永磁电机驱动在煤矿井下带式输送机上的应用

王晓云

（大同煤矿集团临汾宏大洪崖煤业有限公司 山西临汾041000）

0 引言

大同煤矿集团临汾宏大洪崖煤业公司井下一水平3#层主运大巷有三部带式输送机，第一部带式输送机型号为DSJ80/40/55，第二部带式输送机型号为DSJ80/40/55×2，第三部带式输送机型号为DSJ80/40/55。其驱动系统均采用传统的三相异步电动机、液力耦合器、减速器。这种驱动方式的缺点：驱动效率低，启动不平稳，重载启动困难等，另外，对减速器、耦合器等部件的日常维护保养以及零部件频繁更换等，都直接影响了煤炭生产运输。经多方技术论证，决定采用永磁同步电机与变频器相结合的驱动系统实现带式输送机的运输，驱动系统去掉了减速器、液力耦合器，输出转矩大、启动平稳，具有高效、节能、低噪音、免维护等优点[1]。

1 永磁电机组成结构

永磁同步电机有永磁式、电励磁式和磁阻式三种结构形式，其中电励磁式永磁同步电机，其工作性能主要是通过电刷和滑环引入直流励磁电流产生驱动功率,在一般大、中型容量同步电机中使用;磁阻式永磁同步电机，其工作性能主要是利用凸极、转子、磁路的不对称造成电抗差异来产生磁阻转矩，从而产生输出功率。近年来随着电机永磁新材料的不断更新换代,永磁电机大都采用有储能功能的永磁材料作为励磁来建立电机内部的主磁场。与传统电机相似，永磁电机也是主要由定子、转子及机座组成,定子是由铁芯、绕组、机座三部分组成,铁芯由0.5 mm的硅钢片叠压而成；机座一般由铸钢浇注而成,主要用于固定和支撑定子铁芯。转子主要由铁芯、永磁体、转子支架和转轴组成,和定子一样,也是由硅钢片叠压在转轴上,转子永磁体的布置方式采用内置式，电机端盖保护永磁电机的两端。永磁电机组成结构如图1所示。

图1永磁电机组成结构示意图

2 永磁电机工作原理及技术参数

永磁电机定子绕组中通入三相电流后，定子绕组中形成旋转磁场,电机转子上固定的永磁体有N、S磁极，根据磁极的同极相斥和异极相吸的原理,在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转,最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相同.从而通过电机中磁场变化转换成机械能输出扭矩，满足功率要求。永磁电机工作原理如图2所示。

图2永磁电机工作原理示意图

永磁电机技术参数：规格型TBVF-55YC、额定电压660 V、额定功率2×250 kW、额定电流55 A、转速120 rpm、频率40 Hz。

3 永磁电机的特性

3.1 启动转矩大,过载能力强

传统三相异步电动机在带式输送机负载启动特性如图3所示，永磁电机在带式输送机负载启动特性如图4所示。

图3传统异步电机启动特性图

图4永磁电机启动特性

从图3图4可以看出，当带式输送机所承受的负荷相同时,异步电机的启动转矩通常是额定转矩的55%,这样就无法实现带式输送机的满载启动；而永磁电机的转矩是额定转矩的280%,永磁电机可根据带式输送机的负载情况进行速度调节,因此过载能力强,能够实现重载启动。

3.2 效率和功率因数提高

永磁电机和异步电机效率曲线见图5，永磁电机和异步电机功率因数曲线见图6。

图5永磁电机和异步电机效率曲线

图6永磁电机和异步电机功率因数曲线

三相异步电机转子绕组由铜线绕制而成,转子旋转产生磁场时发热，会产生能量消耗;而永磁电机转子为永磁性材料,不存在发热消耗能量。当三相异步电机和永磁电机二者在输出功率与额定功率比值相同的情况下,永磁电机比三相异步电机显出输出效率高、功率因数高、启动电流小、对电网冲击小等优点。三相异步电机功率因数低、无功电流大,会造成电能资源的浪费，其启动电流较大,一般为额定电流的5～7倍,容易冲击电网的其它用电设备。当二者的P2/PN比值在接近1时,效率和功率因数的值为最高,但随着P2/PN比值的增大,异步电机的效率和功率因数都在不断减小,而永磁电机的效率和功率因数却基本趋于恒定。

3.3 永磁电机驱动系统结构紧凑简单

永磁电机驱动系统甩掉了减速器和液力耦合器,从而不存在检修齿轮箱，更换润滑油，没有传动齿轮磨损和噪声，不存在检修、更换液力耦合器整机和配件，大大减少了设备的保养维护工作，且容易安装调试。

3.4 永磁电机驱动系统安全可靠使用寿命长

永磁电机运行时,转子绕组中产生电阻损耗,定子绕组中几乎不存在无功电流,因此永磁电机温升低,永磁电机的使用寿命较长；简化了以三相异步电机、减速机以及液力耦合器相匹配传统的机械驱动装置,直接驱动带式输送机,无中间传动环节,因此故障率变低，同时永磁电机系统能够实现对过压、过流、欠压和过热等各种故障的保护,保障带式输送机安全稳定运行[2]。

4 永磁电机驱动系统的应用

2018年5月份同煤集团临汾宏大洪崖煤业公司对井下一水平3#层主运大巷的三部DSJ80型带式输送机驱动系统进行了改造。主运大巷带式输送机原驱动系统为异步电机＋液力耦合器＋减速器＋联轴器＋滚筒,将原来的YBBP280S-4型异步电机更换为TBVF-55YC型永磁电机，甩掉了液力耦合器和减速器，永磁电机通过低速轴联轴器与带式输送机传动滚筒直联，由ZJT-110/660矿用隔爆兼本质安全型变频器控制永磁电机的启动，实现带式输送机的缓慢匀速启动，避免了异步电机启动时的瞬间大电流给电网带来的冲击，以及转矩瞬时剧增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。

改造后永磁电机的效率很高，可达95%以上，功率因数最高可达0.99。永磁电机效率、功率因数受负载影响较小，经现场测试，带式输送机负载率在20%～120%内可保持极高的效率与功率因数。另外在用电量及电能利用率上有着明显的改善，普通防爆电机运行时平均电流为63 A，而永磁电机运行时平均电流为10A，每月大约可节约1.67万度电，每年可节约20.1万度电，每年大约可节约电费8.5万元。

5 结语

永磁电机驱动系统作为带式输送机的一种新型的驱动方式，具有高效节能的特点，极大地提高了系统运行的可靠性和稳定性,有效地降低了带式输送机的能耗和使用成本，给其他煤机装备驱动方式提供了很好的借鉴。