智能永磁直驱系统在煤矿井下带式输送机上的应用

张 荣 贾清华 李 丽 王郡武 高云峰

(1.大同煤矿集团有限责任公司晋华宫矿，山西省大同市，037016； 2.大同煤矿集团有限责任公司同大科技研究院，山西省大同市，037000)

大同煤矿集团有限责任公司晋华宫矿(以下简称晋华宫矿)井下南山12-2﹟煤层301盘区带式输送机电机采用液力耦合器的启动方式，启动过程中电压不能线性变化，切换过程中存在电气和机械冲击、设备故障率高等问题。该机从2003年投入使用至今，已经运行了近15 a，电机和减速机已经出现了不同程度的疲劳磨损，存在启动困难、维修费用高以及日常生产中突发故障多等问题，难以保障原煤的正常运输，严重影响了矿井正常的安全生产。为了解决这些问题，采用智能永磁直驱系统代替原来的传统驱动系统，实际应用效果明显，效益显著。

1 永磁电机组成结构

同步电机的结构形式有电励磁式、磁阻式和永磁式3种。其中电励磁式同步电机主要通过电刷和滑环引入直流励磁电流，一般大、中容量同步电机使用；磁阻式同步电机主要利用凸极、转子、磁路不对称造成电抗差异来产生磁阻转矩；近年来随着永磁材料取得的不断进步，永磁式同步电机(以下简称永磁电机)采用储能永磁材料励磁建立主磁场。

永磁电机主要由定子、转子及其端盖组成，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，机座一般由铸铁制成，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，也是由硅钢片叠压而成，压装在转轴上，转子永磁体的布置方式采用内置式；端盖对永磁电机的两端起到一定的固定和保护作用。永磁电机组成结构示意图如图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

永磁电机是以磁场为媒介进行机械能相互转换的电磁装置，当电机的定子绕组中通入三相电流后，就会在永磁电机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体(永磁体的磁极是固定的)，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。永磁电机工作原理示意图如图2所示。

3 智能永磁直驱系统的特性

3.1 启动转矩大，过载能力强

永磁电机根据转矩要求进行设计，从而确定电机级数和永磁体数量，而异步电机按照功率进行设计，所以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%，无法实现系统满载启动，而永磁电机的转矩是额定转矩的280%，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。异步电机启动特性如图3所示，永磁电机启动特性如图4所示。

图2 永磁电机工作原理示意图

图3 异步电机启动特性

图4 永磁电机启动特性

3.2 效率和功率因数提高

由于异步电机转子绕组为铜制绕线，因此产生旋转磁场时需要消耗热能；永磁电机为永磁体材料，不存在能量消耗，当二者在输出功率与额定功率比值相同的情况下，永磁电机比异步电机存在效率高、功率因数高、启动电流小、对电网冲击小等优点。而异步电机由于功率因数低，电机要从电网中吸收大量的无功电流，因此会造成电能资源的浪费。异步电机启动所需电流较大，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的情况，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。永磁电机和异步电机效率曲线如图5所示，永磁电机和异步电机功率因数曲线如图6所示。

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

3.3 结构简单，维护方便

由于智能永磁直驱系统不需要减速机，无传动齿轮磨损和噪声，因此无需更换润滑油和检修齿轮箱，不仅节约了维护成本，而且降低了维护工作量，还使得传动系统的结构简化和便于安装。

3.4 温升低，使用寿命长

智能永磁直驱系统的永磁电机运行效率较高，转子绕组中不存在电阻损耗，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；而异步电机工作时，转子绕组有电流流动，并且电流完全以热能的形式消耗掉，所以在转子绕组中将产生大量的热量，使电机的温度升高，影响了电机的使用寿命，永磁电机温升图如图7所示，异步电机温升图如图8所示。

图7 永磁电机温升图

图8 异步电机温升图

3.5 智能化

智能永磁直驱系统运用无传感器矢量控制技术(SVC)变频启动，能实现系统传动的缓慢均匀启动，避免了以往异步电机启动的瞬间大电流给电网带来的冲击，因此降低了电网故障和机械故障。智能永磁直驱系统需要两台电机驱动，通过主从控制使输出功率及运行电流无偏差，可实现功率平衡，解决了原来异步电机运行时功率不平衡和易造成电机损坏的问题。此外，智能永磁直驱系统支持CAN、MODBUS485、PROFBUS DP等多种通信接口的接入，可实现与上位机通讯，实现多台设备集中控制运行。

3.6 安全可靠

智能永磁直驱系统替代了异步电机、减速机以及液力耦合器等传统的机械驱动装置，系统直接驱动生产机械使得传动系统结构变得简化，无中间传动环节，因此故障率变低。智能永磁直驱系统能够实现对过压、过流、欠压和过热等各种故障的保护，保障系统安全稳定运行。

4 智能永磁直驱系统的应用

晋华宫矿301盘区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，在此基础上对传统的驱动设备进行改造。为了避免在煤炭运输过程中煤泥和粉尘等对智能永磁直驱系统的污染，智能永磁直驱系统安装在距带式输送机机头部150 m处，将原来带式输送机头尾的两套异步电机、减速器和液力耦合器拆除，更换两台TBVF-500/80YC(660/1140)永磁电机以及两台BPJ-630/1140伺服控制器(变频器)。

改造后，智能永磁直驱系统能够直接与带式输送机滚筒通过胀套连接，可实现伺服控制器(变频器)拖动下的带式输送机运行，并通过伺服控制器(变频器)来实现带式输送机的正常运行及保护，实现“煤多快转，煤少慢转”，从而实现高效节能。

5 应用效果

智能永磁直驱系统于2017年12月在晋华宫矿12-2#煤层301盘区带式输送机上成功进行了应用，按照带式输送机每年运行360 d、每天运行16 h、电费按照1元/ kWh来计算，传统异步电机驱动系统与智能永磁直驱系统的能量损耗与各种费用进行对比见表1。

表1 原驱动系统与智能永磁直驱系统的能量损耗与各种费用对比

由表1可以看出，在永磁电机生命周期10 a内，智能永磁直驱系统可以节约电能为78433920 kWh，节约使用费用为7913.43万元。此外，按照正常注油补充周期，智能永磁直驱系统每月可节约0.34 t油脂，油脂的费用按照1.02万元/t计算，10 a内可节约油脂费用为16.9万元。

6 结语

智能永磁直驱系统与传统的驱动系统相比具有启动转矩大、过载能力强、效率和功率因数高、结构简单、免维护、温升低以及使用寿命长等优点，极大地提高了系统运行的可靠性和稳定性，有效降低了带式输送机的能耗和使用成本。