永磁电机驱动在煤矿井下带式传输机中的应用

张 敏

（国家能源集团神东煤炭集团公司上湾煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017209）

在我国，煤矿井下运输煤炭所用设备主要为带式传输机，这就需要带式传输机具备安全可靠的驱动，以不断满足煤矿井下高效生产要求，煤矿井下设备拖动运行过程中，为避免由于直接启动导致启动力矩过大对设备接头部位与电机产生冲击力，应通过软启动技术，以满足驱动控制需求，保证启动加速度控制在最佳范围[1]。当前煤矿井下带式传输机主要选择液力耦合驱动，该驱动极易受到电压的影响，所以在实际应用期间会产生机械故障，且长期运转会磨损传输机传动装置与减速装置，导致输送卡顿、启动困难等问题。永磁电机存在低转速、大扭矩等特性，可直接与输送带相连接，以对滚筒产生驱动作用，同时配备变频驱动控制结构，可以精准控制电机转矩与转速[2]。本文为精简输送流程，智能化控制煤矿井下带式传输机，应用永磁直驱电机当作动力系统，以期能够为煤矿井下作业提供经验借鉴。

1 永磁电机结构原理

永磁电机是根据磁阻转矩功能，满足动力传输需求，通过永磁材料创建磁场，以达到储能目的。从永磁电机结构层面分析，主要包括3 部分，即定子、转子及机座。其中，定子中含有绕组与铁芯，铁芯主要由0.5 mm 厚度的硅钢片叠压制作而成；转子内含有转轴、铁芯、支架及永磁体，选择内置方式布置永磁体。机座选择铸钢浇注，端盖分别配置在电机两端，主要用于对内部结构的支撑与保护。三相电流通入后，会在定子绕组内形成旋转磁场，此时的固定永磁体会基于异极相吸、同极相斥原理循环运动，推动转子旋转，同时和定子磁极转速相同，转化磁场能为机械能，由此实现扭矩输出。

负荷相同的情况下，与以往异步电机相比，永磁电机启动转矩能够达到额定值29%，基于负载情况调节转速，可实现过载能力的提升[3]。驱动控制环节，异步电机需通过CST 设备与液力耦合器等达到软启动与减速控制目标。永磁电机能够通过高精度传感器采集转子绝对位置信号，并向变频控制器传递信号，以实时掌控磁极运动情况，同时加入矢量电流，控制电机运转状态，具体如图1 所示。不需要增加减速器就能够达到功率、转速及转矩的平衡，所以永磁电机结构比较简单，能够为相关设备稳定安全运行提供保障。

图1 永磁电机驱动控制原理

2 永磁电机驱动特点

永磁电机驱动带式传输机系统的驱动结构主要为驱动滚筒、永磁直驱电机及变频器等。与传统传输机驱动系统相比，该新型传输方式省去了极易发生故障的液力耦合器、减速机等结构，能够随时软停车或软启动。永磁电机驱动特点主要表现如下。

2.1 转矩大

煤矿井下生产中，永磁电机借助其转矩功能，有效控制煤矿井下传输带动力，在实际应用期间，需要基于应用要求，对转矩参数进行有效设计，明确电机级数与永磁体安装数量，保证永磁电机能够满足应用标准。永磁电机过载支撑能力比较强，而且存在强大的转矩负载能力。以往输送机在负荷情况下，启动电机后的转矩参数是未启动前额定参数的50%，很难全面负载，而永磁电机具有较大转矩参数，其转矩参数为额定参数的250%。煤矿生产人员可借助速度调节功能，使输送机能够负载不同质量的物质，而且具备重载启动功能，实际应用时的灵活性较大[4]。

2.2 功率高

以往电机结构转子绕组大多采用铜制材料，该材料在磁场运转过程中往往会消耗大量热能，造成能量功率消耗量的增加，使得煤矿井下生产中的能源浪费非常严重。而永磁电机所用材料主要为永磁体，在运转期间所消耗热能较少，所以永磁电机功率因数优势较为明显，特别是在额定功率和输出功率保持一致的情况下，该优势就更为突出[5]。以往电机功率比较大，且功率因数低，必须在通电后应用，此时的电机会吸引更多电流能量，导致电能严重浪费，必须通入更多电流方可运转输送机，过电流负载状态下，很容易引发电机运行故障。由于受磁力性质影响，永磁电机功率存在恒定属性，且运行效率较高，所以不会产生异步电机运转过电流问题。

2.3 结构简单

在煤矿井下作业中应用永磁直驱电机，无须安装减速器，且运行期间也不会有机械噪声产生，能够最大程度上降低齿轮磨损程度[6]。所以，煤矿井下运输工作不需要润滑处理永磁电机，而且能有效节约永磁电机后续维护成本，简单的结构有助于缩短设备安装与拆卸时间。

2.4 寿命长

与传统电机相比，永磁直驱电机具有较长的使用寿命，因为永磁直驱电机运行过程中很容易受到永磁体磁力影响，只有借助磁力才能够达到传动目的，以对传输带运转产生推动作用，可有效降低材料损耗程度[7]。此外，永磁驱动系统绕组长期运转也不会消耗电阻，能够完全转化为电流能量。与传统电机比较，永磁电机存在较低的消耗率，且使用寿命也相对较长。

2.5 智能控制

所谓智能化控制技术，就是不需要应用矢量控制技术提取与分析各项参数，不需要应用传感器设备，最终合理、有效控制各项参数。智能控制技术是借助变频技术启动装置，使输送带系统能够实现均匀运转。相对传统输送带所用电机来说，有效避免电机启动时输送电流太高而引发过电流冲击问题，使故障发生率有所下降。永磁直驱电机所具有的智能化控制特性，必须选择2 台电机当作驱动设备。2 台电机分别发挥辅助控制和主要控制功能，保证运转传输时的电流参数和功率参数保持一致[8]。充分发挥永磁直驱系统的通信作用，同时开设相应接口，能够实时传输上位机和电机的数据，借助上位机发出相关指令，以集中控制多个传输机设备。

2.6 安全系数高

不同于以往传输带驱动系统，选择智能永磁装置驱动传送带，系统能够转化磁能为机械能，以降低中间传动装置利用率，这样能简化永磁电机驱动结构。根据磁力装置，能够有效规避电流与电压等故障，保证系统能够实现安全运行，且在运行过程中不会出现电压过载与电流冲击故障[9]。

3 永磁电机驱动在煤矿井下带式传输机中的应用

3.1 煤矿概况

我国某煤矿井下运输煤炭配备有槽带式运输机，选择CST 可控软启动装置结合异步电机实现设备驱动，日常工作具有稳定的设备运行状态，然而工作效率比较低。运煤传输设备的每次重启，都会产生大量的电流，在很大程度上冲击着电机，这就提高了电机故障发生率。受以上因素影响，维护成本比较高，且设备能耗也比较大，严重制约着该煤矿的煤炭生产。基于该情况，需要应用永磁技术改造优化煤矿带式输送机，一方面实现煤矿生产效率的提升，另一方面也能降低生产成本与能源消耗[10]。

3.2 永磁电机驱动应用方案

煤矿井下带式传输系统改造阶段如图2 所示，需要拆除在机头位置布置的减速器与异步电机，更换成永磁电机，同时配备配套传输变频器。因为煤矿生产所用可伸缩式输送机的长度在1.4 m 左右，头部采用的是双传动滚筒，并且选择防爆永磁同步变频电动机，根据功率配比1∶1 达到驱动控制目的。煤矿井下传输带运量在2 500 t/h，运距为1 900 m，传输带速度达到3.5 m/s，所选矿用隔爆型永磁电机的功率为400 kW，额定转速设置为66.5 r/min，3 倍的过载倍数，可以达到的防护等级为IP54，同时在机壳中配备智能化筒式水道，通过引入冷水的方式强化电机散热，其效率超过94%。所选变频器也属于矿用隔爆型，是频率为50 Hz的低压交流变频器，可以实时控制电机软停运与软启动，该过程中会产生较小的启动电流，能够提高输送带启动的稳定性，而且还可以实现电机短路与过载等保护功能的充分发挥。将电机固定在输送带底座后，弹簧联轴器与滚筒相连接，同时接通电机变频器。

3.3 启动设置

基于永磁电机驱动的煤矿井下传输系统启动时，必须先对输送带实施预张紧，也就是说，启动前，控制电机输送带在60～70 kN，运行张力控制在40～50 kN。初始化完成后，需要做好自检工作，从而为电机提供电能。启动准备工作完成后，需要提前启动曲线变频器，以有效控制传输带的转矩转速。自0 Hz 慢慢启动，能够有效避免冲击到其他电气部件。选择双驱配置模式，应设置2 台设备为多电机运行，根据一主一从模式运行，再检测各设备输出参数，明确主从设备是否有偏差出现。运算后，重新调整输出功率，以达到同步运行控制目标，使电机运行功率达到自平衡状态。基于煤矿生产需求，日常会反复启动与运行输送带，这就需要与物料用量相结合，实施闭环控制，如果物料量比较大，需要降低运行速度，防止电机超负荷运行，以延长电机设备运行寿命。如果物料量较小，则可适当提升转动速度，保证设备能够实现高效运行。

3.4 性能测试

正式投入使用基于永磁电机驱动的煤矿井下传输系统之前，有必要对其展开性能测试。可在某煤矿的巷道内进行试验，该巷道运段长度为700 m，将高度提高至45 m，后续运段的长度为1 100 m。接线调试工作结束后，确认该井下传输系统正确安装，可先展开直线度检验，保证滚筒、托辊等部件平行度满足传输要求。此外，需要将冷盘制动安装在滚筒一侧的出轴处，和主机制动保持协调性，通过压力表与开关测试指示闸运行状态。

整机运行过程中，应先开展空载试验，检测功率与带速等相关指标是否能通过常规检验，再进行带载测试。通过分析测试结果发现，电机启动具有合理、有效的加速度，可以使滚筒转速自0 缓慢提高到最大值，该过程中所产生冲击振动比较小，可见基于永磁电机驱动的煤矿井下传输系统重载启动性能良好。输送机带速平均在3.45 m/s，与额定值较为接近，驱动装置处于稳定状态的情况下，主副电机功率分别为480、483 kW，两者差值不足5%。

4 应用效果

国内某地的煤矿井下生产中，通过传输机装置运输相关物品，此时煤矿井下生产中，所用驱动装置为异步电机，辅助选择减速装置、滚筒和液力耦合器科学控制输送系统。然而，因为实际应用期间会频繁发生故障，且具有较大的功率消耗，因此以永磁直驱电机系统取代传统动力装置，优化改造了原有动力装置。因为煤矿井下有着极为恶劣的作业环境，煤矿运输可能会污染到永磁电机系统，在很大程度上影响到动力系统，所以，需要先明确永磁电机位置，将永磁电机装置安装在与原有异步电机距离150 m 的位置，拆除原有耦合器等相关元件，将其更换为变频器装置，以合理优化改造驱动系统。

应用永磁电机驱动的煤矿井下传输系统，通过连接带式传输机，再通过胀套连接法有效连接滚筒和电机系统。变频器能够对输送机运转进行直接控制，同时有效保护输送机。运行期间，输送带可依照负载量有效控制传输机运行速度，以达到智能化控制目的。如果煤炭较多，可提高输送带运行速度，如果煤炭较少，则可降低输送带速度。该煤矿井下选择永磁直驱系统，借助永磁电机达到运输带驱动的目的，经过一年的运行，与以往异步电机运行效果相比，对两者应用价值与效果做出比较，同时计算应用成本，根据永磁直驱电机运转16 h/d 的速率计算，电费根据每千瓦时1 元的价格计算，对两者投入成本进行比较，结果见表1、表2。

表1 永磁电机和异步电机驱动传输效率

表2 永磁电机和异步电机驱动传输成本

比较异步电机和永磁电机的成本投入与功率消耗，结果发现，在投入应用永磁电机的一年中，该系统在很大程度上节约了煤矿井下生产成本，同时也显著提高了输送机传动效率。所以，有必要进一步加大研究永磁驱动系统，可将永磁电机当作煤矿井下作业的驱动装置，通过智能化方式控制带式输送带，实现传输效率的提升，节约煤矿井下生产成本。

5 结束语

总而言之，选择永磁电机同步驱动控制煤矿井下带式传输机，可以为传输系统结构的紧凑布局提供重要保障，而且运行控制精度也比较高，可有效解决负载驱动时存在的功率失衡问题，节约系统运行能耗，确保煤矿井下带式传输系统能够保持长时间高效运行。通过分析永磁电机应用效果发现，基于永磁电机驱动的带式传输系统运行性能平稳，且可及时适应煤矿生产环境，所以其应用和发展前景良好。