永磁驱动技术在工矿设备中应用现状及分析.pdf

359 科学管理 2020年第6期 1 概述 近年来，随着新型永磁材料磁性能及热稳定性的 提高，加之材料价格趋于合理化，永磁电机得到了迅 猛发展。基于永磁电动机高效率区间宽，功率因数高 的特点，永磁驱动技术的推广应用可有效降低能耗。 据相关资料，通常在重量基本相同的情况下，中小 型永磁同步电动机相比普通异步电机，效率可提高 5～10，结合负载特性优化设计的永磁电动机，综 合节电率可达25以上。本文主要对工矿设备常用的 几种变频永磁驱动系统的型式、产品结构及优势，进 行简要分析。 2 目前，永磁驱动应用于煤矿设备的变频系统主 要有如下几类 2.1 变频器供电的永磁直驱系统 变频驱动的永磁直驱系统由高低压防爆变频器和 低速大扭矩永磁同步电机组成，两者完全独立，由此 组成的驱动系统来直接驱动负载，永磁同步电动机的 额定转速一般30～150r/min，此类驱动系统目前应用最 为广泛。 2.2 永磁直驱变频一体机驱动系统 变频永磁直驱一体机驱动系统也是由变频控制单 元和低速大扭矩永磁同步电机组成，两者融为了一 体，变频器放置在永磁电动机的机壳的侧面或上端。 2.3 半直驱变频驱动系统 该永磁驱动系统由变频器和永磁减速电机组成， 永磁减速电机由中速永磁同步电动机（转速150～300r/ min）和一级（或两级）行星减速装置组成，两者通过 螺栓连接，减速装置一般采用行星轮系，速比一般在 3.0～5.5之间。 3 煤矿设备配备永磁驱动系统的应用情况 主要对已经成功应用或存在永磁驱动技术应用趋 势和可能性的设备加以介绍。 3.1 带式输送机用变频器供电的永磁直驱系统 带式输送机在煤矿输煤系统中用量最大，设备配 套用电动机的数量也是最多的。传统的带式输送机驱 动系统一般由防爆三相异步电动机、机械或电气软启 动装置、减速单元三部分组成，驱动系统的中间传动 效率损失大，很难实现重载起动，系统维护量较大。 带式输送机上应用最多的永磁驱动系统为变频器 供电的永磁同步电机直驱系统，如图1所示。永磁同步 电动机与驱动滚筒直接连接，实现动力的直接传递， 驱动系统组成简单，传动效率高。 1-低速大扭矩永磁同步电机；2-联轴器（低速）；3-滚筒 图1 带式输送机用永磁直驱系统连接示意图 主要有如下优点 1）通过变频控制，可以修改永磁电机的启动曲 线，适应于带式输送机的运行工况； 2）针对多点驱动的输送机，可以通过主从控制， 实现多个驱动点的功率平衡； 3）永磁同步电动机启动转矩可设计为额定转矩的 2.0倍以上，重载启动性能优良； 4）利用永磁同步电动机高效率范围宽、功率因素 高的特性，输送机输煤量不均匀时，可长时保证电动 机处于高效率状态，综合节能率不低于20。 3.3 刮板机输送机用永磁驱动系统 传统的刮板输送机驱动由最早采用的“单速电机 液力耦合器”模式，发展到当前最为常见的采用YBSD 型隔爆型双速电机驱动结构。刮板输送机对驱动单元 的要求主要有以下几点 1）高启动转矩，一般要克服启动过程中的阻力矩 为满载转矩的1.3～1.8倍，双机驱动时的功率不平衡因 素也要予以考虑；双速电机驱动的刮板输送机，启动 时利用电机的低速档，以实现高启动转矩。 2）外形尺寸不宜过大，电动机的安装中心高度不 宜大于机头链轮的中心高度； 3）电动机应能满足频繁启停的要求，一般要求 160kW以下小时空载启动次数不少于75次，400kW以 下小时空载启动次数不少于50次，855kW以下小时空 载启动次数不少于25次。 变频器供电的永磁驱动系统目前在刮板输送机上 还没有成熟的应用，但部分产品已出现在试验阶段， 永磁驱动技术在工矿设备中应用现状及分析 雷锦红 西山煤电东曲煤矿 山西 太原 030200 摘要主要对工矿设备常用的几种变频永磁驱动系统的型式、产品结构及优势，进行了简要分析。此外，对已经使用 了永磁驱动技术的煤矿设备、工业设备的各组成单元及应用的优缺点进行了分析；最后提出了变频永磁驱动技术存在的问 题，简述了变频永磁驱动技术的发展趋势。 关键词矿业 变频驱动 永磁电机 应用分析 科学管理 360 2020年第6期 由于刮板机链轮的转速一般比较低（50r/min），虽适 宜采用低速大扭矩永磁电机进行直驱，但由于狭小空 间限制，而会优先采用带减速装置的半直驱变频永磁 驱动系统，如图2所示。 1-带行星减速装置的变频永磁同步电机；2-链轮 图2 刮板输送机用永磁同步减速电机驱动连接示意图 采用永磁驱动系统主要有如下优点 1）中间减速装置的传动级数由传统的3～4级减少 为1级，可靠性得以提高； 2）永磁同步电机额定转速设计范围100～150r/ min，启动转矩可设计为额定转矩的2.0倍及以上，可 实现刮板输送机的重变载启动，且启动电流远小于传 统异步电动机工频启动数值； 3）电气保护齐全，有效避免认为的违章操作引起 的电动机烧毁的情况。 3.4 提升机用永磁驱动系统 本文针对现矿井普遍使用的一种典型提升机，其 驱动布置如图3所示，对其占地面积比较大，组成单元 多，设备维护量大等突出问题。现提出一种永磁内装 式提升机的模型如图4，供探讨与改进应用。 1-提升机卷筒；2-减速箱；3-异步电动机 图3 传统提升机驱动布置 1-提升机卷筒；2-永磁体；3-永磁同步电动机定子 图4 永磁内装式提升机 永磁内装式提升机是将外转子永磁直驱电机装配 于提升机卷筒内部。永磁电机的定子通过支架套装在 提升机的主轴上，卷筒的内壁安装永磁体，作为永磁 电机的转子，通过转子的旋转实现提升与下放动作。 该类型的提升机，结构简单紧凑，基本免维护，是当 前永磁驱动型提升机的主要发展方向。 4 存在的问题 近年来，随着变频控制技术的发展，设计手段的 不断提高，永磁同步电动机已经得到了广泛的推广与 应用，但是永磁驱动技术仍存在诸多的问题，有待于 更深入地研究和探索。 永磁材料的不可逆退磁及热稳定性问题。设计或 选型不当，使用环境的强振动、高温等因素，都会带 来永磁材料的退磁。因此，需要进一步研究开发热稳 定性更高的永磁材料，同时，对各种不同结构型式的 抗去磁能力应做更加深入的分析。 控制技术的问题。受限于高压防爆变频器的发 展，目前在煤矿井下应用的永磁驱动系统，电压等级 均为3.3kV及以下。高压变频器的发展主要受限于IGBT 等高耐压大电流电力电子器件的发展，变频器在开关 频率、载流能力、耐压等级、散热等方面有所提升均 取决于功率器件的发展。除此之外，还须通过优化控 制算法、改变整流方式、优化拓扑结构，来降低变频 器对电网的污染，进一步提高供电电网的可靠性。 5 结束语 随着永磁材料的不断发展及变频控制技术的日趋 完善，变频永磁驱动技术的推广使用将更加广泛。对 煤炭行业而言，变频器供电的永磁电机直驱系统必将 成为煤矿设备动力驱动系统的主流提供者，也必将会 带来部分设备颠覆性的结构变革，永磁驱动系统正向 着专业化、高性能化、轻型化、智能化的方向高质量 发展。 参考文献 [1] 郝亚锋 . 田占元， 邓增社 . 直驱永磁电动机在煤矿的 应用 [J]. 煤矿机电， 2013（4） 106-107. [2] 巩剑波 . 变频调速永磁电机在皮带运输机上的应用 [J]. 山西焦煤科技， 2011（12） 11-13. 作者简介 雷锦红，（1972-） 男， 民族 汉， 籍贯 山西省平遥县， 学 历 大学本科在读 ； 研究方向 机电工程。