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(神火煤業(yè)有限公司 梁北選煤廠，河南 禹州 461670)

永磁同步電機較早應(yīng)用于軍事和航空航天領(lǐng)域，用來構(gòu)成高精度的調(diào)速、伺服系統(tǒng)，如衛(wèi)星姿態(tài)控制、導彈測試用轉(zhuǎn)臺等；稍后被應(yīng)用于工業(yè)加工領(lǐng)域，用作高性能機床的驅(qū)動。隨著永磁材料的發(fā)展，計算機輔助設(shè)計技術(shù)的進步，以及控制技術(shù)和驅(qū)動電路等技術(shù)的進步，永磁同步電機的性能有了很大的提高。近年來由于環(huán)境問題，各個領(lǐng)域?qū)﹄姍C的效率和節(jié)能的要求逐漸提高。除了環(huán)境問題，高性能永磁材料的發(fā)展及成本的減少也促進了永磁同步電機的應(yīng)用。因其功率因素高、效率高等特點，某些場所永磁同步電機已逐步取代交流異步電機。梁北選煤廠應(yīng)用永磁同步電動滾筒對傳統(tǒng)帶式輸送機驅(qū)動方式優(yōu)化改造，將永磁技術(shù)拓展到應(yīng)用廣泛的帶式輸送機上，為帶式輸送機應(yīng)用行業(yè)提供了借鑒實例。

1 帶式輸送機使用現(xiàn)狀及存在問題

1.1 帶式輸送機使用現(xiàn)狀

帶式輸送機設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，由傳動滾筒、改向滾筒、托輥或無托輥部件、驅(qū)動裝置和輸送帶等幾大件組成，僅有10余種部件，能進行標準化生產(chǎn)，并可按需要進行組合裝配。膠帶具有抗磨、耐酸堿、耐油和阻燃等各種性能、可按需進行制造，可運送各種散料、塊料、化學品、各種生熟料等。綜合分析認為，帶式輸送機具有輸送能力適應(yīng)范圍廣、連續(xù)運輸、卸料方便、操縱簡單、運行可靠、維修方便等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于煤礦及選煤廠、火電廠、冶金、水泥、碼頭、化工、糧食等行業(yè)[1]。

1.2 目前帶式輸送機存在的主要問題

一是帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)的電機功率通常按照使用工況的最大載荷選取的，而帶式輸送實際使用負載率一般都在30%～70%之間，大多存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象。異步電機性能曲線如圖1、圖2所示，異步電機在負載率低于0.7時，其效率和功率因數(shù)下降十分明顯，異步電機實際負載時效率都在0.7～0.9 之間，沒有處在最佳的運行工況，帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)效率低，從而造成能源浪費[2]。

圖1 永磁電機和異步電機效率與負載率的關(guān)系曲線

圖2 永磁電機和異步電機功率因數(shù)隨負載率的關(guān)系曲線

二是帶式輸送機普遍采取的還是“異步電動機+液力耦合器(或聯(lián)軸器)+減速器+聯(lián)軸器+驅(qū)動滾筒”的敞開式布置方式，這種方式雖然布置靈活，故障易檢測，但環(huán)節(jié)多、效率低、占用空間大，減速器、液壓聯(lián)軸節(jié)的工況不佳，設(shè)備事故率高，維護費用高，同時檢修后對安裝工藝要求高，尤其是日常減速機零配件更換，聯(lián)軸器找正時，檢修時間長，勞動強度大，各個旋轉(zhuǎn)部件剛性同心度無法保證，導致設(shè)備噪音和軸承磨損問題嚴重。

三是控制方式簡單，保護不可靠，燒電機事故多，起動轉(zhuǎn)矩小，重載難以起動，一旦遇到停電等情況，需要人工卸料，輕載啟動后再將物料裝上，費工費力，影響生產(chǎn)。

2 永磁直驅(qū)系統(tǒng)

永磁直驅(qū)系統(tǒng)由永磁同步電動機和變頻控制器組成。其核心是永磁同步電動機，由定子、轉(zhuǎn)子和端蓋等部件構(gòu)成，定子與普通感應(yīng)電動機基本相同，也采用疊片結(jié)構(gòu)以減小電動機運行時的鐵耗，轉(zhuǎn)子鐵芯可以做成實心的，也可以用疊片疊壓而成，永磁體安放在轉(zhuǎn)子上，經(jīng)過預先磁化(充磁)以后，不再需要外加能量就能在其周圍空間建立磁場。與感應(yīng)電動機相比，永磁同步電動機不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因素，減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定運行時沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，進而可以因總損耗降低而減小風扇(小容量電機甚至可以去掉風扇)和相應(yīng)的風摩損耗，從而使其效率比同規(guī)格感應(yīng)電動機可提高2～8個百分點。而且永磁同步電動機在25%～120%額定負載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因素，使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著。永磁同步電機參數(shù)，特別是功率因素，不受電機極數(shù)的影響，便于設(shè)計成多級電機，這樣對于傳統(tǒng)需要通過減速箱來驅(qū)動負載的電機，可以做成直接用永磁同步電機驅(qū)動，從而省去減速箱、聯(lián)軸器等中間機械，提高傳動效率。

永磁電機采用變頻控制器啟動，啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小，可以實現(xiàn)永磁同步電機的軟啟動，避免了由電網(wǎng)直接全壓啟動時電流過大對負載設(shè)備和電網(wǎng)的不利影響。啟動時，其峰值扭矩能達到額定扭矩2倍，解決了設(shè)備重載啟動的難題。其運行時，扭矩輸出平穩(wěn)，保證了設(shè)備運行穩(wěn)定[3-10]。

3 梁北選煤廠矸石帶式輸送機改造

矸石帶式輸送機各項技術(shù)參數(shù)見表1，改造前驅(qū)動方式如圖3所示，為“異步感應(yīng)電動機+聯(lián)軸器+減速機+聯(lián)軸器+滾筒”，改造采用永磁同步電動滾筒直接替代原來的傳動系統(tǒng)，該方案將電動滾筒占用空間小、連接方式簡單、整機吊裝、無需現(xiàn)場裝配、無需現(xiàn)場調(diào)整間隙及對正、整機更換工藝要求不高、安裝快捷等優(yōu)勢與永磁直驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、體積小、質(zhì)量輕、損耗少、效率高、啟動轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點相結(jié)合，不僅提高了設(shè)備的運行效率，降低了維護成本，而且基本實現(xiàn)了免維護。改造后帶式輸送機驅(qū)動方式如圖4所示。

表1 矸石帯式輸送機技術(shù)參數(shù)

圖3 改造前矸石帯式輸送機驅(qū)動方式

圖4 改造后矸石帯式輸送機驅(qū)動方式

4 改造前后對比

4.1 能耗對比

改造后重載實測電流由之前的20A降至14A，輕載電流由15A降至10A。改造前后根據(jù)實際輕載和重載實測電流不同對驅(qū)動系統(tǒng)耗能進行對比見表2。

表2 改造前后矸石帯式輸送機耗能對比

輕載時輸入功率差為3.92kW，重載時輸入功率差為3.86kW，由于實際生產(chǎn)過程產(chǎn)品產(chǎn)量不穩(wěn)定，按照輕重載平均功率差計，按一年生產(chǎn)330d，每天16h計算，年可節(jié)約電量(3.92+3.86)/2×16×330=20539kW·h，按照工業(yè)電費0.6元/(kW·h)計，則每年可為企業(yè)節(jié)省電費1.23萬元。

4.2 維護費用對比。

采用永磁同步電動滾筒使帶式輸送機基本實現(xiàn)免維護，原異步感應(yīng)電機+減速機驅(qū)動系統(tǒng)，每兩個月需要更換一次聯(lián)軸銷，骨架油封每四個月更換一次，減速機更換潤滑油每三個月?lián)Q油一次，加上軸承故障等損壞，每年需維護費用約2萬元。

4.3 現(xiàn)場運行對比

改造后矸石帶式輸送機機頭驅(qū)動運行平穩(wěn)，噪音低，采用噪聲儀檢測現(xiàn)場噪音較改造前下降10dB。

永磁同步變頻滾筒采用水冷方式，設(shè)備運行溫度低。內(nèi)置定子測溫元件，并與變頻控制系統(tǒng)閉環(huán)，實現(xiàn)過溫報警和超溫停機功能，有效保護電機，避免電機溫升過高造成線圈損壞和永磁體去磁。

4.4 投資費用對比

改造前傳統(tǒng)傳動方式為“異步感應(yīng)電機+減速機+滾筒”，整套設(shè)備費用約為62500元，改造后傳動方式為“永磁同步電動滾筒+變頻控制器”，整套設(shè)備費用約80000元。永磁同步電動滾筒雖投資略大，但從后期維護和使用成本來說，仍然更為節(jié)省。

5 結(jié) 語

永磁同步電動滾筒作為永磁電機的一種，在梁北選煤廠的實際應(yīng)用取得了成功，目前運行平穩(wěn)，在小功率設(shè)備上節(jié)電和免維護效果達到預期，在大功率帶式輸送機上的應(yīng)用效果將更加可觀。隨著我國科技水平的發(fā)展，帶式輸送機也在不斷的創(chuàng)新和發(fā)展，比如，超遠距離運輸、拐角裝置的應(yīng)用、全封閉膠帶的使用等，而國家對產(chǎn)品能耗要求標準的提高，促進了帶式輸送機驅(qū)動方式的革新，尤其在變頻控制、高效電機的推廣應(yīng)用等方面，發(fā)展非?？欤来磐诫姍C技術(shù)隨著我國高性能的稀土永磁材料實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，釹鐵硼的價格也趨向合理，正向超高速、高轉(zhuǎn)矩、大功率、微型化、高功能化方向發(fā)展，其性能優(yōu)勢也逐步凸顯，電機品種和應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴展，應(yīng)用前景非常樂觀。