永磁電機驅動在煤礦井下帶式輸送機上的應用

王曉云

（大同煤礦集團臨汾宏大洪崖煤業有限公司 山西臨汾041000）

0 引言

大同煤礦集團臨汾宏大洪崖煤業公司井下一水平3#層主運大巷有三部帶式輸送機，第一部帶式輸送機型號為DSJ80/40/55，第二部帶式輸送機型號為DSJ80/40/55×2，第三部帶式輸送機型號為DSJ80/40/55。其驅動系統均采用傳統的三相異步電動機、液力耦合器、減速器。這種驅動方式的缺點：驅動效率低，啟動不平穩，重載啟動困難等，另外，對減速器、耦合器等部件的日常維護保養以及零部件頻繁更換等，都直接影響了煤炭生產運輸。經多方技術論證，決定采用永磁同步電機與變頻器相結合的驅動系統實現帶式輸送機的運輸，驅動系統去掉了減速器、液力耦合器，輸出轉矩大、啟動平穩，具有高效、節能、低噪音、免維護等優點[1]。

1 永磁電機組成結構

永磁同步電機有永磁式、電勵磁式和磁阻式三種結構形式，其中電勵磁式永磁同步電機，其工作性能主要是通過電刷和滑環引入直流勵磁電流產生驅動功率,在一般大、中型容量同步電機中使用;磁阻式永磁同步電機，其工作性能主要是利用凸極、轉子、磁路的不對稱造成電抗差異來產生磁阻轉矩，從而產生輸出功率。近年來隨著電機永磁新材料的不斷更新換代,永磁電機大都采用有儲能功能的永磁材料作為勵磁來建立電機內部的主磁場。與傳統電機相似，永磁電機也是主要由定子、轉子及機座組成,定子是由鐵芯、繞組、機座三部分組成,鐵芯由0.5 mm的硅鋼片疊壓而成；機座一般由鑄鋼澆注而成,主要用于固定和支撐定子鐵芯。轉子主要由鐵芯、永磁體、轉子支架和轉軸組成,和定子一樣,也是由硅鋼片疊壓在轉軸上,轉子永磁體的布置方式采用內置式，電機端蓋保護永磁電機的兩端。永磁電機組成結構如圖1所示。

圖1永磁電機組成結構示意圖

2 永磁電機工作原理及技術參數

永磁電機定子繞組中通入三相電流后，定子繞組中形成旋轉磁場,電機轉子上固定的永磁體有N、S磁極，根據磁極的同極相斥和異極相吸的原理,在定子中產生的旋轉磁場會帶動轉子進行旋轉,最終達到轉子的旋轉速度與定子中產生的旋轉磁極的轉速相同.從而通過電機中磁場變化轉換成機械能輸出扭矩，滿足功率要求。永磁電機工作原理如圖2所示。

圖2永磁電機工作原理示意圖

永磁電機技術參數：規格型TBVF-55YC、額定電壓660 V、額定功率2×250 kW、額定電流55 A、轉速120 rpm、頻率40 Hz。

3 永磁電機的特性

3.1 啟動轉矩大,過載能力強

傳統三相異步電動機在帶式輸送機負載啟動特性如圖3所示，永磁電機在帶式輸送機負載啟動特性如圖4所示。

圖3傳統異步電機啟動特性圖

圖4永磁電機啟動特性

從圖3圖4可以看出，當帶式輸送機所承受的負荷相同時,異步電機的啟動轉矩通常是額定轉矩的55%,這樣就無法實現帶式輸送機的滿載啟動；而永磁電機的轉矩是額定轉矩的280%,永磁電機可根據帶式輸送機的負載情況進行速度調節,因此過載能力強,能夠實現重載啟動。

3.2 效率和功率因數提高

永磁電機和異步電機效率曲線見圖5，永磁電機和異步電機功率因數曲線見圖6。

圖5永磁電機和異步電機效率曲線

圖6永磁電機和異步電機功率因數曲線

三相異步電機轉子繞組由銅線繞制而成,轉子旋轉產生磁場時發熱，會產生能量消耗;而永磁電機轉子為永磁性材料,不存在發熱消耗能量。當三相異步電機和永磁電機二者在輸出功率與額定功率比值相同的情況下,永磁電機比三相異步電機顯出輸出效率高、功率因數高、啟動電流小、對電網沖擊小等優點。三相異步電機功率因數低、無功電流大,會造成電能資源的浪費，其啟動電流較大,一般為額定電流的5～7倍,容易沖擊電網的其它用電設備。當二者的P2/PN比值在接近1時,效率和功率因數的值為最高,但隨著P2/PN比值的增大,異步電機的效率和功率因數都在不斷減小,而永磁電機的效率和功率因數卻基本趨于恒定。

3.3 永磁電機驅動系統結構緊湊簡單

永磁電機驅動系統甩掉了減速器和液力耦合器,從而不存在檢修齒輪箱，更換潤滑油，沒有傳動齒輪磨損和噪聲，不存在檢修、更換液力耦合器整機和配件，大大減少了設備的保養維護工作，且容易安裝調試。

3.4 永磁電機驅動系統安全可靠使用壽命長

永磁電機運行時,轉子繞組中產生電阻損耗,定子繞組中幾乎不存在無功電流,因此永磁電機溫升低,永磁電機的使用壽命較長；簡化了以三相異步電機、減速機以及液力耦合器相匹配傳統的機械驅動裝置,直接驅動帶式輸送機,無中間傳動環節,因此故障率變低，同時永磁電機系統能夠實現對過壓、過流、欠壓和過熱等各種故障的保護,保障帶式輸送機安全穩定運行[2]。

4 永磁電機驅動系統的應用

2018年5月份同煤集團臨汾宏大洪崖煤業公司對井下一水平3#層主運大巷的三部DSJ80型帶式輸送機驅動系統進行了改造。主運大巷帶式輸送機原驅動系統為異步電機＋液力耦合器＋減速器＋聯軸器＋滾筒,將原來的YBBP280S-4型異步電機更換為TBVF-55YC型永磁電機，甩掉了液力耦合器和減速器，永磁電機通過低速軸聯軸器與帶式輸送機傳動滾筒直聯，由ZJT-110/660礦用隔爆兼本質安全型變頻器控制永磁電機的啟動，實現帶式輸送機的緩慢勻速啟動，避免了異步電機啟動時的瞬間大電流給電網帶來的沖擊，以及轉矩瞬時劇增給傳動系統帶來的機械沖擊，由此降低了系統的電網故障和機械故障。

改造后永磁電機的效率很高，可達95%以上，功率因數最高可達0.99。永磁電機效率、功率因數受負載影響較小，經現場測試，帶式輸送機負載率在20%～120%內可保持極高的效率與功率因數。另外在用電量及電能利用率上有著明顯的改善，普通防爆電機運行時平均電流為63 A，而永磁電機運行時平均電流為10A，每月大約可節約1.67萬度電，每年可節約20.1萬度電，每年大約可節約電費8.5萬元。

5 結語

永磁電機驅動系統作為帶式輸送機的一種新型的驅動方式，具有高效節能的特點，極大地提高了系統運行的可靠性和穩定性,有效地降低了帶式輸送機的能耗和使用成本，給其他煤機裝備驅動方式提供了很好的借鑒。