永磁電機技術在皮帶機驅動系統改造中的應用

鄭 永 孫瑞杰 張玉風

（包頭長安永磁電機有限公司，包頭 014030）

工業生產中，皮帶機是比較普遍采用的物料傳送設備。電動機是皮帶機驅動系統的核心部分。在實際的皮帶機驅動系統中，應用的電動機普遍采用了永磁電機技術。因此，對永磁電機技術進行持續完善和優化，是提高皮帶機驅動系統整體效率和功能的必要選擇。考慮到皮帶機在我國各個應用領域的普及度，優化皮帶機驅動系統中的永磁電機技術非常重要且必要，且對其他領域的永磁電機應用技術完善和發展也有重要價值。

1 電動機系統改造的現實意義

電動機在日常生產生活領域應用廣泛，如應用于水泵、風機、機床、壓縮機等設備，為其提供強大的動力保障[1]。相關統計數據顯示，電動機系統實際用電量占總用電量比重大。目前，我國實際電機耗電量約占社會總用電量的3/4。尤其是工業領域，電機的耗電量達到總用電量的4/5 左右。

電動機在各領域的實際應用中用電占比大。這一方面與電動機的用途廣泛和電動機應用數量大有直接關系；另一方面，這與電動機自身功耗大且轉化效率低有一定關系。以2020 年我國全社會發電量、用電量均超過7 萬億kW·h，其中發電量達到了 7.42 萬億kW·h。按照這一占比，如果電機效率通過優化提升1%，那么將年節約560 多億kW·h 電量。

基于此，針對皮帶傳動系統中永磁電動機工作過程中存在的負載率低和非經濟運行狀態等問題，對永磁電動機系統進行優化改造。通過相關技術改造，提高皮帶電機的轉化效率，在用電量沒有顯著提升的同時，充分改善工作效率。不但能夠節約能源，降低用電成本，而且可以提高電機使用壽命，大幅降低電機檢修維護成本，有助于增加企業經濟效益。

2 永磁電機技術在皮帶機驅動系統中的應用

永磁電機技術是皮帶機驅動系統的核心技術。通過對相關技術進行改造和優化，可以有效提升皮帶機系統的工作效率，降低電耗，提升永磁電機的使用質量。可見，對皮帶機驅動系統中的永磁電機技術進行針對性完善和優化是非常關鍵的電機技術升級措施。

2.1 皮帶機驅動系統中永磁電機技術的概述

通過深入分析皮帶機驅動系統中采用的永磁電機技術，可以充分了解該技術的一般性特點。永磁電機屬于典型的同步直驅系統，整合了永磁同步電動機、伺服矢量控制以及智能控制等比較先進的動力技術，現階段可以將其視為最大功率和轉矩的傳動系統[2]。皮帶機驅動系統采用永磁電機技術，系統中沒有減速機和耦合器，因此可以更加高效、節能。此外，它在噪聲控制、系統免維護以及啟動轉矩等方面表現良好，運行平穩，是皮帶機驅動系統選擇永磁電機作為動力的原因之一。

2.2 永磁電機驅動系統結構及技術特點分析

為對皮帶機驅動系統中的永磁電機技術進行優化和完善，必須先了解皮帶機驅動系統的結構和技術特點，以皮帶機驅動系統結構及技術特點為基礎進行系統分析，確保驅動系統相關技術的改造達到預期目標。

2.2.1 永磁電機驅動系統結構體系

電機驅動系統的結構體系對于電機正常運轉狀態有非常大的影響。通過調整電機驅動系統的結構，可以有效提升電機運轉效率，進而實現優化性能的目的。將傳統電機換成永磁電機，是一個非常合理的選擇。永磁電機的結構體系優勢使得其在正常運轉狀態下可以達到更加穩定高效的工作狀態。下面從其功能結構設置出發對其進行分析。皮帶驅動永磁電機主要包括6 個輔助功能單元，分別為變壓器、進線電抗器、波濾器、濾波電容、直流電容以及輸出電抗器等[3]。永磁電機則包括定子、轉子和端蓋3 大部分。永磁電機之所以稱為永磁電機，是因為電機的轉子整合了永磁體。這些永磁體提供了較高的磁能密度，使得電機的性能參數達到了較高水平。這些永磁體在電機內的裝設結構大體采用內置式、表貼式以及表面嵌入式3 種設計模式。

與其他類型的電機進行比較，永磁電機轉子運轉時不會產生銅耗問題，因此功耗相對減少，功率因數甚至能夠達到近似1 的水平[4]。因為永磁電機舍棄了減速機，電機的傳動效率由此受益能夠達到95%。小電流工作狀態下，起動轉矩仍然可以達到額定值，起動特性優良。從原理來看，永磁電機定子繞組所通入的交流電為三相對稱模式，可以產生高度穩定的旋轉磁場，促使轉子永磁體保持固定位置。在旋轉磁場驅動下轉子轉動，逐漸達到與旋轉磁場一致的轉速。

2.2.2 永磁電機驅動系統技術特點及其優勢

當前我國相當一部分企業采用的皮帶機驅動系統能夠實現的最大傳動效率無法達到70%，所用電動機的能耗水平大多屬于國家三級能耗[5]。通過升級改進，采用永磁電機驅動系統的皮帶機運行效率顯著提高，能耗明顯降低，傳動效率達到93%。從節能和提高經濟效益兩個方面考慮，對皮帶機驅動系統進行技術升級具有可行性。

驅動系統永磁電機實際工作時，啟動主要采取變頻器方式。通過這種方式能夠確保傳動系統啟動勻速緩慢，防止電動機瞬時啟動電流過大對設備造成沖擊，并可以避免轉矩突增導致的機械沖擊，使電機運行的穩定性和電網故障控制達到良好的狀態。從設備角度看，永磁電機驅動系統不需要液力耦合器、減速器以及同步齒輪等容易故障的部件，有利于降低設備成本，減輕運維工作量。

皮帶機驅動系統中引入永磁電機，大多選擇多電機方式進行驅動控制。該設計能夠確保輸出功率達到較高水平的平衡穩定性，以避免因不平衡導致的各種故障問題。

3 永磁電機技術在皮帶機驅動系統中應用的改造分析

某煤礦井下煤炭運輸皮帶機驅動系統因為設備老舊，整體性能下降嚴重，運行效率低下且各種故障多發。為解決上述問題，要通過改造驅動系統，實現系統在能耗和成本控制方面的改善和性能提升。

3.1 某煤礦皮帶機驅動系統存在的問題

某煤礦井下皮帶機系統于2012 年完成裝設，皮帶機工作段長度為1 120 m。該皮帶機驅動系統采用4 臺異步電動機，設計為CST 組合驅動模式。因為整個皮帶機使用時間過長，到了部件故障多發期，帶載能力持續減弱。礦井生產能力持續增加，皮帶機運行的承載能力和穩定性越來越難以滿足生產要求，且常常出現皮帶機過載死機的問題。同時，CST 組合驅動系統的配件越來越少且價格持續升高，皮帶機驅動系統的運維成本增加。鑒于此，煤礦管理層決定對系統進行徹底改造，以推動生產安全和經濟效益能夠達到更好的效果。

3.2 永磁電機技術在皮帶機驅動系統中的優化改造

本文以某煤礦的皮帶機驅動系統改造為對象，通過分析其具體的改造過程，充分理解類似的電機動力系統優化。某煤礦為礦井內的多部運輸皮帶機安裝CST 驅動裝置。這些CST 驅動裝置在當時的技術條件和應用背景下是比較好的選擇，采用減速器和離合器結構控制傳輸裝置的啟停，可以實現皮帶機較為穩定的軟啟動和同步負載控制，也可以達到企業生產需要的起停控制性能。但是，該系統后期運維成本大，故障率高，且隨著使用時間的積累，設備老舊，各方面性能下降明顯。改造前皮帶機驅動系統構成如圖1所示。

2018 年，某煤礦利用永磁電機技術對礦井各部皮帶機驅動系統進行改造。整個改造最大的工作是將普通電機動力系統升級為永磁電機動力系統，通過引入永磁電機，使原系統中不再需要減速器，可以直接從系統中拆除減速器。通過改造引入了工作效率和運行穩定性更高的永磁電機取代普通電機。永磁電機自身的一些優良性能也充分體現在整個皮帶機驅動系統，使得整個系統的運行效能有更好的表現。尤其是永磁電機在電能向機械能的轉化率和工作穩定性等方面，優化效果顯著。改造后皮帶機驅動系統如圖2 所示。經過系統升級，運維成本降低，故障率減小，運行性能進一步提升。

改造過程中，永磁電機安裝于原電機位置，準確測量地腳螺絲孔位置和電機安裝高度，用以設計永磁電機底盤，并確保永磁電機軸對準滾筒中心。永磁電機聯軸器的安裝可以借助脹套，加工脹套需要設置內孔，內孔尺寸保持與傳動軸的配合度，并保留適當的間隙，以輔助安裝聯軸器。考慮到系統采用電平變頻器設計，必須采取有效措施防止諧波的干擾。實際設備改造中，變頻器要保持和永磁電機的適當距離，通常情況下不能大于50 m。此外，要在變頻器輸入輸出端安裝電抗器，用以綜合形成的雜波。

完成整個皮帶機驅動系統的改造后，為確認該改造達到了預期改造目標，需要對該系統進行調試和檢測。只有確認相關性能達到應有的標準，才可以將其應用于實際的生產實際。因此，必須給予上述工作充分的重視，如果發現其整體性能未能達到標準，需要找到導致這一狀況的根本原因，并及時調整設備和參數，以滿足實際需要。電機進行系統調試時，要注意控制和調整永磁電機運轉狀態下的溫度，防止永磁電機過載發生溫度過高的問題。溫度過高會導致永磁電機內的永磁體發生退磁現象，顯著降低電機性能，甚至引發更多故障。

皮帶機傳輸裝置廣泛應用于工業生產尤其是煤礦等領域，完成煤炭的運輸。通過改造皮帶機驅動系統，在永磁電機驅動條件下，使得皮帶機驅動系統的控制更加簡捷，運維管理更加有效。相比傳統驅動模式，永磁電機的工作性能表現優異，同時在運轉穩定性和工作安全性方面狀態良好，有助于提升企業經濟效益。