張 磊，鮑久圣，葛世榮，楊小林，陰 妍，鮑周洋

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083；3.北京百正創(chuàng)源科技有限公司，北京 100089）

0 引 言

在我國大力發(fā)展煤礦智能化建設(shè)的背景下，礦山裝備的高效智能驅(qū)動成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一［1］。 目前，在礦山裝備領(lǐng)域，包括采掘裝備的截割部、帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)以及礦井提升機(jī)等運(yùn)輸裝備的驅(qū)動系統(tǒng)，仍然普遍采用交流異步電機(jī)驅(qū)動技術(shù)。 為了應(yīng)對低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的運(yùn)行工況，交流異步電機(jī)與負(fù)載之間必須連接減速裝置。 因此，在設(shè)計選型時，需要較大的功率富裕量來應(yīng)對礦山裝備重載啟動過程大轉(zhuǎn)矩的需求，電機(jī)經(jīng)常處于低效率高能耗下運(yùn)行，其調(diào)速特性差，智能化程度低［2］，不僅影響了煤炭的開采效率，還造成了嚴(yán)重的電能浪費(fèi)。

永磁同步電機(jī)是一種利用稀土永磁體勵磁的同步電機(jī)，永磁體充磁后能夠產(chǎn)生永久磁場，無需勵磁電流，因此可以大幅提高功率因數(shù)［3］，傳動效率與負(fù)載率也更高，因而永磁驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用可以節(jié)約大量電能。 同時，永磁電機(jī)中電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上的永磁體建立的氣隙磁密對氣隙的變化并不敏感，能夠產(chǎn)生低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的輸出效果，也可以滿足大啟動轉(zhuǎn)矩的需求，因此十分適合用礦井采掘與運(yùn)輸設(shè)備驅(qū)動系統(tǒng)所處的重載啟動與低速運(yùn)行的工況。 此外，我國作為稀土儲量世界第一的國家在永磁驅(qū)動領(lǐng)域更具有得天獨(dú)厚的發(fā)展條件。 雖然，永磁電機(jī)具有以上的優(yōu)點(diǎn)，但因礦山裝備多運(yùn)行在重載、潮濕、隔爆等嚴(yán)苛工況下運(yùn)行，而釹鐵硼材料的永磁體工作溫度要求小于150 ℃，受溫度影響較大，可耐更高溫度的稀土鈷永磁體材料價格又比較高昂，因此在過去永磁電機(jī)在礦山裝備中的實(shí)際使用極少。

近年來，電力電子技術(shù)的進(jìn)步以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用有力地推動了大功率永磁電機(jī)的發(fā)展，進(jìn)而使永磁驅(qū)動技術(shù)在航空航天、交通運(yùn)輸、風(fēng)力發(fā)電等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用［4］，也為永磁驅(qū)動技術(shù)在礦山裝備領(lǐng)域的發(fā)展帶來了廣闊的研究前景。 筆者首先介紹了永磁驅(qū)動技術(shù)中使用率最高的永磁同步電機(jī)、永磁無刷直流電機(jī)以及永磁直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其變頻調(diào)速方式，著重分析了永磁驅(qū)動技術(shù)在礦井采掘裝備、運(yùn)輸與提升裝備等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后總結(jié)了礦山裝備領(lǐng)域永磁驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展方向。

1 永磁驅(qū)動技術(shù)

永磁電機(jī)的分類如圖1 所示［5］，根據(jù)驅(qū)動形式的不同可分為永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)與永磁直線電機(jī)，永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)根據(jù)供電形式的不同進(jìn)一步可劃分為永磁同步電機(jī)、永磁直流電機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)。 而永磁驅(qū)動技術(shù)是一種利用永磁電機(jī)驅(qū)動負(fù)載工作的牽引技術(shù)，目前使用率最高的永磁驅(qū)動電機(jī)類型有：永磁同步電機(jī)、永磁無刷直流電機(jī)與永磁直線電機(jī)。根據(jù)永磁電機(jī)與負(fù)載之間是否連接減速裝置，可分為永磁直驅(qū)與永磁半直驅(qū)兩類驅(qū)動系統(tǒng)。

圖1 永磁電機(jī)分類Fig.1 Classification of permanent magnet motors

1.1 永磁同步電機(jī)特點(diǎn)及應(yīng)用

交流異步電機(jī)又可稱為感應(yīng)電機(jī)，其工作原理為定子繞組在通三相交流電后產(chǎn)生三相旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子繞組在旋轉(zhuǎn)磁場作用產(chǎn)生感應(yīng)電流最終產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。 交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)如圖2a 與圖2b，按繞組結(jié)構(gòu)的不同可分為籠式繞組以及繞線式繞組，繞組線圈為電感元件，存在能量轉(zhuǎn)換過程，在工作過程中會向電網(wǎng)吸收無功功率，因而功率因數(shù)較低，電能不能充分利用。

圖2 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.2 Rotor structure of PMSM

在工作原理與結(jié)構(gòu)上與交流異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)采用高性能稀土等永磁材料作為轉(zhuǎn)子上的永磁體，不需要勵磁繞組，電磁轉(zhuǎn)矩直接來源于定子繞組通電勵磁后與永磁體相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子無繞組結(jié)構(gòu)，因此不存在線圈繞組銅損，提高了電機(jī)效率，同時使電機(jī)溫度上升緩慢，也提高了電機(jī)的使用壽命。 此外，永磁體建立的氣隙磁密對氣隙的變化并不敏感，因此可以通過增加極數(shù)來增加永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，在極數(shù)增加的同時電機(jī)軸半徑也會增加，從而實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩傳動。

永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2c 與圖2d 所示，按照永磁體在轉(zhuǎn)子上布置方式不同分為表面式（SPM）與內(nèi)置式（IPM）。 由圖2e 與圖2f 可知，SPM 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體貼于轉(zhuǎn)子鐵心的表面并與空氣直接接觸，因永磁體磁導(dǎo)率與空氣磁導(dǎo)率接近，故可認(rèn)為d軸電感約等于q軸電感，即凸極率為1，無凸極效應(yīng)和磁阻轉(zhuǎn)矩。 而IPM 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體嵌于轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，與SPM 式的相比，永磁體外表面與氣隙之間受到了鐵磁物質(zhì)的極靴的保護(hù)［6］，不容易退磁，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更加牢靠。 此外，IPM 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體d軸電感要大于q軸電感，存在轉(zhuǎn)子d軸、q軸不對稱的凸極效應(yīng)所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，有利于提高電動機(jī)的過載能力與功率密度，恒功率運(yùn)行范圍也越大。 因此，IPM 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)更適合在礦山極端工況下運(yùn)行。

為克服永磁同步電機(jī)啟動過程轉(zhuǎn)子慣性，使電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動力矩克服電磁排斥力，早期的永磁同步電機(jī)多采用如圖2g 所示的異步啟動永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，即在電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心上安裝有籠式繞組電機(jī)中常使用的籠式繞組導(dǎo)條，使永磁同步電機(jī)在啟動過程利用異步電機(jī)啟動的優(yōu)勢完成啟動。 當(dāng)永磁電機(jī)三相繞組產(chǎn)生的交變磁場與永磁體磁場的磁極實(shí)現(xiàn)互鎖后，再切換為同步電機(jī)工作模式。 隨著現(xiàn)代電氣傳動控制技術(shù)的發(fā)展，利用大功率變頻器來實(shí)現(xiàn)變頻啟動的調(diào)速型永磁同步電機(jī)在使用率上已占主導(dǎo)地位，其不僅可以簡化電機(jī)結(jié)構(gòu)，同時變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制精度與響應(yīng)速度也更適于礦山運(yùn)行工況。

基于以上的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過變頻調(diào)速后的大功率永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)能很好地滿足低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩負(fù)載的運(yùn)行工況［7］。 例如，ABB 公司將自行研制的38 MW 永磁同步電機(jī)用于艦艇的推進(jìn)系統(tǒng)；中車株洲研制出了時速400 km 的高鐵用TQ800 永磁同步電機(jī)以及兆瓦級永磁半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 在礦山裝備領(lǐng)域，永磁同步電機(jī)同樣不僅可應(yīng)用于低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行工況的采掘機(jī)械截割部、帶式輸送機(jī)與刮板輸送機(jī)等，還可以作為直驅(qū)電機(jī)用于井下齒軌機(jī)車［8］。

1.2 永磁無刷直流電機(jī)特點(diǎn)及應(yīng)用

由圖1 可知永磁直流電機(jī)按照結(jié)構(gòu)中是否存在電刷裝置可分為永磁有刷直流電機(jī)以及永磁無刷直流電機(jī)。 因永磁無刷電機(jī)取消了傳統(tǒng)直流電機(jī)的電刷裝置，結(jié)構(gòu)更為簡單，成本更低，因此目前正在各行業(yè)逐步取代傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)。

永磁無刷直流電機(jī)在工作原理上與永磁同步電機(jī)基本一致，區(qū)別在于永磁無刷直流電機(jī)是直流電供電，無需整流與濾波電路。 在電機(jī)結(jié)構(gòu)上，永磁無刷直流電機(jī)多采用如圖2c 所示的SPM 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，雖然其永磁體直接暴露于氣隙磁場中，容易造成永磁體退磁。 但其采用了霍爾位置傳感器，只需準(zhǔn)確控制電流換向點(diǎn)就可以保證電機(jī)正常運(yùn)行，控制精度更高，工作壽命更長，現(xiàn)廣泛應(yīng)用在儀器儀表、航空航天、醫(yī)療器械等高精密小功率設(shè)備上［9］。

永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動大負(fù)載設(shè)備時，需將供電系統(tǒng)的交流電轉(zhuǎn)化為直流電后才能供其使用，與傳統(tǒng)交流電機(jī)相比，相同功率的電機(jī)所需的體積更大。 因此，若用永磁無刷直流電機(jī)在井下狹小空間中驅(qū)動大功率的設(shè)備所產(chǎn)生的成本太高且效率低下，但因其取消了電刷與換向器等電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，所以其更適合運(yùn)用于井下中小型移動式設(shè)備上。 例如可作為啟動電機(jī)、輪轂電機(jī)運(yùn)用在井下蓄電池及混合動力無軌膠輪車［10］等輔助運(yùn)輸車輛上。

1.3 永磁直線電機(jī)特點(diǎn)及應(yīng)用

永磁直線電機(jī)在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于永磁同步電機(jī)沿徑向展開的形式，定子繞組為永磁直線電機(jī)的初級，永磁體轉(zhuǎn)子為永磁直線電機(jī)的次級，初級與次級之間存在氣隙磁場，在電磁感應(yīng)的作用下驅(qū)動負(fù)載進(jìn)行直線運(yùn)動，且傳動不需要中間轉(zhuǎn)換裝置。 它既具有永磁體勵磁的特點(diǎn)，又保留了直線電機(jī)的優(yōu)勢，具有傳動效率高、結(jié)構(gòu)簡單、磨損小、精度高等優(yōu)點(diǎn)，適用于軌道運(yùn)輸與垂直提升領(lǐng)域。

目前，永磁直線電機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于軌道運(yùn)輸領(lǐng)域。例如，長沙地鐵一號線［11］使用的永磁地鐵與上海高速磁懸浮列車運(yùn)輸系統(tǒng)均已到達(dá)世界先進(jìn)水平。MAGNEMOTION［12］將永磁直線垂直驅(qū)動技術(shù)在軍事上進(jìn)行了應(yīng)用。 在礦山裝備領(lǐng)域，鮑久圣［13］提出了利用永磁直線電機(jī)與永磁同步來驅(qū)動井下軌道運(yùn)輸車輛，該種驅(qū)動方式提升了礦用電機(jī)車運(yùn)輸效率與爬坡能力，非常適合于短距離重載運(yùn)輸。 基于以上的優(yōu)勢與技術(shù)積累，永磁直線電機(jī)在井下軌道運(yùn)輸系統(tǒng)與礦井提升機(jī)中將會有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1.4 永磁電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)及應(yīng)用

在永磁驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域，目前使用最多的開環(huán)變頻調(diào)速方式是恒壓頻比控制變頻調(diào)速。

礦山大功率恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載多采用恒壓頻比控制方式。 如式（1）所示，在保證磁通一定的前提下，通過成比例控制三相交流電的電壓和頻率可到達(dá)變頻調(diào)速與軟啟動的目的。 但該種控制方式無法對相位進(jìn)行控制，是一種開環(huán)控制方式，不適合采掘機(jī)械、刮板輸送機(jī)這一類負(fù)載經(jīng)常會發(fā)生突變的設(shè)備使用，現(xiàn)多用于井下風(fēng)機(jī)水泵、礦井提升機(jī)等恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載設(shè)備。

恒壓頻比控制原理公式：

式中：φ為電機(jī)磁通量，Wb；E為定子繞組感應(yīng)電動勢，V；f為供電頻率，Hz。

通過閉環(huán)變頻調(diào)速的方式可對負(fù)載的變化實(shí)時調(diào)控，目前最常用的閉環(huán)調(diào)速方式有兩種：矢量控制變頻調(diào)速（FOC）、直接轉(zhuǎn)矩（DTC）控制變頻調(diào)速。矢量控制是一種跟蹤與解耦的控制方式，通過Clark 與Park 坐標(biāo)變化將三相旋轉(zhuǎn)交流電近似轉(zhuǎn)換模擬為d軸與q軸兩相直流電，實(shí)現(xiàn)對永磁電機(jī)多變量系統(tǒng)的解耦。 以轉(zhuǎn)子磁極位置為基準(zhǔn)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的d－q坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)了定子電流跟蹤轉(zhuǎn)子磁極位置，通過對d軸產(chǎn)生的勵磁分量與q軸產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩分量單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)對永磁電機(jī)的高效調(diào)節(jié)。

如圖3 和圖4 所示，設(shè)定永磁電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速值nr＝6 m／s，當(dāng)機(jī)械負(fù)載在第3 秒處發(fā)生突變增大時，永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速值會降低且小于設(shè)定值nr，矢量控制模型會以該差值為系統(tǒng)輸入量，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩PI與電流PI 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)后，產(chǎn)生需要增大的q軸需求電流，再經(jīng)過電流PI 環(huán)調(diào)節(jié)后產(chǎn)生所需的q軸電壓Uq以及d軸電壓Ud；在基礎(chǔ)上通過Park 逆變換模塊將Ud與Uq轉(zhuǎn)換為α－β坐標(biāo)系下的α軸電壓Uα與β軸電壓Uβ，再經(jīng)由SVPWM 調(diào)制與逆變器這2 個模塊使永磁同步電機(jī)實(shí)時輸出所需的三相電流iA、iB與iC；最后通過Clark 與Park 坐標(biāo)模塊變化使永磁電機(jī)的q軸電流iq增加至15 A，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到設(shè)定值，體現(xiàn)了良好的動態(tài)特性。

圖3 雙閉環(huán)矢量控制模型Fig.3 Double closed loop vector control model

圖4 負(fù)載突變時永磁電機(jī)輸出三相電流與轉(zhuǎn)速變化Fig.4 Change of output three－phase current and speed of PMSM under sudden load change

為簡化矢量控制的計算與調(diào)節(jié)過程，20 世紀(jì)80年代國外學(xué)者又提出了直接轉(zhuǎn)矩控制，該控制方法與矢量控制的最大區(qū)別是其采用了定子磁通定向技術(shù)，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。 通過實(shí)時檢測永磁電機(jī)定子電流與電壓，并對轉(zhuǎn)矩與磁鏈的幅值直接計算，經(jīng)過滯環(huán)調(diào)節(jié)后對電機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，是一種十分先進(jìn)的變頻控制方式，在三相異步電機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)與刮板輸送機(jī)中廣泛使用；但因其僅采用離散滯環(huán)調(diào)節(jié)的控制，無法達(dá)到矢量控制的控制效果，存在轉(zhuǎn)矩脈動與大沖擊電流，在礦山裝備永磁驅(qū)動領(lǐng)域僅有理論研究尚無實(shí)際應(yīng)用。

目前，除帶式輸送機(jī)以外，關(guān)于其他礦山裝備的永磁驅(qū)動技術(shù)研究在國內(nèi)仍停留在理論與試驗(yàn)階段，而國外主要集中于控制方法的研究。 例如，MATSUKI［14］對于永磁電機(jī)傳統(tǒng)的恒壓頻比控制方法提出了一種基于n－t坐標(biāo)系的高效控制方法；PREINDL［15］對永磁電機(jī)DTC 控制方法提供了一種新型預(yù)測模型以滿足多種轉(zhuǎn)矩工況的需求，但國外在礦山裝備領(lǐng)域鮮有研究。

2 礦井采掘裝備永磁驅(qū)動技術(shù)現(xiàn)狀

目前，在采掘裝備上永磁驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用研究主要集中于采煤機(jī)與掘進(jìn)機(jī)的截割部。 長期以來，采掘裝備截割部驅(qū)動系統(tǒng)均由交流異步電機(jī)＋多級減速裝置構(gòu)成，但在該驅(qū)動方式下的截割電機(jī)多為電壓等級3 300 V 交流異步電機(jī)，且裝機(jī)功率超過1 000 kW，而該電壓等級與裝機(jī)功率下的變頻器體積太大，采煤機(jī)已無空間安裝，因此無法根據(jù)負(fù)載實(shí)現(xiàn)截割變頻調(diào)速，造成電能大量浪費(fèi)。 而異步電機(jī)啟動電流過大，還會給電網(wǎng)帶來很大沖擊，影響礦井其他設(shè)備的安全運(yùn)行。

在永磁驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域，中國礦業(yè)大學(xué)李威課題組［16－17］提出了基于新型滑膜觀測器的無傳感器控制策略與自抗擾容錯控制策略，可以對采煤機(jī)截割部的永磁同步電機(jī)進(jìn)行智能控制以降低其故障率；葛世榮［18］提出了一種采用萬向聯(lián)軸器傳動的采煤機(jī)搖臂裝置，如圖5 所示。 該裝置將永磁同步電機(jī)與一級行星齒輪減速器由萬向軸聯(lián)軸器連接，取消了惰輪傳動組，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割滾筒的長距離、低速大轉(zhuǎn)矩傳遞的功能。 2017 年，晉煤集團(tuán)趙俊杰［19］將雙滾筒采煤機(jī)的下裝煤滾筒換裝為250 kW 永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，這是永磁同步電機(jī)在采煤機(jī)上的首次應(yīng)用試驗(yàn)。

圖5 萬向軸連接式采煤機(jī)截割部Fig.5 Shearer cutting part connected by cardan shaft

因采掘裝備運(yùn)行工況惡劣，截割部處于變化沖擊載荷下，若采用永磁直驅(qū)系統(tǒng)將截割滾筒與永磁電機(jī)通過聯(lián)軸器直接連接，截割過程產(chǎn)生的波動會直接沖擊永磁電機(jī)，帶來電機(jī)溫度過熱、永磁體退磁與運(yùn)行不穩(wěn)定等問題，將會大幅度降低電機(jī)壽命?；谝陨蠁栴}，若將永磁同步電機(jī)與多級行星齒輪減速器內(nèi)置于同一箱體內(nèi)來進(jìn)一步提高傳動比，則既可以充分利用永磁同步電機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩的特性使采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)高效截割，又能夠保證電機(jī)運(yùn)行的可靠性與壽命，同時半直驅(qū)系統(tǒng)節(jié)省出的空間也可以縮小搖臂長度，減輕采煤機(jī)整機(jī)重量，降低了生產(chǎn)成本。 因此，由永磁同步電機(jī)＋內(nèi)置行星齒輪減速器組成的永磁半直驅(qū)系統(tǒng)將會是采掘裝備現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)永磁驅(qū)動一種可行方式。

3 礦山運(yùn)輸裝備永磁驅(qū)動技術(shù)現(xiàn)狀

礦山運(yùn)輸裝備永磁驅(qū)動技術(shù)的研究現(xiàn)主要集中于帶式輸送機(jī)與刮板輸送機(jī)兩類設(shè)備。

3.1 帶式輸送機(jī)永磁驅(qū)動技術(shù)

帶式輸送機(jī)是一種利用膠帶與滾筒間產(chǎn)生的摩擦牽引力來運(yùn)輸煤炭與散料的機(jī)械設(shè)備，與刮板輸送機(jī)的鏈傳動相比，其在動力不足時會發(fā)生打滑現(xiàn)象，電機(jī)不會因?yàn)檫\(yùn)輸載荷過大而發(fā)生堵轉(zhuǎn)，使得溫度過高，最終導(dǎo)致永磁體退磁失效或電機(jī)停機(jī)燒毀。

因此，由于帶式輸送機(jī)采用帶傳動而在驅(qū)動原理上而為電機(jī)帶來的自我保護(hù)特性，其能夠減小永磁體發(fā)生退磁的概率進(jìn)而保證電機(jī)處在高效、穩(wěn)定與可靠的運(yùn)行區(qū)間運(yùn)行且十分適合于帶式輸送機(jī)運(yùn)輸物料所處的低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行工況。 所以，永磁驅(qū)動帶式輸送機(jī)已經(jīng)在多個煤礦得到實(shí)際應(yīng)用。 例如，MASOUDINEJAD 等［20］提出了一種實(shí)時監(jiān)測運(yùn)輸負(fù)載調(diào)節(jié)永磁驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速來降低能耗的方法；楊小林等［21］提出了永磁直驅(qū)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)如圖6 所示，兩側(cè)永磁直驅(qū)電機(jī)與驅(qū)動滾筒直接連接，在單側(cè)發(fā)生故障后，在變頻器控制下另一側(cè)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩減速工作，保持了運(yùn)輸系統(tǒng)的連續(xù)性。

圖6 帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)［21］Fig.6 Permanent magnet direct driving system for belt conveyor［21］

現(xiàn)有的帶式輸送機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)與張緊機(jī)構(gòu)一般采用獨(dú)立的控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)性差，張緊過程存在著滯后性。 在帶式輸送機(jī)采用永磁直驅(qū)的基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步利用永磁驅(qū)動技術(shù)對其張緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，通過對驅(qū)動與張緊的協(xié)同控制可以實(shí)現(xiàn)全永磁智能驅(qū)動。 中國礦業(yè)大學(xué)與北京百正創(chuàng)源公司提出的基于永磁同步電機(jī)的智能直驅(qū)與張緊一體化系統(tǒng)如圖7 所示，采用機(jī)頭與機(jī)身中部多電機(jī)多點(diǎn)驅(qū)動方式，驅(qū)動系統(tǒng)與張緊系統(tǒng)均采用永磁同步電動機(jī)作為動力源，共用一套綜合控制系統(tǒng)，已成功應(yīng)用于鄂爾多斯昊華精煤高家梁礦［22］等多家煤礦。

圖7 帶式輸送機(jī)智能直驅(qū)與張緊一體化系統(tǒng)Fig.7 Integrated system of intelligent direct drive and tension for belt conveyor

如圖8 所示，綜合控制系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測各傳動滾筒的轉(zhuǎn)速，并與速度控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行校驗(yàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速5%時即判定為發(fā)生打滑，系統(tǒng)立刻啟動打滑抑制控制策略，減小打滑滾筒驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，同時自動調(diào)節(jié)張緊系統(tǒng)的張緊力，從而有效防止膠帶打滑事故的發(fā)生［23］。

圖8 帶式輸送機(jī)全永磁驅(qū)動系統(tǒng)防打滑控制策略Fig.8 Anti－slip control strategy of belt conveyor full permanent magnet driving system

基于以上優(yōu)勢，張磊［24］利用MATLAB／Simulink 搭建了集“永磁直驅(qū)＋永磁張緊＋協(xié)同控制”于一體的全永磁驅(qū)動帶式輸送機(jī)機(jī)－電耦合動力學(xué)模型并通過井下試驗(yàn)驗(yàn)證了全永磁驅(qū)動帶式輸送機(jī)不僅可實(shí)現(xiàn)智能驅(qū)動與張緊，還可以大幅度縮減耗電量，將會是未來帶式輸送機(jī)驅(qū)動技術(shù)的重要發(fā)展方向。 在此基礎(chǔ)上，郝建偉等［25］提出的自抗擾同步控制策略可進(jìn)一步提高帶式輸送機(jī)的抗干擾能力、控制精度和同步性，更有利于多電機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

3.2 刮板輸送機(jī)永磁驅(qū)動技術(shù)

刮板輸送機(jī)作為采煤機(jī)運(yùn)行的軌道與工作面煤炭運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備，其驅(qū)動部分多采用TTT 技術(shù)、CST 技術(shù)以及異步電機(jī)變頻驅(qū)動技術(shù)，以上3 種驅(qū)動技術(shù)均采用交流異步電機(jī)作為動力源，分別存在自身局限性。 而與交流異步電機(jī)相比，因永磁同步電機(jī)具有低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩輸出特性、高節(jié)能效果、高功率因素等優(yōu)點(diǎn)，為推廣永磁驅(qū)動技術(shù)在刮板輸送機(jī)上的應(yīng)用，近來，也有人針對刮板輸送機(jī)開展了永磁直驅(qū)技術(shù)研究。 例如，王洋洋等［26］利用MATLAB／Simulink軟件對永磁直驅(qū)系統(tǒng)建立了機(jī)電耦合模型，根據(jù)負(fù)載變化實(shí)時控制機(jī)頭、機(jī)尾的永磁同步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，減小了鏈條的過載沖擊；LU 等［27］針對刮板輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)設(shè)計了一種基于負(fù)載特性的復(fù)合滑膜控制方法，提高了驅(qū)動系統(tǒng)的智能化程度。 但是，實(shí)際情況是刮板輸送機(jī)若使用永磁直驅(qū)系統(tǒng)，為滿足其低速大轉(zhuǎn)矩的輸出條件，所需電機(jī)體積會變大導(dǎo)致占用的空間高于刮板輸送機(jī)彎曲度，無法滿足井下三級配套的安裝空間，同時聯(lián)軸器所承擔(dān)的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩將顯著變大，扭轉(zhuǎn)振動造成傳動系統(tǒng)失穩(wěn)的現(xiàn)象會更加明顯，故永磁直驅(qū)方案在刮板輸送機(jī)上難具實(shí)際可行性［28］。

對此，楊小林等［29］提出了一種適用刮板輸送機(jī)的永磁半直驅(qū)電機(jī)，如圖9 所示，將減速器與永磁電機(jī)內(nèi)置于同一個箱體內(nèi)，在保證傳動效率的同時，降低了傳動系統(tǒng)的故障率；舒子龍［30］對刮板輸送機(jī)永磁半直驅(qū)系統(tǒng)的齒輪傳動系統(tǒng)建立動力學(xué)方程，為刮板輸送機(jī)永磁驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用建立了理論基礎(chǔ)；葛世榮等［31］提出了采用2 臺永磁電機(jī)并聯(lián)的刮板輸送機(jī)半直驅(qū)系統(tǒng)如圖10 所示，可以根據(jù)負(fù)載大小實(shí)時切換單電機(jī)輕載與雙電機(jī)重載工作模式，使刮板機(jī)一直處于節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)。 這種雙電機(jī)并聯(lián)的驅(qū)動方案同樣也適用于帶式輸送機(jī)的永磁直驅(qū)系統(tǒng)［32］。

圖9 刮板輸送機(jī)用永磁半直驅(qū)電機(jī)Fig.9 Permanent magnet semi－direct driving motor for scraper conveyor

圖10 刮板輸送機(jī)并聯(lián)式永磁半直驅(qū)系統(tǒng)Fig.10 Parallel permanent magnet semi－direct driving system of scraper conveyor

4 礦井提升裝備永磁驅(qū)動技術(shù)現(xiàn)狀

提升機(jī)是礦井利用鋼絲繩來提升物料、升降人員與設(shè)備的主要裝置［33］。 隨著控制技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)變頻調(diào)速驅(qū)動的提升機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)逐漸代替了傳統(tǒng)的直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)［34］，而目前礦井提升機(jī)也正在朝著大功率、高效率的同步電機(jī)驅(qū)動技術(shù)發(fā)展［35］，永磁同步電機(jī)作為一種性能優(yōu)異的驅(qū)動電機(jī)也開始在 礦井提升機(jī)上得到研究與應(yīng)用。 例如：貴州高礦重工研制的全球首臺永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)已在貴州省苞谷山煤礦投入使用［36］；太原理工大學(xué)［37］開展了永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究，其采用外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)與提升機(jī)卷筒一體化結(jié)構(gòu)，具有傳動結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲小等優(yōu)勢；中國礦業(yè)大學(xué)譚國俊研制的礦井超大功率提升機(jī)全系列變頻智能控制技術(shù)［38］達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

隨著淺層煤炭資源的日益減少，煤炭開采的深度與載荷也越來越大，但因鋼絲繩力學(xué)性能以及自重等問題，傳統(tǒng)的鋼絲繩提升系統(tǒng)嚴(yán)重限制了超大噸位與超深井提升技術(shù)的發(fā)展［39］。 為替換傳統(tǒng)鋼絲繩提升系統(tǒng)，在永磁驅(qū)動領(lǐng)域，封孝輝等［40］利用DSP 芯片對永磁直線電機(jī)垂直提升系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計與仿真；河南理工大學(xué)了建立載荷3.6 t、高度20 m 的直線電機(jī)垂直提升樣機(jī)，但目前單個永磁直線電機(jī)僅能推動幾噸重的載荷，因而僅靠永磁直線電機(jī)驅(qū)動仍然無法滿足礦井?dāng)?shù)十噸重的提升載荷需求。

針對這一問題，鮑久圣等［41－42］提出了采用“鋼絲繩主提升＋垂直式直線電機(jī)輔助提升”的新型混合動力驅(qū)動方案，發(fā)明了永磁直線電機(jī)輔助驅(qū)動的特大型箕斗（＞50 t）與特大型罐籠（＞60 t）提升系統(tǒng)如圖11 所示，并利用Matlab／Simulink 軟件建立了直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的多電機(jī)三閉環(huán)矢量控制模型［43］。 在不改變原有鋼絲繩主提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不增加鋼絲繩長度及重量的基礎(chǔ)上，將永磁直線電機(jī)次級布置在提升容器上，初級布置于井筒井壁的鋼結(jié)構(gòu)桁架上，在井下供電系統(tǒng)對直線電機(jī)初級通電后，直線電機(jī)次級帶動提升容器垂直運(yùn)動。 通過直線電機(jī)輔助提升箕斗或罐籠，分擔(dān)主提升系統(tǒng)的載荷，可突破現(xiàn)有鋼絲繩提升技術(shù)極限，進(jìn)一步增加20%以上的提升載荷。 除此以外，根據(jù)提升載荷與材料的不同，還可以在鋼絲繩提升、鋼絲繩＋直線電機(jī)復(fù)合提升兩種模式間進(jìn)行切換，在增加提升負(fù)載與高度的同時，還可實(shí)現(xiàn)多動力混合、高效節(jié)能驅(qū)動。 因此，在傳統(tǒng)鋼絲繩提升系統(tǒng)發(fā)展受限而僅依靠永磁直線電機(jī)又無法單獨(dú)提升的情況下，采用“鋼絲繩＋直線電機(jī)”的復(fù)合驅(qū)動系統(tǒng)將會是未來超深礦井、特大噸位載荷提升的重要發(fā)展方向。

圖11 鋼絲繩與永磁直線電機(jī)復(fù)合驅(qū)動的礦井提升系統(tǒng)［41－42］Fig.11 Mine hoisting system driven by wire rope and permanent magnet linear motor［41－42］

在此基礎(chǔ)上，為推動太空采礦技術(shù)的發(fā)展，鮑久圣結(jié)合碳納米管材料的優(yōu)異力學(xué)性能和導(dǎo)電特性，基于永磁電機(jī)高效驅(qū)動技術(shù)，提出了基于碳納米管纜繩的摩擦式太空提升系統(tǒng)［44］與采用激光供電的爬繩式太空提升系統(tǒng)［45］，為未來發(fā)展太空采礦提供了運(yùn)輸提升方案。

5 礦山裝備永磁驅(qū)動技術(shù)展望

1）為更好地適應(yīng)煤礦井下工作環(huán)境和礦山裝備工況特點(diǎn)，有必要進(jìn)一步發(fā)展高可靠性永磁驅(qū)動技術(shù)，使永磁電機(jī)在高溫、電流振蕩、化學(xué)腐蝕等環(huán)境下以及重載、負(fù)載突變等工況下永磁體不發(fā)生退磁，具體措施包括：使用氮?dú)饫鋮s等新型高效冷卻技術(shù)對永磁電機(jī)實(shí)時冷卻，對轉(zhuǎn)子反向磁場進(jìn)行控制以避免永磁體直接退磁，實(shí)時檢測永磁電機(jī)溫度與三相交流電大小避免永磁體過熱退磁等。

2）為實(shí)現(xiàn)礦山裝備重載啟動、減小礦山裝備負(fù)載突變對永磁電機(jī)產(chǎn)生的不利影響，應(yīng)大力研發(fā)內(nèi)置有FOC 與DTC 等先進(jìn)永磁閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的大功率礦用隔爆型變頻器，并將永磁電機(jī)無傳感器控制與自抗擾控制技術(shù)植入礦山裝備中，提高控制精度，減小電機(jī)工作時的電流波動。 針對帶式輸送機(jī)與刮板輸送機(jī)也可采用多電機(jī)永磁驅(qū)動系統(tǒng)來降低單電機(jī)驅(qū)動時給裝備的巨大運(yùn)行負(fù)荷，縮小電機(jī)體積。

3）在大力發(fā)展礦山裝備永磁驅(qū)動技術(shù)的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步利用永磁驅(qū)動技術(shù)所具有的傳動鏈簡單、適于低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩負(fù)載以及節(jié)能省電運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，將其與采掘裝備的煤巖識別、記憶截割、GIS 地理信息模型［46］與多姿態(tài)多傳感器融合，運(yùn)輸裝備的機(jī)器人智能巡檢［47］、刮板輸送機(jī)智能調(diào)直［48］，提升裝備的罐道載荷及鋼絲繩在線無損檢測等礦山裝備領(lǐng)域的智能化理論與先進(jìn)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，大力發(fā)展基于永磁驅(qū)動系統(tǒng)的智能化礦山裝備，從而為建設(shè)智慧礦山奠定重要裝備基礎(chǔ)。