永磁直驱电动机在煤矿井下的应用

卢文超

摘 要：矿山机械在实际应用的过程中有着十分重要的作用，其中带式输送机和提升机等传送系统都利用低速大转矩，实际应用的过程中因为减速器和耦合器等，维护工作相当困难。

关键词：永磁直驱;电动机;煤矿;高效

1、前言

永磁直驱电动机在实际应用的过程中相比较传统输送机械来说有着更加节能，更低噪声以及不用维护的特点。

2、永磁电动机

2.1基本原理

传统异步电动机是定子绕组中通过励磁电流产生气隙磁场，进而在转子绕组中产生感应电动势和感应电流，形成感应磁场，从而产生电磁转矩使转子旋转。转子的运行转速始终小于气隙内旋转磁场的同步转速。永磁同步电动机与三相异步电动机结构基本相同，其定子为三相对称绕组，转子上有磁钢，是一种异步启动的同步电动机，由转子交流启动后牵人同步运行，类似于交流同步电动机。其运行是靠定子线圈在气隙中产生旋转磁场与己充磁的磁极作用，带动转子与旋转磁场同步旋转而做功。

2.2主要优点

（1）没有转差损耗，效率高于异步电动机和高转差电动机。（2）调速范围宽，可设计成直接驱动负载。（3）经合理设计，可获得大启动转矩，可用小机座号的永磁同步电动机代替比其大1～2个机座号的异步电动机，在降低永磁同步电动机体积和成本的同时，提高了负载率。

3、直驱电动机的特点

力矩电动机，典型的传动装置从电动机到运动部件间包含一系列的机械传动元件，使得传动链长、传动效率低、制造成本高、结构复杂。中间传动环节的存在，不仅导致反向间隙、摩擦以及传动刚度降低等机械结构问题，增大非线性误差，而且还会引起一定程度的弹性变形，整个系统的阶次变高，系统的鲁棒性降低等。因此取消中间传动环节已成为当前机械装备功能部件研究的主流方向之一，开发力矩电动机正是解决这一重大问题的关键技术手段。用力矩电动机代替传统电动机实现直接驱动，取消了传统的传动系统，具有以下突出优点：（1）动态响应速度快。由于取消了系统中一些响应时间常数较大的机械传动部件，从而使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，系统的反应更加灵敏。这意味着采用直驱系统可具有更大的加速度以及更短的定位时间。（2）传动刚度高。由于采用直接驱动，避免了因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损以及反向间隙所造成的运动滞后现象，提高了其传动刚度;同时由于减小了机械磨损，因此可靠性也大大提高。（3）定位精度高。由于消除了中间传动机构中的传动间隙，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差，可大大提高机床的定位精度。（4）传动效率高。由于没有中间传动环节，消除了中间传动环节机械磨损时的能量损耗，传动效率大大提高。（5）运动噪声低和零保养。由于没有中间传动机构的机械振动，运动噪声大大降低;同时磨损的器件只剩下旋转或直线的轴承，因此假如只要做到永久性润滑和一次性装配，就可以实现零保养。

4、永磁直驱系统的特点

（1）传动效率高。传统带式输送机的驱动方式为电动机、偶合器、减速器组合，其传动环节多，综合传动效率只有85%左右，而永磁直驱系统的传动效率就是电动机的传动效率，可高达95%，比传统驱动系统提高了10%以上。（2）故障率低。永磁直驱系统驱动部无减速器、液力偶合器，结构简单、故障点少、故障率低。（3）日常维护和检修量小。异步电动机驱动部日常维护量主要为减速器换油、电动机轴承注油及联轴器的检查维护（由于井下地压较大需定期对连接部位进行找正），而永磁直驱系统驱动部日常维护量主要是定期为电动机轴承注油。（4）调速范围宽。永磁电动机比普通变频电动机调速范围更宽，它可实现超低速（如0.5m/s）、高转矩运行，最高2倍额定转矩软启动，具有良好的启动性能，能有效地避免为满足重载启动的工况而被迫选择大功率电动机尴尬。（5）实现功率平均。系统采用多电动机主从控制驱动，避免多电动机因出力不平衡而损坏电动机，实现功率平衡，并能实现对过压、过流、欠压、过热等各种故障的保护，保障系统安全稳定运行。（6）采用真空灌封技术。永磁直驱电动机绝缘灌封后的绕组具有良好的耐电晕性能，解决变频器供电造成的电动机匝間短路问题，灌封后的绕组导热性能大幅提高，同时提高了绕组整体机械强度，且防水、防尘、防污效果显著。（7）冷却方式好。永磁直驱电动机外壳采用双层设计，其中间为蛇形散热水道，冷却方式好，在有水的使用场合可直接通水冷却，冷却水水压满足在0.3～0.8MPa之间，流量>2.8L/h。在无水或水质非常差的使用场合，可以选配防爆风冷式冷水机，冷却方式为水与空气热交换。

5、应用范围分析

现阶段我国煤矿井下局部通风机配用的电动机主要是YBF2系列隔爆型异步电动机，启动转矩小，功率因数低，效率低，电能损耗大，在运行中容易烧毁，造成一定的经济损失。而目前研制的永磁通风机，其机座同时又是风机流道，电动机不带外风扇，直接靠风机流道内的强大气流进行冷却，冷却效果好。该系列风机专用电动机轴承装置为特殊结构，并设有不停机注、排油装置，可解决传统电动机的散热差、轴承温升高、易烧毁等问题。带式输送机、刮板输送机上的应用传统的刮板输送机、带式输送机传动系统均采用异步电动机一减速器，外带液力偶合器，其效率低、功耗大、维护工作量大。目前研制的TBB系列永磁电动机因其低转速下输出大转矩，应用于带式输送机、刮板输送机可以省去液力偶合器以及减速器，大大提高传动系统的效率和稳定性。输出大小相同的功率，采用永磁电动机的带式输送机总质量减轻了将近1200kg。（1）煤矿井下空间、条件有限，相对传统异步电动机驱动系统组成部件多、体积大而言，永磁同步变频直驱系统运输更加方便、占用空间更小。（2）传统异步电动机驱动系统各部件需要联轴器联接，且各个部件需要进行对中、调平，而永磁同步变频直驱系统电动机与传动滚筒直接连接，安装快捷、调试方便，节省了人力、物力和时间。（3）传统驱动系统使用的异步电动机启动转矩通常是额定转矩的55%，无法实现胶带输送机的满载启动，这种现象俗称“压死”，需要人工卸载物料后再启动，甚至可能出现烧坏电动机的情况;而永磁同步变频电动机启动转矩可达到额定转矩的200%，过载转矩更是达到额定转矩的220%，胶带输送机满载时无需人工卸载即可直接启动，避免了因堵转、过载而造成电动机的损坏，同时也极大地降低了操作工人的劳动强度。（4）永磁同步变频直驱系统运用无传感器矢量控制技术（SVC）变频启动，能实现胶带输送机恒转矩缓慢匀速启动，避免了电动机启动瞬间大电流给电网带来的冲击以及转矩波动给传动系统带来的机械冲击，由此降低了系统的电网故障和机械故障。当系统需要多电机驱动时，通过主从控制可实现功率平衡，能够避免因出力不均而造成电机的损坏。（5）由于永磁同步变频直驱系统不需要减速器、机械软启动装置，在实际使用过程中系统更加平稳、可靠性更高、噪音更低、无需更换润滑油、检修齿轮箱等，节约了使用成本、降低了维护工作量。

6、结束语

永磁同步变频驱动系统在邢台矿51100皮带运输巷应用，通过几个月的实际应用对比，传动效率高，故障率低，大大减轻了设备维护带来的材料及人工成本，有着进一步推广应用的价值。

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