永磁同步電動機在豎井提升機上的應用

李超穎，楊 安，王 斌

(1．昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051；2．云南錫業集團老廠分公司，云南 個舊 661000)

0 引 言

豎井提升機系統是井下作業的咽喉要道，擔負著井下人員、設備、材料的運輸任務，為保證豎井提升系統安全、高效的運行，對豎井提升機進行更新改造，通過使用目前國內最新的永磁同步變頻電機直驅，達到提高系統的安全、可靠性，提高傳動效率，實現易于操作，減少維修工作量和降低設備運行成本的目的。

1 永磁同步電機

永磁同步電機是由永磁體勵磁產生同步旋轉磁場的同步電機，永磁體作為轉子產生旋轉磁場，當定子側通入三相對稱電流，三相定子電流在空間中產生旋轉磁場，轉子在旋轉磁場中的電磁力作用下運動，永磁同步電動機的定子與普通感應電動機基本相同，采用疊片結構以減小電動機運行時的鐵耗。與普通感應電動機不同的是永磁同步電動機轉子為永磁體磁極，見圖1、圖2。普通感應電動機的轉子磁場是由感應產生勵磁電流而存在，普通感應電動機勵磁電流約為額定電流的三分之一左右。永磁同步電動機轉子是永磁體磁極，不需勵磁電流，也就沒有勵磁電流產生的損耗。因此永磁同步電動機效率高，同時功率因數也高。據統計，永磁同步電動機在額定負載時效率可達95 %以上，永磁同步電動機額定負載時功率因數≥0.98。永磁同步電動機不僅在額定負載時效率較高，而且在25 %～120 %額定負載范圍內維持較高的效率，這是普通感應電動機達不到的。憑借永磁同步電機固有許多優勢，從技術發展的角度來看，永磁同步電機必將成為下一帶驅動電機的主流機型，應用前景無限廣闊。

圖1 永磁同步電動機外形正視圖Fig.1 Front view of PMSM

圖2 永磁同步電動機外形側視圖Fig.2 Side view of PMSM

2 永磁同步電動機變頻調速系統

在礦井提升機傳動上使用的同步電動機變頻調速系統必須是自控變頻調速系統。使用的變頻調速器必須是能驅動永磁同步電動機的變頻器。永磁同步電動機采用了轉子定向的矢量控制方式，必須實時地測出電動機轉子的位置角才能確定dq坐標系。實現對定子電流矢量在交軸分量的控制就能實現對電機電磁轉矩的控制，這就是矢量控制的原理。因此，實時獲取定子電流幅值大小及轉子位置就成了磁場定向控制的關鍵所在。

轉子位置檢測一般用光電編碼器，不同品牌的變頻器要求不同類型的光電編碼器來檢測轉子位置，常用的有2種：①是絕對值式編碼器；②是UVW相位信號的編碼器。絕對值式編碼器有多道光通道刻線，每讀取一道刻線，就獲得1個位置數據，每一個位置的編碼都是唯一的，不需要控制系統根據設置的參考點對位置數據進行校正，也無需記憶數據位置；UVW相位信號的編碼器根據電機運行位置的變化輸出UVW相位信號，該編碼器的每轉周期數要與永磁同步電機的磁極對數一致。

采用何種轉子位置檢測元件，與變頻器的控制策略有關。選擇了變頻器，就要選配與該變頻器控制策略相適應的轉子位置檢測元件。

該項目我們選用帶UVW換向信號(用于永磁電機的絕對位置)的正向/反向增量型編碼器。編碼器輸出波形見圖3。

圖3 編碼器輸出波形圖Fig.3 Encoder output waveform

3 低速直聯提升機系統

提升機械設備傳動系統改造前狀態，見圖4。提升系統設備主要由電機、減速機、提升機、潤滑及液壓系統組成。這種傳動方式存在傳動鏈長效率低、使用維護成本高、故障率高等缺點。

圖4 改造前提升機傳動示意圖Fig.4 Schematic diagram of hoist transmission before transformation

提升機械設備傳動系統改造后狀態見圖5。使用永磁同步電機直接驅動提升機摩擦輪，取締原傳動效率低的電機+減速機組合傳動鏈，永磁同步電機安裝于原減速機基礎之上。改造前后現場對比見圖6。

圖5 改造后提升機傳動示意圖Fig.5 Schematic diagram of hoist transmission after transformation

圖6 改造前后現場對比圖Fig.6 Comparison of the scene before and after the transformation

該傳動系統采用低速直聯永磁同步變頻調速電動機取代直流電動機及減速器，這也是國內采用低速直聯永磁同步電動機傳動的第一個礦井提升機系統，有如下優點。

3.1 永磁同步電動機效率高

(1)由于永磁同步電機的磁場是由轉子上嵌入的永磁體建立的，運行工作時轉子與定子磁場同步，從而取消了勵磁繞組，減少了勵磁系統產生的損耗，也不存在轉子電阻和磁瀉損耗。異步電機電機在輕負荷下工作時，效率和功率因數都會有明顯下降；而永磁同步電機在輕負荷下工作時的效率和功率因數下降甚微。

(2)系統效率高：永磁同步電機可以達到高轉矩低轉速的要求，因此傳動系統可以設計成永磁同步電機驅動的直驅系統，因減少中間傳動環節，從而提高了傳動效率。傳動效率方面改造后使用的永磁同步電機效率為95.3 %，原使用的直流電機效率為81 %，減速器傳動效率為95 %，齒輪聯軸器傳動效率為99.5 %，彈性聯軸器傳動效率為99.5 %。

改造前傳動效率η前=81 %×95 %×99.5 %×99.5 %=76 %；

改造后傳動效率η后=95.3 %×99.5%=95 %；

與改造前對比，效率提高了19 %。

3.2 永磁同步電動機功率因數高

由于永磁同步電機轉子由永磁體勵磁，無感應勵磁電流，定子繞組是阻性負載，所以功率因數可以接近于1，節約了無功功率，減小了定子電流以及輸電線路的損耗，且與電機極數無關。而異步電機隨著極數的增加，功率因數越來越低。

3.3 永磁同步電動機傳動系統結構簡單

(1)永磁電動機與感應電動機定子繞組結構基本相同，區別在于轉子上內嵌了高質量的永磁體磁極，所以電機結構簡單。

(2)由于永磁同步電機的電機極數可制作到120極以上，達到高轉矩低轉速的要求，從而電機可以直接驅動負載，省去噪聲大，損耗高、故障高的減速機，使機械傳動系統設計更為簡單可靠，減少傳動系統的使用空間。

(3)由于永磁同步電機設計電機極數時靈活性高，因此可以設計成多極電機，這樣可以縮短電機無效部分端部的長度，從而減小電機的體積，特別在使用空間上較為緊張的場合，利用其多極數的特點，可以將電機設計成盤式結構，充分體現了永磁同步電機的優勢。

3.4 傳動系統可靠性高

由于永磁同步電機可以直接驅動負載，去掉可靠性不高的減速箱，提高傳動系統的可靠性。

3.5 體積小、溫升范圍小、比功率大

永磁同步電機具有體積小、溫升范圍小、比功率大的優勢，在驅動低轉速大扭矩負載時該優點更為明顯：①是電機極數增多，電機體積可以縮小；②是電機轉子由永磁體勵磁沒有電阻損耗，定子繞組是阻性負載沒有無功電流，所以電機的損耗降低，電機溫升范圍小；③是高性能永磁材料的應用，電機的比功率大，與同容量異步電機相比，永磁同步電機體積有較大的減少。

4 結 語

為保證礦井提升系統安全、高效的運行，對礦井提升機進行更新改造，通過使用目前國內最新的永磁同步變頻電機直驅，達到提高系統的安全、可靠性，提高傳動效率，實現易于操作，減少維修工作量和降低設備運行成本的目的。與普通同功率異步電動機相比，永磁同步電機具有體積小、重量輕、效率高、功率因素高、過載能力強以及轉速恒定、力矩波動小、溫升低、安全可靠、壽命長等一等系列優點。