永磁直驱电机在运输巷皮带机上的应用

郭变棠

(汾西矿业集团 设备修造厂，山西 晋中 032000)

·技术经验·

永磁直驱电机在运输巷皮带机上的应用

郭变棠

(汾西矿业集团 设备修造厂，山西 晋中 032000)

汾西矿业集团公司南关煤业井下运输巷狭窄，常规运输巷皮带机驱动装置故障多，结合永磁同步电动机功率因数高、效率高等特点，将无齿轮永磁同步电动机应用于该矿常规运输巷DSJ100/63/2×160皮带机驱动部位，将皮带机改造为变频调速永磁电机直接驱动的皮带机。系统改造后，具有高效节能、免维修、体积小、启动平稳等特点，为该集团系列皮带机驱动装置的改造积累了经验。

永磁直驱电机；带式输送机；驱动装置；减速器；液力耦合器

永磁直驱技术是一种由永磁电机直接驱动负载的新式传动技术，亦称无齿传动系统。这种无齿传动系统采用永磁直驱电机与负载传动轴直接连接的方式，免去了齿轮箱这一传统部件。目前，煤矿井下复杂环境运输系统中，减速器齿轮箱容易过载，损坏率较高，并且井下设备安装空间狭小，使用复杂而且结构庞大的齿轮方式传动的系统维修与维护极不方便。而采用无齿轮箱的直驱方式能有效地减少由于齿轮箱磨损而造成的机组故障，提高系统运行的可靠性和寿命，减少维护成本，因而越来越受到矿井运输系统的关注[1].

汾西矿业南关煤业井下地质结构较为复杂，运输巷道空间狭小，煤层结构较为松软，特别是综采工作面运输巷道。为使井下作业安装便捷并减轻日后的维护难度，带式输送机的传动装置应尽可能结构简单、体积小。汾西矿业集团DSJ100/63/2×160可伸缩带式输送机首次成功改造应用永磁直驱技术，为后期同等需求永磁直驱条件的设备提供了参考。

1 常规传动系统

带式输送机的传动系统为整个输送机的动力转换系统，DSJ100/63/2×160可伸缩带式输送机常规设计方案中，传动系统的动力部分是由2台160 kW的Y型鼠笼电机组成，并且整个传动装置布置在设备的输送机机头卸载装置部位。带式输送机常规传动系统设计图见图1.

图1 带式输送机常规传动系统设计图

该矿运输巷选用的DSJ100/63/2×160可伸缩带式输送机的机头卸载装置与传动装置为常规设计，常规传动系统是由安装在驱动架上的Y系列鼠笼型电机、高速联轴器、减速器、低速联轴器、制动器等2套驱动装置组成。

2 永磁直驱系统

永磁直驱技术中的关键执行部件永磁直驱电机的设计是基于成熟的异步电机和同步电机设计技术。新型的永磁直驱电机采用了高效的永磁材料替代了鼠笼转子，有机地结合了传统的感应电机和同步电机的主要优点，使得电机配合变频驱动系统实现了与负载间无变速装置的传动形式[2].

永磁直驱式DSJ100/63/2×160可伸缩式带式输送机示意图见图2，永磁直驱系统驱动的带式输送机实物图见图3. 利用变频器控制的永磁直驱矿用防爆电机直接驱动输送机驱动滚筒代替常规方案中复杂的传动装置结构。

图2 永磁直驱电机带式输送机示意图

图3 永磁直驱系统驱动的带式输送机实物图

3 两种驱动结构的对比

3.1 简化了机头架的设计与安装

新式永磁直驱系统与常规传动系统对比，利用变频器与永磁直驱电机取代了常规设计方案中复杂的Y型鼠笼电机联接高速联轴器，再通过多级减速器联接低速联轴器将传动力矩传递给带式输送机传动滚筒，并去除了常规方案中需要安装液力耦合器的结构[3].

永磁直驱设计结构简化了机头驱动架的结构设计，将复杂的框架支撑连接结构改为结构简单而且空间相对缩小的三角架结构，永磁直驱系统三角架驱动图见图4. 永磁直驱驱动装置所采用简化后的三角架结构简化了原结构的框架支撑。双驱动装置对称安装在三角支撑架上，无需结构复杂的框架式结构，使驱动滚筒的安装结构与安装空间得到优化，便于驱动装置以及机头其它设施的安装与维修。同时省去了减速器、液力耦合器等结构，使机头可操作空间比常规方案设计的空间更大，有利于巷道窄小空间下的安装。因此，永磁直驱方案机头传动空间布置更加适应南关煤业工作面运输巷道空间狭小的布置。

图4 永磁直驱系统三角驱动架示意图

3.2 软启动减弱了启动冲击

带式输送机的运输机构为输送带，而且输送带为远距离输送，因此带式输送机无论在运输还是静止都储存了极大的弹性势能。若带式输送机启动过快或冲击较大，势能短时间爆发极易造成事故。

永磁直驱电机直接用柱销联轴器与皮带机传动滚筒进行联接，驱动装置使用无齿轮永磁电机和ZJT-250/660 V型矿用隔爆兼本质安全型变频调速装置。直接用变频器控制永磁电机驱动装置，去掉了减速器、液力耦合器，既简化了传动装置的机械结构又实现了传动装置的软启动。同时变频器可实现整双驱动电机变频驱动电机间的功率平衡，使双驱驱动装置启动平稳，带式输送机启动时受到的驱动力矩较为平稳并缓慢过度，有效释放了输送带储存的势能[4].

3.3 降低了维修难度

永磁直驱式带式输送机的卸载传动装置在常规设计方案的基础上对结构原理进行改型，结构更合理。传动装置的布置与联接占用空间都得到有效缩小，使设备的安装更加方便，在安装强度提高的基础上，更适用于井下工作。

采用直接驱动方式只需检查维修电机、变频器以及联轴器，无需维修液力耦合器、减速器和齿轮等复杂结构，节省了井下维修工序，降低了维修难度，并且给维修人员提供了更大的操作空间。

3.4 减少了输送机的功率损耗

永磁直驱式DSJ100/63/2×160可伸缩带式输送机采用永磁直驱技术，直接使用变频器控制永磁电机驱动装置，去掉了常规设计方案中的减速器、液力耦合器等部件，使整个驱动系统具有高效、节能的特点。

在异步电动机驱动系统中，启动不平稳，重载启动困难，直接影响着驱动系统的整体效率。而且使用异步电动机驱动皮带输送机在工频下运行时，绝大部分不是满载运行，极易造成电能的浪费。而采用永磁同步电动机后，定子结构中加入稀土永磁体，无需励磁电流，在整个过程中电机功率的应用达到93%以上，大大节约了电能。

同时永磁直驱电机由永磁变频装置直接驱动，永磁变频装置能够更加智能地实现电机的功率平衡，特别是在DSJ100/63/2×160可伸缩带式输送机采用双驱动模式下，能够使双驱动电机的功率平衡达到5%以内，避免了由于电机功率不平衡造成的输送机受力不均衡和电机功率的浪费[5].

3.5 社会、经济效益

1) 永磁直驱电机具有高效、节能、低噪音、免维护、启动转矩大与运行平稳等特点。

2) 直接使用低速联轴器联接永磁电机和传动滚筒，驱动装置安装简易，维护方便。

3) 由于取消减速器、液力耦合器，每台皮带机可节约20万元左右；在使用过程中提高了传递效率，达到了节能降耗的目的。

4 永磁直驱带式输送机的展望

永磁电机是传动方式的革命，但很多方面仍需要进一步探索。比如如何解决低转速条件下电机的散热、扭矩不够以及永磁材料消磁等问题。汾西矿业集团设计生产DSJ100/63/2×160可伸缩式带式输送机后，又相继设计生产出永磁直驱DSJ100/80/2×200带式输送机。永磁直驱带式输送机在皮带机上的成功使用为该集团同类皮带机的改造积累了一定的经验。

5 结束语

此次改造将无齿轮永磁同步电动机应用到皮带机的驱动部位，即驱动系统由变频器和永磁同步电动机相结合实现动力传递，因为去掉减速器、液力耦合器，系统改造后具有高效、节能、低噪音、免维护、输出转矩大、启动平稳、结构紧凑、重量轻等特点，为汾西矿业集团公司系列皮带机驱动装置的改造积累了一定的经验。

[1] 李文涛.变频调速永磁同步电动机在皮带机上的应用[J].山东工业技术,2014(13)：31-33.

[2] 陈 荣.永磁同步电机控制系统[M].北京：中国水利水电出版社，2009：21-27.

[3] 吕秀实.基于DSP的永磁同步电动机变频调速系统的研究与设计[D].沈阳：东北大学，2010：7-13.

[4] 俞 浩.基于dsPIC的三相异步电动机智能软起动器的研究[D].武汉：华中科技大学，2007：9-19.

[5] 孙福祥.浅析永磁同步电机控制策略[J].电子世界,2014(18)：162-163.

Application of Permanent Magnet Direct Drive Motor on Transportation Roadway Belt Conveyor

GUO Biantang

Due to the narrowness of underground roadway and the condition that the conventional transportation lane belt conveyor breaks down a lot in Nanguan coalmine of Fenxi mining group company, the conventional belt conveyor DSJ100/63/2×160 is replaced into belt conveyor which is driven by frequency control permanent magnet motor with high power factor and high efficiency. The restoration engineering puts the permanent magnet synchronous motor into drive parts of the belt, whose driving system is realized by the combination of frequency converter and permanent magnet synchronous motor. The system has the characters of high efficiency, energy saving, maintenance free, small in size smooth start and so on, it accumulates experience for similar belt conveyor transformation work in Fenxi mining group company.

Permanent magnetic direct drive electrical machine; Belt conveyor; Actuating device; Reducer; Hydraulic couplers

2016-08-08

郭变棠(1977—)，女，山西平遥人，1997年毕业于山西省电子工业学校，工程师，主要从事煤矿机电方面的工作

(E-mail)289680575@qq.com

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