永磁电机在煤矿带式输送机的应用探讨

永磁电机在煤矿带式输送机的应用探讨

宋西帅

山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿 山东济宁  272502 

摘要：传统的煤矿井下作业带式传输机多数采用电机、减速机配液力耦合传动系统驱动，受动力传送环节多的影响，在使用过程中经常出现机械故障，长时间的运转会导致输送机的减速装置以及传动装置出现一定程度的磨损，设备维修量、维护难度及维修成本增加。为了简化动力输送流程，实现对输送机的智能控制和无人值守，阳城煤矿皮带工区引进智能永磁直驱电机作为动力系统，对现用的液力耦合驱动系统进行升级改造，故障率明显降低，传输效果显著。

关键词：永磁电机；煤矿；带式输送机；应用

引言

皮带输送机作为煤矿主要原煤输送设备，采用传统异步电机驱动系统存在启动困难、功耗高,故障率高等问题,严重影响矿井的正常生产秩序。智能永磁直驱系统具有启动转矩大.过载能力强、效率和功率因数高等优点。为保证皮带输送机的稳定运行,采用智能永磁直驱系统替代传统的驱动装置直接驱动皮带输送机,实践效果良好,有效提升了矿井运输系统的生产效率。

1永磁电机结构原理

永磁电机主要包含定子、转子和机座三个部分：①定子包含铁芯、绕组，铁芯采用厚0.5mm硅钢片叠压制成。②转子包含铁芯、永磁体、支架和转轴，采用内置方法进行永磁体布置。③机座采用铸钢浇注，同时电机两端配置端盖，用于支撑和保护内部结构。在通入三相电流后，定制绕组中将产生旋转磁场，固定永磁体将遵循同极相斥、异极相吸原理运动，促使转子旋转，与定子磁极产生相同转速，将磁场能转换为机械能，完成扭矩输出。

较于传统异步电机，相同负荷下永磁电机启动转矩可以达到额定值的280%，并根据负载情况进行转速调节，达到较高过载能力。在驱动控制方面，异步电机需要利用液力耦合器、CST设备等实现软启动和减速控制。永磁电机可以利用高精度速度传感器完成转子绝对位置信号和转速采集，传递至变频控制器中掌握磁极运动状态，通过施加矢量电流实现电机运转控制，如图1所示。无需配备减速器等装备即可实现转速、转矩和功率的平衡控，因此从总体上来看永磁电机结构简单，能够保证设备安全、稳定运行。

图1永磁电机驱动控制原理

2永磁同步电机的设计选型

2.1永磁同步电机的选型计算

电机转速n由公式(1)确定：

n=60v/3.14D  (1)

式中：v为皮带输送机转速；D为驱动滚筒直径。皮带输送机所需驱动转矩r由公式(2)确定：

T=9550KP/n   (2)

式中：K为安全系数；P为轴功率。通过计算，可以得出皮带输送机总体所需转矩，根据驱动电机的数量，计算出单台电机的转矩，然后即可对照永磁电机选型表，选出满足需求的永磁电机的规格。

2.2电气控制系统的选型

永磁同步电动机需配备矿用隔爆兼本质安全型低压交流变频器，该变频器选型依据为变频器额定功率为电机功率的1.2倍左右，同时，还应具备电机温度动态监测功能。

3永磁电机的特性

3.1启动转矩大,过载能力强

传统三相异步电动机在带式输送机负载启动特性如图1所示，永磁电机在带式输送机负载启动特性如图2所示。

图1传统异步电机启动特性图

图2永磁电机启动特性

从图1图2可以看出，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％,这样就无法实现带式输送机的满载启动；而永磁电机的转矩是额定转矩的280％,永磁电机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。

3.2效率和功率因数提高

永磁电机和异步电机效率曲线见图3，永磁电机和异步电机功率因数曲线见图4。

图3永磁电机和异步电机效率曲线

图4永磁电机和异步电机功率因数曲线

三相异步电机转子绕组由铜线绕制而成,转子旋转产生磁场时发热，会产生能量消耗；而永磁电机转子为永磁性材料,不存在发热消耗能量。当三相异步电机和永磁电机二者在输出功率与额定功率比值相同的情况下,永磁电机比三相异步电机显出输出效率高、功率因数高、启动电流小、对电网冲击小等优点。三相异步电机功率因数低、无功电流大,会造成电能资源的浪费，其启动电流较大,一般为额定电流的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时,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。

4永磁电机在煤矿带式输送机的应用

山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿井下应用传输机装置实现对原煤、矸石的运输，主要应用异步电机作为驱动装置，辅助应用滚筒、液力耦合器以及减速装置实现对输送系统的科学控制。但由于在应用过程中经常会出现故障，功率消耗较大，现使用智能永磁直驱系统代替了原本的动力装置，在原始动力装置上进行了优化改造。由于煤矿井下作业环境比较恶劣，煤矿运输等可能会导致永磁电机系统受到污染，使得动力系统受到影响。对永磁电机的位置进行明确，在原本异步电机位置150m处安装永磁电机装置，并将原本的耦合器等元件拆卸，更换成变频器装置，实现对驱动系统的合理改造。

将永磁电机投入使用，将其与带式传输机连接在一起，应用胀套连接方法将电机系统与滚筒连接在一起。变频器可以直接控制输送机的运转，并起到一定的保护作用，在运行过程中，输送带可以根据负载量实现对速度的控制，实现智能化控制目标，当煤矿数量较多时，输送带运行速度增加，当煤矿量较少时，输送带运转速度降低。该地区煤矿井下作业应用永磁直驱系统，应用永磁电机驱动，运行200d，对比传统的异步电机应用，比较两者之间的应用效果以及应用价值。对应用成本进行计算，按照永磁直驱电机每天需要运转16h，电费按照1元/度进行计算，对比投入成本，具体内容如表1、表2所示。

表1异步电机与永磁电机驱动传输效率对比表

表2异步电机与永磁电机驱动传输成本对比表

对比永磁电机与异步电机之间的功率消耗及成本投入，在投入使用的200d时间内，永磁直驱系统节省了大量的成本，传动效率也明显提升。因此，相关部门需要加大对永磁驱动系统的研究，在煤矿井下作业中推广并使用永磁电机作为驱动装置，实现带式输送带的智能化控制，提高传输效率，降低传输成本。

结语

综上，采用永磁电机实现带式输送机的同步驱动控制，能够保证输送系统结构布局紧凑，同时达到较高运行控制精度，解决负载驱动过程中遭遇的功率不平衡等问题，从而有效降低系统运行能耗，保证系统长时间处于高效工作状态。从永磁电机应用效果来看，可以保证性能稳定，能够适用于煤矿井下复杂环境，因此拥有良好发展前景。

参考文献

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