智能永磁直驱电机在煤矿井下带式输送机上的应用

咸 凯

（山西焦煤西山煤电西铭矿多经服务中心，山西 太原 030052）

引言

煤矿井下作业带式传输机采用液力耦合驱动，受电压影响，在使用过程中经常出现机械故障，长时间的运转会导致输送机的减速装置以及传动装置出现一定程度的磨损、启动困难、输送过程卡顿。为了简化输送流程，实现对输送机的智能控制，技术部门引进智能永磁直驱电机作为动力系统，故障率明显降低，传输效果显著。

1 永磁电机应用原理

永磁电机基于磁阻的转矩功能实现动力输送，使用永磁材料建立磁场，具有储能功能。对永磁电机的结构进行分析，其主要由定子、转子以及端盖等几部分组成，在内部拥有相应的铁芯、绕组等元件，共同实现对定子铁芯的支撑。转子由支架以及转轴等元件构成，主要材料为硅钢片，端盖主要作用是保护和固定，实现对永磁电机的结构保护。其在运转过程中，主要依靠磁场的作用实现对能量的转化，类属于电磁装置。当电机有电流通过之后，会从定子结构中输入电流，绕组会随之形成磁场，提供磁力能量，使得转子发生旋转。在转子结构上安装相应的永磁装置，由于其磁极具有固定属性，磁极之间会吸引、排斥，在相互作用下转子会持续旋转，直到转速与磁极转速一致时，不再继续增加旋转力[1]。

2 智能永磁直驱电机应用特点

2.1 转矩大

永磁电机应用依靠转矩功能实现对输送带的动力控制。具体应用过程中，需要根据应用要求设计转矩参数，对电机级数以及永磁体安装数量进行明确，使其可以达到具体的应用标准。永磁电机应用具有强大的过载支撑能力，转矩参负载能力较强，传统输送机处于负荷状态时，电机启动，转矩参数达到原本额定参数的50%左右，无法实现全面负载，但永磁电机的转矩参数较大，可以达到额定参数的250%以上。操作人员可以应用速度调节功能，实现输送机对不同质量物质的负载，并可以进行重载启动，应用具有一定的灵活性。

2.2 功率高

传统电机结构中的转子绕组主要应用铜制材料，磁场运转过程中会消耗一定的热能，导致能量功率消耗增加，能源浪费严重。永磁电机主要应用永磁体作为材料，运转过程中不会消耗热能。因此，永磁电机应用具有功率因数高的优势，尤其是当输出功率与额定功率一致时，这种效率优势更加明显。传统的电机由于功率较大，功率因数较低，需要在通电之后使用，电机会吸引大量的电流能量，浪费电能，需要更多的电流通过才可以支持输送机的运转，在过电流负载情况下，极易引发故障。永磁电机受磁力性质影响，功率具有恒定属性，效率比较高，不会出现异步电机运转过程中的过电流情况。

2.3 结构简单

永磁直驱电机不需要安装相应的减速机，在运行过程中不会出现机械噪音，齿轮磨损程度降至最低。因此，应用永磁电机无需对其进行润滑处理，使得后续的维护成本大大降低。简单的结构使得设备装置在安装拆卸上的时间大大缩减。

2.4 寿命长

永磁直驱电机的使用寿命比较长，由于其在运转期间受永磁体的磁力影响，依靠磁力实现传动，推动输送带运转，材料损耗程度降至最低。永磁驱动系统中的绕组经过长时间运转也不会产生电阻消耗，可以实现电流能量的完全转化。比较传统的电机而言，永磁电机的消耗率极大程度降低，使用寿命也有所延长。

2.5 智能控制

智能化控制技术是基于无传感器设备的矢量控制技术应用实现对各项参数的提取以及分析，最终对各项参数进行合理控制。该技术主要应用变频技术实现对装置的启动，确保输送带系统运转过程中的均匀性。比较传统输送带所应用的电机而言，规避了启动过程中输送电流过大导致的过电流冲击问题，降低了故障率。赋予永磁直驱电机系统智能化控制功能，需要使用两台电机作为驱动装置，分别承担主要控制与辅助控制功能，确保运转传输过程中的电流参数以及功率参数一致性。通过赋予永磁直驱系统通信功能，开设相应的接口，可以实现电机与上位机之间的数据传输，通过上位机发控指令，实现对多个传输机设备的集中控制[2]。

2.6 安全系数高

与传统输送带的驱动系统不同，以智能永磁装置作为输送带的驱动装置，系统可以直接将磁能转化为机械能，减少了中间传动装置应用，使得结构更加简单。依靠磁力装置，可以实现对电压、电流等故障的规避，确保系统运行更加安全，运行期间不会产生电流冲击故障以及电压过载故障等。

3 智能永磁直驱电机应用实践效果分析

某地区煤矿井下应用传输机装置实现对相关物品的运输，主要应用异步电机作为驱动装置，辅助应用滚筒、液力耦合器以及减速装置实现对输送系统的科学控制。但由于在应用过程中经常会出现故障，功率消耗较大，现使用智能永磁直驱系统代替了原本的动力装置，在原始动力装置上进行了优化改造。由于煤矿井下作业环境比较恶劣，煤矿运输等可能会导致永磁电机系统受到污染，使得动力系统受到影响。对永磁电机的位置进行明确，在原本异步电机位置150 m 处安装永磁电机装置，并将原本的耦合器等元件拆卸，更换成变频器装置，实现对驱动系统的合理改造。

将永磁电机投入使用，将其与带式传输机连接在一起，应用胀套连接方法将电机系统与滚筒连接在一起。变频器可以直接控制输送机的运转，并起到一定的保护作用，在运行过程中，输送带可以根据负载量实现对速度的控制，实现智能化控制目标，当煤矿数量较多时，输送带运行速度增加，当煤矿量较少时，输送带运转速度降低。

该地区煤矿井下作业应用永磁直驱系统，应用永磁电机驱动，运行200 d，对比传统的异步电机应用，比较两者之间的应用效果以及应用价值。对应用成本进行计算，按照永磁直驱电机每天需要运转16 h，电费按照1 元/度进行计算，对比投入成本，具体内容如表1、表2 所示。

表1 异步电机与永磁电机驱动传输效率对比表

表2 异步电机与永磁电机驱动传输成本对比表

对比永磁电机与异步电机之间的功率消耗及成本投入，在投入使用的200 d 时间内，永磁直驱系统节省了大量的成本，传动效率也明显提升。因此，相关部门需要加大对永磁驱动系统的研究，在煤矿井下作业中推广并使用永磁电机作为驱动装置，实现带式输送带的智能化控制，提高传输效率，降低传输成本。