刮板輸送機用永磁驅動部研究

孔 進

寧夏天地奔牛實業集團有限公司 寧夏銀川 750001

驅 動部是刮板輸送機的關鍵部件，可靠和高效的運行是保證刮板輸送機連續運轉和綠色節能的關鍵。常規刮板輸送機的驅動部由異步電動機+聯軸器+罩筒+減速器等組成，整個驅動部懸掛在機頭/機尾架上，電動機與減速器、減速器與機架之間的罩筒變形后，導致減速器漏油、聯軸器損壞等問題。異步電動機啟動電流較大，對前端電力設備要求較高，轉速為 1 485 r/min，存在減速器輸入端軸承和密封線速度較高、易損壞等問題。驅動部存在傳動鏈長、效率較低、故障點較多等問題。永磁同步電動機具有效率高、運行范圍廣、體積小等優點，在煤礦行業應用廣泛。

1 電動機性能比較

筆者以 1 200 kW 刮板輸送機為例，對永磁電動機的驅動部進行研究。常規異步電動機、減速機的驅動部結構如圖1 所示。

圖1 現有刮板輸送機驅動部

異步電動機工作時，轉子繞組有電流流動，該電流以熱能的形式被消耗掉，轉子繞組中產生的熱量使電動機的溫度升高，影響了電動機的使用壽命。

永磁同步電動機由永磁體建立轉子磁場，正常工作時，轉子與定子磁場同步運行，轉子中無感應電流，無轉子電阻損耗，定子繞組中較少有或幾乎不存在無功電流，連續工作時損耗小、發熱量少，延長了電動機的使用壽命。

刮板輸送機正常運轉時負載率為 60%～80%，因負荷不均衡，大部分時間不在額定功率下運行。而異步電動機功率因數和效率最高區域的負載率在 75%～100% 之間，導致異步電動機功率因數低、能耗高。而永磁電動機高效運行工作區間寬，大幅提高了驅動部的整體效率。異步電動機和永磁電動機的負載率與功率因數對比如圖2 所示。

圖2 異步電動機與永磁電機功率因數對比

2 驅動部尺寸邊界

煤礦井下工作面空間的限制決定了采煤機、液壓支架和刮板輸送機之間的配套尺寸。驅動部的最大中心高為 540 mm，在不改變現有配套關系的前提下，最大寬度尺寸為 1 500 mm。常規異步電動機、減速機驅動的刮板輸送機尾斷面如圖3 所示。

圖3 現有機尾配套斷面圖

3 永磁驅動部方案

將轉速為 1 485 r/min 的異步電動機更換為 1 485 r/min 的永磁同步電動機，驅動部結構和配合尺寸不改變，僅提升了電動機的效率。因永磁直驅電動機體積大、質量大，工作面的安裝空間不滿足要求，不能直接應用于刮板輸送機驅動部。以永磁驅動部中心高540 mm，長度尺寸最短為目標，以降低永磁電動機轉速、減少減速器傳動級數為研究思路，調整不同轉速和不同齒輪傳動結構的永磁驅動部方案。

3.1 驅動部的功能和參數

驅動部的主要功能：①正常運轉時，為刮板輸送機提供動力，驅動鏈輪軸組運轉，驅動部輸出轉速約為 40 r/min；②緊鏈運轉時，低速驅動鏈輪軸組運轉，驅動部輸出轉速約為 1 r/min，同時在掐鏈過程中保持制動。

3.2 中速永磁驅動部

永磁驅動部以中心高為 540 mm，即末級行星傳動齒圈的外圓直徑為 1 080 mm，通過齒輪參數設計、速比分配確定了兩級齒輪傳動結構，電動機轉速為900～ 1 000 r/min。該驅動部設計有 2 個動力源，正常工作時采用永磁電動機驅動，緊鏈時采用緊鏈裝置中的液壓馬達驅動；一級太陽輪與電動機輸出花鍵之間設置了聯軸器，通過聯軸器將電動機的輸出軸與太陽輪同軸連接，該聯軸器也是緊鏈裝置的動力輸入齒輪。該聯軸器設計了雙軸承支撐，二級齒輪傳動部分為單獨的腔體，設計了獨立的密封結構。中速永磁驅動部結構如圖4 所示。

圖4 中速永磁驅動部結構

3.3 低速永磁驅動部

末級行星傳動齒圈的外圓直徑為 1 080 mm，通過齒輪參數設計、速比確定一級齒輪傳動的結構，電動機轉速為 250 r/min。該驅動部有 2 個動力源，正常工作時永磁電動機驅動，緊鏈時液壓馬達驅動，太陽輪直接與電動機輸出花鍵連接。低速永磁驅動部結構如圖5 所示。

圖5 低速永磁驅動部結構

3.4 永磁驅動部對比分析

刮板輸送機工況惡劣，在運行中經受較大的交變載荷，按照負載率 80% 的情況，異步電動機效率為85%，永磁電動機效率為 95%，一級齒輪傳動效率為98%，對驅動部整體效率進行估算，不同傳動結構驅動部對比如表1 所列，表中高度尺寸不含緊鏈裝置。

表1 驅動部對比

異步電動機驅動部由電動機、減速器、聯軸器等部件組成，部件相互獨立，雖然傳動效率較低但具有維護便利等優點，將異步電動機更換為永磁電動機后，效率提升了 11%。中速永磁驅動部將聯軸器集成在減速器殼體內部，較現有驅動部效率提升 11.4%，寬度方向超過 1 500 mm，需要對機頭和機尾處與液壓支架配套關系進行微調，但在長度方向縮短了 2 490 mm，增大了機頭、機尾的空間。低速永磁驅動部的電動機輸出軸與太陽輪直接連接，驅動部效率提升了11.6%。低速永磁驅動部存在以下問題：①如果電動機的密封失效，齒輪油進入電動機內部，導致電動機燒損；②齒輪減速部分的熱量直接傳遞給電動機；③水冷裝置的空間有限。

永磁驅動部采用變頻器制動電動機，省去了緊鏈器的布置空間，驅動部的軸向長度可以縮短 (100～200 mm)，傳動結構簡單，但是存在緊鏈制動時突發斷電帶來的鏈輪軸組轉動的風險。中速永磁驅動部去掉聯軸器，借鑒低速永磁驅動部太陽輪直接和電動機輸出軸連接的結構，可縮短軸向長度，但低速永磁驅動部的問題仍存在。

綜上所述，中速永磁驅動部較異步電動機驅動部效率提升了 11.4%，長度縮短了 2 490 mm，且功率因數提升，無功損耗減小。齒輪傳動與電動機有單獨的密封，互不干擾，緊鏈時由液壓馬達驅動，并有機械制動保護，操作安全，也可采用機械制動的變頻驅動緊鏈，去掉液壓馬達，簡化傳動鏈。因此，中速永磁驅動部是合理的驅動方案。

4 結語

將電動機、變頻器、齒輪傳動集成是刮板輸送機驅動部的發展趨勢，筆者以 1 200 kW 永磁驅動部為研究對象，對異步電動機和永磁同步電動機的驅動效率進行了對比分析，結合驅動部尺寸邊界條件，對高速、中速、低速永磁驅動部的結構進行了比較。從可靠性、整體效率、配套尺寸、操作安全等多個方面對永磁驅動部的優缺點進行了分析，確定了刮板輸送機中速永磁驅動部方案，具有一定的推廣和借鑒意義