永磁电机技术在皮带机驱动系统改造中的应用

郑 永 孙瑞杰 张玉风

（包头长安永磁电机有限公司，包头 014030）

工业生产中，皮带机是比较普遍采用的物料传送设备。电动机是皮带机驱动系统的核心部分。在实际的皮带机驱动系统中，应用的电动机普遍采用了永磁电机技术。因此，对永磁电机技术进行持续完善和优化，是提高皮带机驱动系统整体效率和功能的必要选择。考虑到皮带机在我国各个应用领域的普及度，优化皮带机驱动系统中的永磁电机技术非常重要且必要，且对其他领域的永磁电机应用技术完善和发展也有重要价值。

1 电动机系统改造的现实意义

电动机在日常生产生活领域应用广泛，如应用于水泵、风机、机床、压缩机等设备，为其提供强大的动力保障[1]。相关统计数据显示，电动机系统实际用电量占总用电量比重大。目前，我国实际电机耗电量约占社会总用电量的3/4。尤其是工业领域，电机的耗电量达到总用电量的4/5 左右。

电动机在各领域的实际应用中用电占比大。这一方面与电动机的用途广泛和电动机应用数量大有直接关系；另一方面，这与电动机自身功耗大且转化效率低有一定关系。以2020 年我国全社会发电量、用电量均超过7 万亿kW·h，其中发电量达到了 7.42 万亿kW·h。按照这一占比，如果电机效率通过优化提升1%，那么将年节约560 多亿kW·h 电量。

基于此，针对皮带传动系统中永磁电动机工作过程中存在的负载率低和非经济运行状态等问题，对永磁电动机系统进行优化改造。通过相关技术改造，提高皮带电机的转化效率，在用电量没有显著提升的同时，充分改善工作效率。不但能够节约能源，降低用电成本，而且可以提高电机使用寿命，大幅降低电机检修维护成本，有助于增加企业经济效益。

2 永磁电机技术在皮带机驱动系统中的应用

永磁电机技术是皮带机驱动系统的核心技术。通过对相关技术进行改造和优化，可以有效提升皮带机系统的工作效率，降低电耗，提升永磁电机的使用质量。可见，对皮带机驱动系统中的永磁电机技术进行针对性完善和优化是非常关键的电机技术升级措施。

2.1 皮带机驱动系统中永磁电机技术的概述

通过深入分析皮带机驱动系统中采用的永磁电机技术，可以充分了解该技术的一般性特点。永磁电机属于典型的同步直驱系统，整合了永磁同步电动机、伺服矢量控制以及智能控制等比较先进的动力技术，现阶段可以将其视为最大功率和转矩的传动系统[2]。皮带机驱动系统采用永磁电机技术，系统中没有减速机和耦合器，因此可以更加高效、节能。此外，它在噪声控制、系统免维护以及启动转矩等方面表现良好，运行平稳，是皮带机驱动系统选择永磁电机作为动力的原因之一。

2.2 永磁电机驱动系统结构及技术特点分析

为对皮带机驱动系统中的永磁电机技术进行优化和完善，必须先了解皮带机驱动系统的结构和技术特点，以皮带机驱动系统结构及技术特点为基础进行系统分析，确保驱动系统相关技术的改造达到预期目标。

2.2.1 永磁电机驱动系统结构体系

电机驱动系统的结构体系对于电机正常运转状态有非常大的影响。通过调整电机驱动系统的结构，可以有效提升电机运转效率，进而实现优化性能的目的。将传统电机换成永磁电机，是一个非常合理的选择。永磁电机的结构体系优势使得其在正常运转状态下可以达到更加稳定高效的工作状态。下面从其功能结构设置出发对其进行分析。皮带驱动永磁电机主要包括6 个辅助功能单元，分别为变压器、进线电抗器、波滤器、滤波电容、直流电容以及输出电抗器等[3]。永磁电机则包括定子、转子和端盖3 大部分。永磁电机之所以称为永磁电机，是因为电机的转子整合了永磁体。这些永磁体提供了较高的磁能密度，使得电机的性能参数达到了较高水平。这些永磁体在电机内的装设结构大体采用内置式、表贴式以及表面嵌入式3 种设计模式。

与其他类型的电机进行比较，永磁电机转子运转时不会产生铜耗问题，因此功耗相对减少，功率因数甚至能够达到近似1 的水平[4]。因为永磁电机舍弃了减速机，电机的传动效率由此受益能够达到95%。小电流工作状态下，起动转矩仍然可以达到额定值，起动特性优良。从原理来看，永磁电机定子绕组所通入的交流电为三相对称模式，可以产生高度稳定的旋转磁场，促使转子永磁体保持固定位置。在旋转磁场驱动下转子转动，逐渐达到与旋转磁场一致的转速。

2.2.2 永磁电机驱动系统技术特点及其优势

当前我国相当一部分企业采用的皮带机驱动系统能够实现的最大传动效率无法达到70%，所用电动机的能耗水平大多属于国家三级能耗[5]。通过升级改进，采用永磁电机驱动系统的皮带机运行效率显著提高，能耗明显降低，传动效率达到93%。从节能和提高经济效益两个方面考虑，对皮带机驱动系统进行技术升级具有可行性。

驱动系统永磁电机实际工作时，启动主要采取变频器方式。通过这种方式能够确保传动系统启动匀速缓慢，防止电动机瞬时启动电流过大对设备造成冲击，并可以避免转矩突增导致的机械冲击，使电机运行的稳定性和电网故障控制达到良好的状态。从设备角度看，永磁电机驱动系统不需要液力耦合器、减速器以及同步齿轮等容易故障的部件，有利于降低设备成本，减轻运维工作量。

皮带机驱动系统中引入永磁电机，大多选择多电机方式进行驱动控制。该设计能够确保输出功率达到较高水平的平衡稳定性，以避免因不平衡导致的各种故障问题。

3 永磁电机技术在皮带机驱动系统中应用的改造分析

某煤矿井下煤炭运输皮带机驱动系统因为设备老旧，整体性能下降严重，运行效率低下且各种故障多发。为解决上述问题，要通过改造驱动系统，实现系统在能耗和成本控制方面的改善和性能提升。

3.1 某煤矿皮带机驱动系统存在的问题

某煤矿井下皮带机系统于2012 年完成装设，皮带机工作段长度为1 120 m。该皮带机驱动系统采用4 台异步电动机，设计为CST 组合驱动模式。因为整个皮带机使用时间过长，到了部件故障多发期，带载能力持续减弱。矿井生产能力持续增加，皮带机运行的承载能力和稳定性越来越难以满足生产要求，且常常出现皮带机过载死机的问题。同时，CST 组合驱动系统的配件越来越少且价格持续升高，皮带机驱动系统的运维成本增加。鉴于此，煤矿管理层决定对系统进行彻底改造，以推动生产安全和经济效益能够达到更好的效果。

3.2 永磁电机技术在皮带机驱动系统中的优化改造

本文以某煤矿的皮带机驱动系统改造为对象，通过分析其具体的改造过程，充分理解类似的电机动力系统优化。某煤矿为矿井内的多部运输皮带机安装CST 驱动装置。这些CST 驱动装置在当时的技术条件和应用背景下是比较好的选择，采用减速器和离合器结构控制传输装置的启停，可以实现皮带机较为稳定的软启动和同步负载控制，也可以达到企业生产需要的起停控制性能。但是，该系统后期运维成本大，故障率高，且随着使用时间的积累，设备老旧，各方面性能下降明显。改造前皮带机驱动系统构成如图1所示。

2018 年，某煤矿利用永磁电机技术对矿井各部皮带机驱动系统进行改造。整个改造最大的工作是将普通电机动力系统升级为永磁电机动力系统，通过引入永磁电机，使原系统中不再需要减速器，可以直接从系统中拆除减速器。通过改造引入了工作效率和运行稳定性更高的永磁电机取代普通电机。永磁电机自身的一些优良性能也充分体现在整个皮带机驱动系统，使得整个系统的运行效能有更好的表现。尤其是永磁电机在电能向机械能的转化率和工作稳定性等方面，优化效果显著。改造后皮带机驱动系统如图2 所示。经过系统升级，运维成本降低，故障率减小，运行性能进一步提升。

改造过程中，永磁电机安装于原电机位置，准确测量地脚螺丝孔位置和电机安装高度，用以设计永磁电机底盘，并确保永磁电机轴对准滚筒中心。永磁电机联轴器的安装可以借助胀套，加工胀套需要设置内孔，内孔尺寸保持与传动轴的配合度，并保留适当的间隙，以辅助安装联轴器。考虑到系统采用电平变频器设计，必须采取有效措施防止谐波的干扰。实际设备改造中，变频器要保持和永磁电机的适当距离，通常情况下不能大于50 m。此外，要在变频器输入输出端安装电抗器，用以综合形成的杂波。

完成整个皮带机驱动系统的改造后，为确认该改造达到了预期改造目标，需要对该系统进行调试和检测。只有确认相关性能达到应有的标准，才可以将其应用于实际的生产实际。因此，必须给予上述工作充分的重视，如果发现其整体性能未能达到标准，需要找到导致这一状况的根本原因，并及时调整设备和参数，以满足实际需要。电机进行系统调试时，要注意控制和调整永磁电机运转状态下的温度，防止永磁电机过载发生温度过高的问题。温度过高会导致永磁电机内的永磁体发生退磁现象，显著降低电机性能，甚至引发更多故障。

皮带机传输装置广泛应用于工业生产尤其是煤矿等领域，完成煤炭的运输。通过改造皮带机驱动系统，在永磁电机驱动条件下，使得皮带机驱动系统的控制更加简捷，运维管理更加有效。相比传统驱动模式，永磁电机的工作性能表现优异，同时在运转稳定性和工作安全性方面状态良好，有助于提升企业经济效益。