永磁电机技术在皮带机驱动系统改造中的应用

任 帅

(西曲矿 选煤厂，山西 古交 030200)

0 引言

带式输送机是煤矿井下及选煤厂煤炭运输的机电设备，其发展方向趋向于大功率和长距离的特点。在传统的皮带机驱动方案中，异步电机和齿轮箱是常见的驱动装置，异步电机具有结构简单、成本较低的特点，齿轮箱是一种将异步电机和传动滚筒连接的机械装置，经常出现磨损和机械故障。为了改善驱动装置的调速性能，适应带式输送机远距离和大功率的驱动要求，将永磁同步电机和变频器技术结合的驱动方案受到广泛关注，在新投产的带式输送机中应用效果很好。本文对原异步电机驱动方案进行了改造，从电机本体和选型及变频器的原理等方面论述了改造工程的重点技术方案，对永磁同步电机和变频器技术在皮带机领域的应用具有借鉴意义。

1 永磁电机的技术特点

根据安装方式分类，永磁电机有内嵌式和表贴式，二者在成本或可靠性方面各有优点。表贴式永磁电机的永磁体通过专用胶水粘在转子上，并辅以螺钉和压条等固定措施，该安装方式成本低廉，但是由于胶水具有时效性，在电机长时间高温运行的情况下极易老化，当遇到大剪切力或强烈振动时会导致永磁体松动脱落。内嵌式永磁电机的永磁体嵌入转子冲片的凹槽内，辅以树脂减震加固，能够在恶劣的工作条件下保证永磁体结构稳固。除了结构更加稳定，内嵌式的永磁电机还有启动转矩大、涡流损耗小等特点。综上所述，考虑到皮带机是煤矿选煤厂的重要机电设备，其可靠性要求较高，因此在皮带机驱动系统改造方案中选择内嵌式永磁电机。

相较于异步电机，永磁同步电机的优势表现在结构和性能两方面。图1为皮带机驱动系统的改造方案，传统的异步电机驱动方案中，异步电机的转矩通过减速器加载在传动滚筒上，这样使得减速器占据很大安装空间，并且多了一个传动环节就会增加摩擦转矩，减速器发生故障就会直接影响皮带机运行。采用永磁直驱方案后，永磁同步电机的轴直接与传动滚筒相连，省去了减速器的环节，节省了安装空间，减少了减速器环节带来的摩擦转矩。在调速性能上，永磁同步电机具有功率因数高、损耗小、轻载、效率高、恒转矩调速等优点。

图1 皮带机驱动系统改造方案

2 方案设计

本文采用永磁同步电机和变频器技术相结合的方案，对原异步电机驱动方案进行了改造。

2.1 永磁电机

确定永磁电机的类型和安装方式后，根据皮带机的参数计算改造工程所需的永磁电机的各项参数，主井皮带参数包括机长、倾角、提升高度、输送量、带宽、带速、传动滚筒直径、驱动功率等。永磁电机的转速n0计算公式为：

(1)

其中：v为皮带速度；D为传动滚筒直径。

转矩T的计算式为：

(2)

其中：P为机械功率；n为滚筒转速。

确定上述参数后，本次改造选择永磁电机型号为TBVF-315/40YC，该电机的冷却方式可选直接水冷和封闭水冷，由于现场水量充足，在采取防水垢措施后选用直接水冷方式进行冷却，冬季环境温度较低时应采取一定的保暖措施，防止冷却水结冰，损坏冷却管。

2.2 变频器

永磁同步电机变频驱动原理如图2所示。同步电机直接驱动传统滚筒，免去了液力耦合器和减速器，一方面节省了采购资金，另一方面节能效果显著，变频器运行在低频段，每月电量消耗大约为异步电机驱动系统的七成左右。变频装置具有软启动功能，使得带式输送机的轴承、胶带等机械部件的冲击次数大大减少，延长了使用寿命。本次改造选用某公司开放的1140 V四象限变频器，该变频器自带水冷系统，无须配置冷却装置。

图2 永磁同步电机变频驱动原理

2.3 控制电路

图3 变频器控制电路原理

3 效益分析

3.1 技术效益

(1)节省设备安装空间。常规的传动系统中，高速联轴器、多级减速器和液力耦合器具有复杂的支撑框架。而永磁直驱系统省去了中间环节，利用一个空间较小的三角架结构就可以将双驱动装置全部安装完毕，使得皮带机的机头空间更加宽裕，胶带输送机大多安装在巷道内，有利于节省空间。

(2)实现软启动。带式输送机的传输距离都较远，在工作过程中吸收了很大的弹性势能，若驱动装置不具有软启动功能，极易造成弹性势能释放不及，进而引起胶带崩开或轴断裂。由变频器驱动的永磁电机可以由控制器统筹分配功率，保证各个电机的转矩相同，启动平稳，使得启动阶段的力矩增加缓慢而平滑，不至于在短时间内积聚巨大的势能，造成机械损伤。

3.2 经济效益

(1)降低了维护成本。由于不需要减速器和联轴器等中间装置，在带式输送机安装时节省了安装工时，在平时的例行维护中，重点检查永磁电机和变频器的关键部位，无须维护减速器、齿轮和液力耦合器，井下维护工作量减小，且操作空间增大。

(2)降低了电费成本。异步电机驱动的皮带机总是在工频下运行，在轻载和满载时的功率损耗相差不大，因此绝大多数时间均存在电能浪费。永磁同步电机的磁场是永磁体发出的，无须励磁电流激励，并且在变频器的驱动下可根据负载大小调节驱动电流，轻载时电流减小，功率减小；重载时电流增大，功率增大，达到了节能减排的目的。

4 结束语

通过技术改造，将变频技术和永磁同步电机应用于煤矿选煤厂皮带机的驱动中。分析了永磁同步电机的结构分类和调速特点，从改造方案的电机选型、变频器选型、控制原理和冷却装置设计等方面简述了改造工程的原理。从技术效益和经济效益两方面来讲，永磁电机技术在带式输送机的改造应用都是成功的。