刮板输送机用永磁驱动部研究

孔 进

宁夏天地奔牛实业集团有限公司 宁夏银川 750001

驱 动部是刮板输送机的关键部件，可靠和高效的运行是保证刮板输送机连续运转和绿色节能的关键。常规刮板输送机的驱动部由异步电动机+联轴器+罩筒+减速器等组成，整个驱动部悬挂在机头/机尾架上，电动机与减速器、减速器与机架之间的罩筒变形后，导致减速器漏油、联轴器损坏等问题。异步电动机启动电流较大，对前端电力设备要求较高，转速为 1 485 r/min，存在减速器输入端轴承和密封线速度较高、易损坏等问题。驱动部存在传动链长、效率较低、故障点较多等问题。永磁同步电动机具有效率高、运行范围广、体积小等优点，在煤矿行业应用广泛。

1 电动机性能比较

笔者以 1 200 kW 刮板输送机为例，对永磁电动机的驱动部进行研究。常规异步电动机、减速机的驱动部结构如图1 所示。

图1 现有刮板输送机驱动部

异步电动机工作时，转子绕组有电流流动，该电流以热能的形式被消耗掉，转子绕组中产生的热量使电动机的温度升高，影响了电动机的使用寿命。

永磁同步电动机由永磁体建立转子磁场，正常工作时，转子与定子磁场同步运行，转子中无感应电流，无转子电阻损耗，定子绕组中较少有或几乎不存在无功电流，连续工作时损耗小、发热量少，延长了电动机的使用寿命。

刮板输送机正常运转时负载率为 60%～80%，因负荷不均衡，大部分时间不在额定功率下运行。而异步电动机功率因数和效率最高区域的负载率在 75%～100% 之间，导致异步电动机功率因数低、能耗高。而永磁电动机高效运行工作区间宽，大幅提高了驱动部的整体效率。异步电动机和永磁电动机的负载率与功率因数对比如图2 所示。

图2 异步电动机与永磁电机功率因数对比

2 驱动部尺寸边界

煤矿井下工作面空间的限制决定了采煤机、液压支架和刮板输送机之间的配套尺寸。驱动部的最大中心高为 540 mm，在不改变现有配套关系的前提下，最大宽度尺寸为 1 500 mm。常规异步电动机、减速机驱动的刮板输送机尾断面如图3 所示。

图3 现有机尾配套断面图

3 永磁驱动部方案

将转速为 1 485 r/min 的异步电动机更换为 1 485 r/min 的永磁同步电动机，驱动部结构和配合尺寸不改变，仅提升了电动机的效率。因永磁直驱电动机体积大、质量大，工作面的安装空间不满足要求，不能直接应用于刮板输送机驱动部。以永磁驱动部中心高540 mm，长度尺寸最短为目标，以降低永磁电动机转速、减少减速器传动级数为研究思路，调整不同转速和不同齿轮传动结构的永磁驱动部方案。

3.1 驱动部的功能和参数

驱动部的主要功能：①正常运转时，为刮板输送机提供动力，驱动链轮轴组运转，驱动部输出转速约为 40 r/min；②紧链运转时，低速驱动链轮轴组运转，驱动部输出转速约为 1 r/min，同时在掐链过程中保持制动。

3.2 中速永磁驱动部

永磁驱动部以中心高为 540 mm，即末级行星传动齿圈的外圆直径为 1 080 mm，通过齿轮参数设计、速比分配确定了两级齿轮传动结构，电动机转速为900～ 1 000 r/min。该驱动部设计有 2 个动力源，正常工作时采用永磁电动机驱动，紧链时采用紧链装置中的液压马达驱动；一级太阳轮与电动机输出花键之间设置了联轴器，通过联轴器将电动机的输出轴与太阳轮同轴连接，该联轴器也是紧链装置的动力输入齿轮。该联轴器设计了双轴承支撑，二级齿轮传动部分为单独的腔体，设计了独立的密封结构。中速永磁驱动部结构如图4 所示。

图4 中速永磁驱动部结构

3.3 低速永磁驱动部

末级行星传动齿圈的外圆直径为 1 080 mm，通过齿轮参数设计、速比确定一级齿轮传动的结构，电动机转速为 250 r/min。该驱动部有 2 个动力源，正常工作时永磁电动机驱动，紧链时液压马达驱动，太阳轮直接与电动机输出花键连接。低速永磁驱动部结构如图5 所示。

图5 低速永磁驱动部结构

3.4 永磁驱动部对比分析

刮板输送机工况恶劣，在运行中经受较大的交变载荷，按照负载率 80% 的情况，异步电动机效率为85%，永磁电动机效率为 95%，一级齿轮传动效率为98%，对驱动部整体效率进行估算，不同传动结构驱动部对比如表1 所列，表中高度尺寸不含紧链装置。

表1 驱动部对比

异步电动机驱动部由电动机、减速器、联轴器等部件组成，部件相互独立，虽然传动效率较低但具有维护便利等优点，将异步电动机更换为永磁电动机后，效率提升了 11%。中速永磁驱动部将联轴器集成在减速器壳体内部，较现有驱动部效率提升 11.4%，宽度方向超过 1 500 mm，需要对机头和机尾处与液压支架配套关系进行微调，但在长度方向缩短了 2 490 mm，增大了机头、机尾的空间。低速永磁驱动部的电动机输出轴与太阳轮直接连接，驱动部效率提升了11.6%。低速永磁驱动部存在以下问题：①如果电动机的密封失效，齿轮油进入电动机内部，导致电动机烧损；②齿轮减速部分的热量直接传递给电动机；③水冷装置的空间有限。

永磁驱动部采用变频器制动电动机，省去了紧链器的布置空间，驱动部的轴向长度可以缩短 (100～200 mm)，传动结构简单，但是存在紧链制动时突发断电带来的链轮轴组转动的风险。中速永磁驱动部去掉联轴器，借鉴低速永磁驱动部太阳轮直接和电动机输出轴连接的结构，可缩短轴向长度，但低速永磁驱动部的问题仍存在。

综上所述，中速永磁驱动部较异步电动机驱动部效率提升了 11.4%，长度缩短了 2 490 mm，且功率因数提升，无功损耗减小。齿轮传动与电动机有单独的密封，互不干扰，紧链时由液压马达驱动，并有机械制动保护，操作安全，也可采用机械制动的变频驱动紧链，去掉液压马达，简化传动链。因此，中速永磁驱动部是合理的驱动方案。

4 结语

将电动机、变频器、齿轮传动集成是刮板输送机驱动部的发展趋势，笔者以 1 200 kW 永磁驱动部为研究对象，对异步电动机和永磁同步电动机的驱动效率进行了对比分析，结合驱动部尺寸边界条件，对高速、中速、低速永磁驱动部的结构进行了比较。从可靠性、整体效率、配套尺寸、操作安全等多个方面对永磁驱动部的优缺点进行了分析，确定了刮板输送机中速永磁驱动部方案，具有一定的推广和借鉴意义