郭變棠

(汾西礦業(yè)集團(tuán) 設(shè)備修造廠，山西 晉中 032000)

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

永磁直驅(qū)電機(jī)在運(yùn)輸巷皮帶機(jī)上的應(yīng)用

郭變棠

(汾西礦業(yè)集團(tuán) 設(shè)備修造廠，山西 晉中 032000)

汾西礦業(yè)集團(tuán)公司南關(guān)煤業(yè)井下運(yùn)輸巷狹窄，常規(guī)運(yùn)輸巷皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置故障多，結(jié)合永磁同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)高、效率高等特點(diǎn)，將無齒輪永磁同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于該礦常規(guī)運(yùn)輸巷DSJ100/63/2×160皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)部位，將皮帶機(jī)改造為變頻調(diào)速永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的皮帶機(jī)。系統(tǒng)改造后，具有高效節(jié)能、免維修、體積小、啟動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)，為該集團(tuán)系列皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的改造積累了經(jīng)驗(yàn)。

永磁直驅(qū)電機(jī)；帶式輸送機(jī)；驅(qū)動(dòng)裝置；減速器；液力耦合器

永磁直驅(qū)技術(shù)是一種由永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的新式傳動(dòng)技術(shù)，亦稱無齒傳動(dòng)系統(tǒng)。這種無齒傳動(dòng)系統(tǒng)采用永磁直驅(qū)電機(jī)與負(fù)載傳動(dòng)軸直接連接的方式，免去了齒輪箱這一傳統(tǒng)部件。目前，煤礦井下復(fù)雜環(huán)境運(yùn)輸系統(tǒng)中，減速器齒輪箱容易過載，損壞率較高，并且井下設(shè)備安裝空間狹小，使用復(fù)雜而且結(jié)構(gòu)龐大的齒輪方式傳動(dòng)的系統(tǒng)維修與維護(hù)極不方便。而采用無齒輪箱的直驅(qū)方式能有效地減少由于齒輪箱磨損而造成的機(jī)組故障，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和壽命，減少維護(hù)成本，因而越來越受到礦井運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)注[1].

汾西礦業(yè)南關(guān)煤業(yè)井下地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，運(yùn)輸巷道空間狹小，煤層結(jié)構(gòu)較為松軟，特別是綜采工作面運(yùn)輸巷道。為使井下作業(yè)安裝便捷并減輕日后的維護(hù)難度，帶式輸送機(jī)的傳動(dòng)裝置應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小。汾西礦業(yè)集團(tuán)DSJ100/63/2×160可伸縮帶式輸送機(jī)首次成功改造應(yīng)用永磁直驅(qū)技術(shù)，為后期同等需求永磁直驅(qū)條件的設(shè)備提供了參考。

1 常規(guī)傳動(dòng)系統(tǒng)

帶式輸送機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)為整個(gè)輸送機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，DSJ100/63/2×160可伸縮帶式輸送機(jī)常規(guī)設(shè)計(jì)方案中，傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力部分是由2臺(tái)160 kW的Y型鼠籠電機(jī)組成，并且整個(gè)傳動(dòng)裝置布置在設(shè)備的輸送機(jī)機(jī)頭卸載裝置部位。帶式輸送機(jī)常規(guī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖見圖1.

圖1 帶式輸送機(jī)常規(guī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

該礦運(yùn)輸巷選用的DSJ100/63/2×160可伸縮帶式輸送機(jī)的機(jī)頭卸載裝置與傳動(dòng)裝置為常規(guī)設(shè)計(jì)，常規(guī)傳動(dòng)系統(tǒng)是由安裝在驅(qū)動(dòng)架上的Y系列鼠籠型電機(jī)、高速聯(lián)軸器、減速器、低速聯(lián)軸器、制動(dòng)器等2套驅(qū)動(dòng)裝置組成。

2 永磁直驅(qū)系統(tǒng)

永磁直驅(qū)技術(shù)中的關(guān)鍵執(zhí)行部件永磁直驅(qū)電機(jī)的設(shè)計(jì)是基于成熟的異步電機(jī)和同步電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)。新型的永磁直驅(qū)電機(jī)采用了高效的永磁材料替代了鼠籠轉(zhuǎn)子，有機(jī)地結(jié)合了傳統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)，使得電機(jī)配合變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與負(fù)載間無變速裝置的傳動(dòng)形式[2].

永磁直驅(qū)式DSJ100/63/2×160可伸縮式帶式輸送機(jī)示意圖見圖2，永磁直驅(qū)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)實(shí)物圖見圖3. 利用變頻器控制的永磁直驅(qū)礦用防爆電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒代替常規(guī)方案中復(fù)雜的傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)。

圖2 永磁直驅(qū)電機(jī)帶式輸送機(jī)示意圖

圖3 永磁直驅(qū)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)實(shí)物圖

3 兩種驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的對(duì)比

3.1 簡(jiǎn)化了機(jī)頭架的設(shè)計(jì)與安裝

新式永磁直驅(qū)系統(tǒng)與常規(guī)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)比，利用變頻器與永磁直驅(qū)電機(jī)取代了常規(guī)設(shè)計(jì)方案中復(fù)雜的Y型鼠籠電機(jī)聯(lián)接高速聯(lián)軸器，再通過多級(jí)減速器聯(lián)接低速聯(lián)軸器將傳動(dòng)力矩傳遞給帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒，并去除了常規(guī)方案中需要安裝液力耦合器的結(jié)構(gòu)[3].

永磁直驅(qū)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了機(jī)頭驅(qū)動(dòng)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將復(fù)雜的框架支撐連接結(jié)構(gòu)改為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且空間相對(duì)縮小的三角架結(jié)構(gòu)，永磁直驅(qū)系統(tǒng)三角架驅(qū)動(dòng)圖見圖4. 永磁直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置所采用簡(jiǎn)化后的三角架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了原結(jié)構(gòu)的框架支撐。雙驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)稱安裝在三角支撐架上，無需結(jié)構(gòu)復(fù)雜的框架式結(jié)構(gòu)，使驅(qū)動(dòng)滾筒的安裝結(jié)構(gòu)與安裝空間得到優(yōu)化，便于驅(qū)動(dòng)裝置以及機(jī)頭其它設(shè)施的安裝與維修。同時(shí)省去了減速器、液力耦合器等結(jié)構(gòu)，使機(jī)頭可操作空間比常規(guī)方案設(shè)計(jì)的空間更大，有利于巷道窄小空間下的安裝。因此，永磁直驅(qū)方案機(jī)頭傳動(dòng)空間布置更加適應(yīng)南關(guān)煤業(yè)工作面運(yùn)輸巷道空間狹小的布置。

圖4 永磁直驅(qū)系統(tǒng)三角驅(qū)動(dòng)架示意圖

3.2 軟啟動(dòng)減弱了啟動(dòng)沖擊

帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸機(jī)構(gòu)為輸送帶，而且輸送帶為遠(yuǎn)距離輸送，因此帶式輸送機(jī)無論在運(yùn)輸還是靜止都儲(chǔ)存了極大的彈性勢(shì)能。若帶式輸送機(jī)啟動(dòng)過快或沖擊較大，勢(shì)能短時(shí)間爆發(fā)極易造成事故。

永磁直驅(qū)電機(jī)直接用柱銷聯(lián)軸器與皮帶機(jī)傳動(dòng)滾筒進(jìn)行聯(lián)接，驅(qū)動(dòng)裝置使用無齒輪永磁電機(jī)和ZJT-250/660 V型礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻調(diào)速裝置。直接用變頻器控制永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，去掉了減速器、液力耦合器，既簡(jiǎn)化了傳動(dòng)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)又實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)裝置的軟啟動(dòng)。同時(shí)變頻器可實(shí)現(xiàn)整雙驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)間的功率平衡，使雙驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置啟動(dòng)平穩(wěn)，帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)受到的驅(qū)動(dòng)力矩較為平穩(wěn)并緩慢過度，有效釋放了輸送帶儲(chǔ)存的勢(shì)能[4].

3.3 降低了維修難度

永磁直驅(qū)式帶式輸送機(jī)的卸載傳動(dòng)裝置在常規(guī)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行改型，結(jié)構(gòu)更合理。傳動(dòng)裝置的布置與聯(lián)接占用空間都得到有效縮小，使設(shè)備的安裝更加方便，在安裝強(qiáng)度提高的基礎(chǔ)上，更適用于井下工作。

采用直接驅(qū)動(dòng)方式只需檢查維修電機(jī)、變頻器以及聯(lián)軸器，無需維修液力耦合器、減速器和齒輪等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，節(jié)省了井下維修工序，降低了維修難度，并且給維修人員提供了更大的操作空間。

3.4 減少了輸送機(jī)的功率損耗

永磁直驅(qū)式DSJ100/63/2×160可伸縮帶式輸送機(jī)采用永磁直驅(qū)技術(shù)，直接使用變頻器控制永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，去掉了常規(guī)設(shè)計(jì)方案中的減速器、液力耦合器等部件，使整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高效、節(jié)能的特點(diǎn)。

在異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，啟動(dòng)不平穩(wěn)，重載啟動(dòng)困難，直接影響著驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體效率。而且使用異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶輸送機(jī)在工頻下運(yùn)行時(shí)，絕大部分不是滿載運(yùn)行，極易造成電能的浪費(fèi)。而采用永磁同步電動(dòng)機(jī)后，定子結(jié)構(gòu)中加入稀土永磁體，無需勵(lì)磁電流，在整個(gè)過程中電機(jī)功率的應(yīng)用達(dá)到93%以上，大大節(jié)約了電能。

同時(shí)永磁直驅(qū)電機(jī)由永磁變頻裝置直接驅(qū)動(dòng)，永磁變頻裝置能夠更加智能地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的功率平衡，特別是在DSJ100/63/2×160可伸縮帶式輸送機(jī)采用雙驅(qū)動(dòng)模式下，能夠使雙驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率平衡達(dá)到5%以內(nèi)，避免了由于電機(jī)功率不平衡造成的輸送機(jī)受力不均衡和電機(jī)功率的浪費(fèi)[5].

3.5 社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益

1) 永磁直驅(qū)電機(jī)具有高效、節(jié)能、低噪音、免維護(hù)、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大與運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)。

2) 直接使用低速聯(lián)軸器聯(lián)接永磁電機(jī)和傳動(dòng)滾筒，驅(qū)動(dòng)裝置安裝簡(jiǎn)易，維護(hù)方便。

3) 由于取消減速器、液力耦合器，每臺(tái)皮帶機(jī)可節(jié)約20萬元左右；在使用過程中提高了傳遞效率，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

4 永磁直驅(qū)帶式輸送機(jī)的展望

永磁電機(jī)是傳動(dòng)方式的革命，但很多方面仍需要進(jìn)一步探索。比如如何解決低轉(zhuǎn)速條件下電機(jī)的散熱、扭矩不夠以及永磁材料消磁等問題。汾西礦業(yè)集團(tuán)設(shè)計(jì)生產(chǎn)DSJ100/63/2×160可伸縮式帶式輸送機(jī)后，又相繼設(shè)計(jì)生產(chǎn)出永磁直驅(qū)DSJ100/80/2×200帶式輸送機(jī)。永磁直驅(qū)帶式輸送機(jī)在皮帶機(jī)上的成功使用為該集團(tuán)同類皮帶機(jī)的改造積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)束語

此次改造將無齒輪永磁同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用到皮帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)部位，即驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由變頻器和永磁同步電動(dòng)機(jī)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞，因?yàn)槿サ魷p速器、液力耦合器，系統(tǒng)改造后具有高效、節(jié)能、低噪音、免維護(hù)、輸出轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕等特點(diǎn)，為汾西礦業(yè)集團(tuán)公司系列皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的改造積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

[1] 李文濤.變頻調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)在皮帶機(jī)上的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù),2014(13)：31-33.

[2] 陳 榮.永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京：中國水利水電出版社，2009：21-27.

[3] 呂秀實(shí).基于DSP的永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].沈陽：東北大學(xué)，2010：7-13.

[4] 俞 浩.基于dsPIC的三相異步電動(dòng)機(jī)智能軟起動(dòng)器的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007：9-19.

[5] 孫福祥.淺析永磁同步電機(jī)控制策略[J].電子世界,2014(18)：162-163.

Application of Permanent Magnet Direct Drive Motor on Transportation Roadway Belt Conveyor

GUO Biantang

Due to the narrowness of underground roadway and the condition that the conventional transportation lane belt conveyor breaks down a lot in Nanguan coalmine of Fenxi mining group company, the conventional belt conveyor DSJ100/63/2×160 is replaced into belt conveyor which is driven by frequency control permanent magnet motor with high power factor and high efficiency. The restoration engineering puts the permanent magnet synchronous motor into drive parts of the belt, whose driving system is realized by the combination of frequency converter and permanent magnet synchronous motor. The system has the characters of high efficiency, energy saving, maintenance free, small in size smooth start and so on, it accumulates experience for similar belt conveyor transformation work in Fenxi mining group company.

Permanent magnetic direct drive electrical machine; Belt conveyor; Actuating device; Reducer; Hydraulic couplers

2016-08-08

郭變棠(1977—)，女，山西平遙人，1997年畢業(yè)于山西省電子工業(yè)學(xué)校，工程師，主要從事煤礦機(jī)電方面的工作

(E-mail)289680575@qq.com

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1672-0652(2016)09-0044-03