永磁電機技術在皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)改造中的應用

鄭 永 孫瑞杰 張玉風

（包頭長安永磁電機有限公司，包頭 014030）

工業(yè)生產(chǎn)中，皮帶機是比較普遍采用的物料傳送設備。電動機是皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)的核心部分。在實際的皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)中，應用的電動機普遍采用了永磁電機技術。因此，對永磁電機技術進行持續(xù)完善和優(yōu)化，是提高皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)整體效率和功能的必要選擇?？紤]到皮帶機在我國各個應用領域的普及度，優(yōu)化皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)中的永磁電機技術非常重要且必要，且對其他領域的永磁電機應用技術完善和發(fā)展也有重要價值。

1 電動機系統(tǒng)改造的現(xiàn)實意義

電動機在日常生產(chǎn)生活領域應用廣泛，如應用于水泵、風機、機床、壓縮機等設備，為其提供強大的動力保障[1]。相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，電動機系統(tǒng)實際用電量占總用電量比重大。目前，我國實際電機耗電量約占社會總用電量的3/4。尤其是工業(yè)領域，電機的耗電量達到總用電量的4/5 左右。

電動機在各領域的實際應用中用電占比大。這一方面與電動機的用途廣泛和電動機應用數(shù)量大有直接關系；另一方面，這與電動機自身功耗大且轉(zhuǎn)化效率低有一定關系。以2020 年我國全社會發(fā)電量、用電量均超過7 萬億kW·h，其中發(fā)電量達到了 7.42 萬億kW·h。按照這一占比，如果電機效率通過優(yōu)化提升1%，那么將年節(jié)約560 多億kW·h 電量。

基于此，針對皮帶傳動系統(tǒng)中永磁電動機工作過程中存在的負載率低和非經(jīng)濟運行狀態(tài)等問題，對永磁電動機系統(tǒng)進行優(yōu)化改造。通過相關技術改造，提高皮帶電機的轉(zhuǎn)化效率，在用電量沒有顯著提升的同時，充分改善工作效率。不但能夠節(jié)約能源，降低用電成本，而且可以提高電機使用壽命，大幅降低電機檢修維護成本，有助于增加企業(yè)經(jīng)濟效益。

2 永磁電機技術在皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)中的應用

永磁電機技術是皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)的核心技術。通過對相關技術進行改造和優(yōu)化，可以有效提升皮帶機系統(tǒng)的工作效率，降低電耗，提升永磁電機的使用質(zhì)量?？梢姡瑢ζC驅(qū)動系統(tǒng)中的永磁電機技術進行針對性完善和優(yōu)化是非常關鍵的電機技術升級措施。

2.1 皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)中永磁電機技術的概述

通過深入分析皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)中采用的永磁電機技術，可以充分了解該技術的一般性特點。永磁電機屬于典型的同步直驅(qū)系統(tǒng)，整合了永磁同步電動機、伺服矢量控制以及智能控制等比較先進的動力技術，現(xiàn)階段可以將其視為最大功率和轉(zhuǎn)矩的傳動系統(tǒng)[2]。皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)采用永磁電機技術，系統(tǒng)中沒有減速機和耦合器，因此可以更加高效、節(jié)能。此外，它在噪聲控制、系統(tǒng)免維護以及啟動轉(zhuǎn)矩等方面表現(xiàn)良好，運行平穩(wěn)，是皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)選擇永磁電機作為動力的原因之一。

2.2 永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及技術特點分析

為對皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)中的永磁電機技術進行優(yōu)化和完善，必須先了解皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和技術特點，以皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及技術特點為基礎進行系統(tǒng)分析，確保驅(qū)動系統(tǒng)相關技術的改造達到預期目標。

2.2.1 永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系

電機驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系對于電機正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)有非常大的影響。通過調(diào)整電機驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可以有效提升電機運轉(zhuǎn)效率，進而實現(xiàn)優(yōu)化性能的目的。將傳統(tǒng)電機換成永磁電機，是一個非常合理的選擇。永磁電機的結(jié)構(gòu)體系優(yōu)勢使得其在正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)下可以達到更加穩(wěn)定高效的工作狀態(tài)。下面從其功能結(jié)構(gòu)設置出發(fā)對其進行分析。皮帶驅(qū)動永磁電機主要包括6 個輔助功能單元，分別為變壓器、進線電抗器、波濾器、濾波電容、直流電容以及輸出電抗器等[3]。永磁電機則包括定子、轉(zhuǎn)子和端蓋3 大部分。永磁電機之所以稱為永磁電機，是因為電機的轉(zhuǎn)子整合了永磁體。這些永磁體提供了較高的磁能密度，使得電機的性能參數(shù)達到了較高水平。這些永磁體在電機內(nèi)的裝設結(jié)構(gòu)大體采用內(nèi)置式、表貼式以及表面嵌入式3 種設計模式。

與其他類型的電機進行比較，永磁電機轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)時不會產(chǎn)生銅耗問題，因此功耗相對減少，功率因數(shù)甚至能夠達到近似1 的水平[4]。因為永磁電機舍棄了減速機，電機的傳動效率由此受益能夠達到95%。小電流工作狀態(tài)下，起動轉(zhuǎn)矩仍然可以達到額定值，起動特性優(yōu)良。從原理來看，永磁電機定子繞組所通入的交流電為三相對稱模式，可以產(chǎn)生高度穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)磁場，促使轉(zhuǎn)子永磁體保持固定位置。在旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，逐漸達到與旋轉(zhuǎn)磁場一致的轉(zhuǎn)速。

2.2.2 永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)技術特點及其優(yōu)勢

當前我國相當一部分企業(yè)采用的皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的最大傳動效率無法達到70%，所用電動機的能耗水平大多屬于國家三級能耗[5]。通過升級改進，采用永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)的皮帶機運行效率顯著提高，能耗明顯降低，傳動效率達到93%。從節(jié)能和提高經(jīng)濟效益兩個方面考慮，對皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)進行技術升級具有可行性。

驅(qū)動系統(tǒng)永磁電機實際工作時，啟動主要采取變頻器方式。通過這種方式能夠確保傳動系統(tǒng)啟動勻速緩慢，防止電動機瞬時啟動電流過大對設備造成沖擊，并可以避免轉(zhuǎn)矩突增導致的機械沖擊，使電機運行的穩(wěn)定性和電網(wǎng)故障控制達到良好的狀態(tài)。從設備角度看，永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)不需要液力耦合器、減速器以及同步齒輪等容易故障的部件，有利于降低設備成本，減輕運維工作量。

皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)中引入永磁電機，大多選擇多電機方式進行驅(qū)動控制。該設計能夠確保輸出功率達到較高水平的平衡穩(wěn)定性，以避免因不平衡導致的各種故障問題。

3 永磁電機技術在皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)中應用的改造分析

某煤礦井下煤炭運輸皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)因為設備老舊，整體性能下降嚴重，運行效率低下且各種故障多發(fā)。為解決上述問題，要通過改造驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)在能耗和成本控制方面的改善和性能提升。

3.1 某煤礦皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)存在的問題

某煤礦井下皮帶機系統(tǒng)于2012 年完成裝設，皮帶機工作段長度為1 120 m。該皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)采用4 臺異步電動機，設計為CST 組合驅(qū)動模式。因為整個皮帶機使用時間過長，到了部件故障多發(fā)期，帶載能力持續(xù)減弱。礦井生產(chǎn)能力持續(xù)增加，皮帶機運行的承載能力和穩(wěn)定性越來越難以滿足生產(chǎn)要求，且常常出現(xiàn)皮帶機過載死機的問題。同時，CST 組合驅(qū)動系統(tǒng)的配件越來越少且價格持續(xù)升高，皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)的運維成本增加。鑒于此，煤礦管理層決定對系統(tǒng)進行徹底改造，以推動生產(chǎn)安全和經(jīng)濟效益能夠達到更好的效果。

3.2 永磁電機技術在皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)中的優(yōu)化改造

本文以某煤礦的皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)改造為對象，通過分析其具體的改造過程，充分理解類似的電機動力系統(tǒng)優(yōu)化。某煤礦為礦井內(nèi)的多部運輸皮帶機安裝CST 驅(qū)動裝置。這些CST 驅(qū)動裝置在當時的技術條件和應用背景下是比較好的選擇，采用減速器和離合器結(jié)構(gòu)控制傳輸裝置的啟停，可以實現(xiàn)皮帶機較為穩(wěn)定的軟啟動和同步負載控制，也可以達到企業(yè)生產(chǎn)需要的起?？刂菩阅?。但是，該系統(tǒng)后期運維成本大，故障率高，且隨著使用時間的積累，設備老舊，各方面性能下降明顯。改造前皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

2018 年，某煤礦利用永磁電機技術對礦井各部皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)進行改造。整個改造最大的工作是將普通電機動力系統(tǒng)升級為永磁電機動力系統(tǒng)，通過引入永磁電機，使原系統(tǒng)中不再需要減速器，可以直接從系統(tǒng)中拆除減速器。通過改造引入了工作效率和運行穩(wěn)定性更高的永磁電機取代普通電機。永磁電機自身的一些優(yōu)良性能也充分體現(xiàn)在整個皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)，使得整個系統(tǒng)的運行效能有更好的表現(xiàn)。尤其是永磁電機在電能向機械能的轉(zhuǎn)化率和工作穩(wěn)定性等方面，優(yōu)化效果顯著。改造后皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)如圖2 所示。經(jīng)過系統(tǒng)升級，運維成本降低，故障率減小，運行性能進一步提升。

改造過程中，永磁電機安裝于原電機位置，準確測量地腳螺絲孔位置和電機安裝高度，用以設計永磁電機底盤，并確保永磁電機軸對準滾筒中心。永磁電機聯(lián)軸器的安裝可以借助脹套，加工脹套需要設置內(nèi)孔，內(nèi)孔尺寸保持與傳動軸的配合度，并保留適當?shù)拈g隙，以輔助安裝聯(lián)軸器?？紤]到系統(tǒng)采用電平變頻器設計，必須采取有效措施防止諧波的干擾。實際設備改造中，變頻器要保持和永磁電機的適當距離，通常情況下不能大于50 m。此外，要在變頻器輸入輸出端安裝電抗器，用以綜合形成的雜波。

完成整個皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)的改造后，為確認該改造達到了預期改造目標，需要對該系統(tǒng)進行調(diào)試和檢測。只有確認相關性能達到應有的標準，才可以將其應用于實際的生產(chǎn)實際。因此，必須給予上述工作充分的重視，如果發(fā)現(xiàn)其整體性能未能達到標準，需要找到導致這一狀況的根本原因，并及時調(diào)整設備和參數(shù)，以滿足實際需要。電機進行系統(tǒng)調(diào)試時，要注意控制和調(diào)整永磁電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的溫度，防止永磁電機過載發(fā)生溫度過高的問題。溫度過高會導致永磁電機內(nèi)的永磁體發(fā)生退磁現(xiàn)象，顯著降低電機性能，甚至引發(fā)更多故障。

皮帶機傳輸裝置廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)尤其是煤礦等領域，完成煤炭的運輸。通過改造皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)，在永磁電機驅(qū)動條件下，使得皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)的控制更加簡捷，運維管理更加有效。相比傳統(tǒng)驅(qū)動模式，永磁電機的工作性能表現(xiàn)優(yōu)異，同時在運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和工作安全性方面狀態(tài)良好，有助于提升企業(yè)經(jīng)濟效益。