智能永磁直驅電機在煤礦井下帶式輸送機上的應用

咸 凱

（山西焦煤西山煤電西銘礦多經服務中心，山西 太原 030052）

引言

煤礦井下作業帶式傳輸機采用液力耦合驅動，受電壓影響，在使用過程中經常出現機械故障，長時間的運轉會導致輸送機的減速裝置以及傳動裝置出現一定程度的磨損、啟動困難、輸送過程卡頓。為了簡化輸送流程，實現對輸送機的智能控制，技術部門引進智能永磁直驅電機作為動力系統，故障率明顯降低，傳輸效果顯著。

1 永磁電機應用原理

永磁電機基于磁阻的轉矩功能實現動力輸送，使用永磁材料建立磁場，具有儲能功能。對永磁電機的結構進行分析，其主要由定子、轉子以及端蓋等幾部分組成，在內部擁有相應的鐵芯、繞組等元件，共同實現對定子鐵芯的支撐。轉子由支架以及轉軸等元件構成，主要材料為硅鋼片，端蓋主要作用是保護和固定，實現對永磁電機的結構保護。其在運轉過程中，主要依靠磁場的作用實現對能量的轉化，類屬于電磁裝置。當電機有電流通過之后，會從定子結構中輸入電流，繞組會隨之形成磁場，提供磁力能量，使得轉子發生旋轉。在轉子結構上安裝相應的永磁裝置，由于其磁極具有固定屬性，磁極之間會吸引、排斥，在相互作用下轉子會持續旋轉，直到轉速與磁極轉速一致時，不再繼續增加旋轉力[1]。

2 智能永磁直驅電機應用特點

2.1 轉矩大

永磁電機應用依靠轉矩功能實現對輸送帶的動力控制。具體應用過程中，需要根據應用要求設計轉矩參數，對電機級數以及永磁體安裝數量進行明確，使其可以達到具體的應用標準。永磁電機應用具有強大的過載支撐能力，轉矩參負載能力較強，傳統輸送機處于負荷狀態時，電機啟動，轉矩參數達到原本額定參數的50%左右，無法實現全面負載，但永磁電機的轉矩參數較大，可以達到額定參數的250%以上。操作人員可以應用速度調節功能，實現輸送機對不同質量物質的負載，并可以進行重載啟動，應用具有一定的靈活性。

2.2 功率高

傳統電機結構中的轉子繞組主要應用銅制材料，磁場運轉過程中會消耗一定的熱能，導致能量功率消耗增加，能源浪費嚴重。永磁電機主要應用永磁體作為材料，運轉過程中不會消耗熱能。因此，永磁電機應用具有功率因數高的優勢，尤其是當輸出功率與額定功率一致時，這種效率優勢更加明顯。傳統的電機由于功率較大，功率因數較低，需要在通電之后使用，電機會吸引大量的電流能量，浪費電能，需要更多的電流通過才可以支持輸送機的運轉，在過電流負載情況下，極易引發故障。永磁電機受磁力性質影響，功率具有恒定屬性，效率比較高，不會出現異步電機運轉過程中的過電流情況。

2.3 結構簡單

永磁直驅電機不需要安裝相應的減速機，在運行過程中不會出現機械噪音，齒輪磨損程度降至最低。因此，應用永磁電機無需對其進行潤滑處理，使得后續的維護成本大大降低。簡單的結構使得設備裝置在安裝拆卸上的時間大大縮減。

2.4 壽命長

永磁直驅電機的使用壽命比較長，由于其在運轉期間受永磁體的磁力影響，依靠磁力實現傳動，推動輸送帶運轉，材料損耗程度降至最低。永磁驅動系統中的繞組經過長時間運轉也不會產生電阻消耗，可以實現電流能量的完全轉化。比較傳統的電機而言，永磁電機的消耗率極大程度降低，使用壽命也有所延長。

2.5 智能控制

智能化控制技術是基于無傳感器設備的矢量控制技術應用實現對各項參數的提取以及分析，最終對各項參數進行合理控制。該技術主要應用變頻技術實現對裝置的啟動，確保輸送帶系統運轉過程中的均勻性。比較傳統輸送帶所應用的電機而言，規避了啟動過程中輸送電流過大導致的過電流沖擊問題，降低了故障率。賦予永磁直驅電機系統智能化控制功能，需要使用兩臺電機作為驅動裝置，分別承擔主要控制與輔助控制功能，確保運轉傳輸過程中的電流參數以及功率參數一致性。通過賦予永磁直驅系統通信功能，開設相應的接口，可以實現電機與上位機之間的數據傳輸，通過上位機發控指令，實現對多個傳輸機設備的集中控制[2]。

2.6 安全系數高

與傳統輸送帶的驅動系統不同，以智能永磁裝置作為輸送帶的驅動裝置，系統可以直接將磁能轉化為機械能，減少了中間傳動裝置應用，使得結構更加簡單。依靠磁力裝置，可以實現對電壓、電流等故障的規避，確保系統運行更加安全，運行期間不會產生電流沖擊故障以及電壓過載故障等。

3 智能永磁直驅電機應用實踐效果分析

某地區煤礦井下應用傳輸機裝置實現對相關物品的運輸，主要應用異步電機作為驅動裝置，輔助應用滾筒、液力耦合器以及減速裝置實現對輸送系統的科學控制。但由于在應用過程中經常會出現故障，功率消耗較大，現使用智能永磁直驅系統代替了原本的動力裝置，在原始動力裝置上進行了優化改造。由于煤礦井下作業環境比較惡劣，煤礦運輸等可能會導致永磁電機系統受到污染，使得動力系統受到影響。對永磁電機的位置進行明確，在原本異步電機位置150 m 處安裝永磁電機裝置，并將原本的耦合器等元件拆卸，更換成變頻器裝置，實現對驅動系統的合理改造。

將永磁電機投入使用，將其與帶式傳輸機連接在一起，應用脹套連接方法將電機系統與滾筒連接在一起。變頻器可以直接控制輸送機的運轉，并起到一定的保護作用，在運行過程中，輸送帶可以根據負載量實現對速度的控制，實現智能化控制目標，當煤礦數量較多時，輸送帶運行速度增加，當煤礦量較少時，輸送帶運轉速度降低。

該地區煤礦井下作業應用永磁直驅系統，應用永磁電機驅動，運行200 d，對比傳統的異步電機應用，比較兩者之間的應用效果以及應用價值。對應用成本進行計算，按照永磁直驅電機每天需要運轉16 h，電費按照1 元/度進行計算，對比投入成本，具體內容如表1、表2 所示。

表1 異步電機與永磁電機驅動傳輸效率對比表

表2 異步電機與永磁電機驅動傳輸成本對比表

對比永磁電機與異步電機之間的功率消耗及成本投入，在投入使用的200 d 時間內，永磁直驅系統節省了大量的成本，傳動效率也明顯提升。因此，相關部門需要加大對永磁驅動系統的研究，在煤礦井下作業中推廣并使用永磁電機作為驅動裝置，實現帶式輸送帶的智能化控制，提高傳輸效率，降低傳輸成本。