永磁同步电动机在竖井提升机上的应用

李超颖，杨 安，王 斌

(1．昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051；2．云南锡业集团老厂分公司，云南 个旧 661000)

0 引 言

竖井提升机系统是井下作业的咽喉要道，担负着井下人员、设备、材料的运输任务，为保证竖井提升系统安全、高效的运行，对竖井提升机进行更新改造，通过使用目前国内最新的永磁同步变频电机直驱，达到提高系统的安全、可靠性，提高传动效率，实现易于操作，减少维修工作量和降低设备运行成本的目的。

1 永磁同步电机

永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机，永磁体作为转子产生旋转磁场，当定子侧通入三相对称电流，三相定子电流在空间中产生旋转磁场，转子在旋转磁场中的电磁力作用下运动，永磁同步电动机的定子与普通感应电动机基本相同，采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。与普通感应电动机不同的是永磁同步电动机转子为永磁体磁极，见图1、图2。普通感应电动机的转子磁场是由感应产生励磁电流而存在，普通感应电动机励磁电流约为额定电流的三分之一左右。永磁同步电动机转子是永磁体磁极，不需励磁电流，也就没有励磁电流产生的损耗。因此永磁同步电动机效率高，同时功率因数也高。据统计，永磁同步电动机在额定负载时效率可达95 %以上，永磁同步电动机额定负载时功率因数≥0.98。永磁同步电动机不仅在额定负载时效率较高，而且在25 %～120 %额定负载范围内维持较高的效率，这是普通感应电动机达不到的。凭借永磁同步电机固有许多优势，从技术发展的角度来看，永磁同步电机必将成为下一带驱动电机的主流机型，应用前景无限广阔。

图1 永磁同步电动机外形正视图Fig.1 Front view of PMSM

图2 永磁同步电动机外形侧视图Fig.2 Side view of PMSM

2 永磁同步电动机变频调速系统

在矿井提升机传动上使用的同步电动机变频调速系统必须是自控变频调速系统。使用的变频调速器必须是能驱动永磁同步电动机的变频器。永磁同步电动机采用了转子定向的矢量控制方式，必须实时地测出电动机转子的位置角才能确定dq坐标系。实现对定子电流矢量在交轴分量的控制就能实现对电机电磁转矩的控制，这就是矢量控制的原理。因此，实时获取定子电流幅值大小及转子位置就成了磁场定向控制的关键所在。

转子位置检测一般用光电编码器，不同品牌的变频器要求不同类型的光电编码器来检测转子位置，常用的有2种：①是绝对值式编码器；②是UVW相位信号的编码器。绝对值式编码器有多道光通道刻线，每读取一道刻线，就获得1个位置数据，每一个位置的编码都是唯一的，不需要控制系统根据设置的参考点对位置数据进行校正，也无需记忆数据位置；UVW相位信号的编码器根据电机运行位置的变化输出UVW相位信号，该编码器的每转周期数要与永磁同步电机的磁极对数一致。

采用何种转子位置检测元件，与变频器的控制策略有关。选择了变频器，就要选配与该变频器控制策略相适应的转子位置检测元件。

该项目我们选用带UVW换向信号(用于永磁电机的绝对位置)的正向/反向增量型编码器。编码器输出波形见图3。

图3 编码器输出波形图Fig.3 Encoder output waveform

3 低速直联提升机系统

提升机械设备传动系统改造前状态，见图4。提升系统设备主要由电机、减速机、提升机、润滑及液压系统组成。这种传动方式存在传动链长效率低、使用维护成本高、故障率高等缺点。

图4 改造前提升机传动示意图Fig.4 Schematic diagram of hoist transmission before transformation

提升机械设备传动系统改造后状态见图5。使用永磁同步电机直接驱动提升机摩擦轮，取缔原传动效率低的电机+减速机组合传动链，永磁同步电机安装于原减速机基础之上。改造前后现场对比见图6。

图5 改造后提升机传动示意图Fig.5 Schematic diagram of hoist transmission after transformation

图6 改造前后现场对比图Fig.6 Comparison of the scene before and after the transformation

该传动系统采用低速直联永磁同步变频调速电动机取代直流电动机及减速器，这也是国内采用低速直联永磁同步电动机传动的第一个矿井提升机系统，有如下优点。

3.1 永磁同步电动机效率高

(1)由于永磁同步电机的磁场是由转子上嵌入的永磁体建立的，运行工作时转子与定子磁场同步，从而取消了励磁绕组，减少了励磁系统产生的损耗，也不存在转子电阻和磁泻损耗。异步电机电机在轻负荷下工作时，效率和功率因数都会有明显下降；而永磁同步电机在轻负荷下工作时的效率和功率因数下降甚微。

(2)系统效率高：永磁同步电机可以达到高转矩低转速的要求，因此传动系统可以设计成永磁同步电机驱动的直驱系统，因减少中间传动环节，从而提高了传动效率。传动效率方面改造后使用的永磁同步电机效率为95.3 %，原使用的直流电机效率为81 %，减速器传动效率为95 %，齿轮联轴器传动效率为99.5 %，弹性联轴器传动效率为99.5 %。

改造前传动效率η前=81 %×95 %×99.5 %×99.5 %=76 %；

改造后传动效率η后=95.3 %×99.5%=95 %；

与改造前对比，效率提高了19 %。

3.2 永磁同步电动机功率因数高

由于永磁同步电机转子由永磁体励磁，无感应励磁电流，定子绕组是阻性负载，所以功率因数可以接近于1，节约了无功功率，减小了定子电流以及输电线路的损耗，且与电机极数无关。而异步电机随着极数的增加，功率因数越来越低。

3.3 永磁同步电动机传动系统结构简单

(1)永磁电动机与感应电动机定子绕组结构基本相同，区别在于转子上内嵌了高质量的永磁体磁极，所以电机结构简单。

(2)由于永磁同步电机的电机极数可制作到120极以上，达到高转矩低转速的要求，从而电机可以直接驱动负载，省去噪声大，损耗高、故障高的减速机，使机械传动系统设计更为简单可靠，减少传动系统的使用空间。

(3)由于永磁同步电机设计电机极数时灵活性高，因此可以设计成多极电机，这样可以缩短电机无效部分端部的长度，从而减小电机的体积，特别在使用空间上较为紧张的场合，利用其多极数的特点，可以将电机设计成盘式结构，充分体现了永磁同步电机的优势。

3.4 传动系统可靠性高

由于永磁同步电机可以直接驱动负载，去掉可靠性不高的减速箱，提高传动系统的可靠性。

3.5 体积小、温升范围小、比功率大

永磁同步电机具有体积小、温升范围小、比功率大的优势，在驱动低转速大扭矩负载时该优点更为明显：①是电机极数增多，电机体积可以缩小；②是电机转子由永磁体励磁没有电阻损耗，定子绕组是阻性负载没有无功电流，所以电机的损耗降低，电机温升范围小；③是高性能永磁材料的应用，电机的比功率大，与同容量异步电机相比，永磁同步电机体积有较大的减少。

4 结 语

为保证矿井提升系统安全、高效的运行，对矿井提升机进行更新改造，通过使用目前国内最新的永磁同步变频电机直驱，达到提高系统的安全、可靠性，提高传动效率，实现易于操作，减少维修工作量和降低设备运行成本的目的。与普通同功率异步电动机相比，永磁同步电机具有体积小、重量轻、效率高、功率因素高、过载能力强以及转速恒定、力矩波动小、温升低、安全可靠、寿命长等一等系列优点。