，滾筒將以1.05 rpm勻速旋轉(zhuǎn)。

3 結(jié)論

通過對永磁電動機的三相繞組短接，雖然不能在逆止器失效后，使輸送機的皮帶完全停止下滑，在下端會造成物料堆積，但可以使其以極低的速度下滑，對下端設(shè)備不會造成沖擊，可以避免發(fā)生嚴(yán)重的飛車事故甚至人身傷害，且采取永磁電動機三相繞組短接的措施，所需成本也非常低廉，因此，該技術(shù)方法極具推廣應(yīng)用價值。

[1] 姜雪, 趙瑞爽等.大傾角下運帶式輸送機停機快速施閘的研究[J]. 煤礦機械，2020, 41(11): 52-53.

[2] 王洪賓, 楊永望等.大型傾斜帶式輸送機逆止器選型分析[J]. 煤礦機械, 2017, 38(01): 113-116.

[3] 宋興元. 大型帶式輸送機逆止器的選型及應(yīng)用[J]. 煤礦機械, 2010, 31(12): 171-173.

[4] 王迎春, 李祥成等.永磁同步電機穩(wěn)態(tài)短路試驗[J]. 電機與控制應(yīng)用，2019, 46(4): 82-86.

[5] 王秀和. 異步起動永磁同步電動機-理論, 設(shè)計與測試[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2009.

[6] 陳世坤. 電機設(shè)計[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1982.

Auxiliary protection of short-circuit permanent magnetic motor against sliding of belt conveyor

Qi Fuxing

(Nanjing MagnetomotiveTechnology Co., Ltd,Nanjing 210000, Jiangsu, China)

TD634

A

1003-4862（2022）11-0036-03

2022-07-04

漆復(fù)興（1965-），男，本科，高級工程師，主要從事電機設(shè)計及稀土永磁衍生產(chǎn)品的研發(fā)工作。E-mail: qifuxin@sina.com