永磁电机在刮板输送机驱动系统设计中的应用

李 峰

（山西高河能源有限公司， 山西 太原 047100）

引言

刮板输送机为综采工作面的运输设备，其不仅承担着运输煤炭的任务，还与采煤机、液压支架相互配套为液压支架提供推溜力，为采煤机提供行走轨道。随着综采工作面设备自动化水平和生产能力的不断提升，刮板输送机正朝着大运量、大功率、大运距以及高效率的方向发展[1]。传统刮板输送机采用异步电机作为驱动核心，存在效率低、损耗大、振动大、噪声大等问题，无法满足当前综采工作面对刮板输送机的要求。鉴于永磁电机具有节能效果好、启动转矩大、低速驱动性能好等优势，本文将永磁电机应用于刮板输送机驱动系统中，并对其应用情况进行分析。

1 刮板输送机驱动系统的设计

刮板输送机为综采工作面必不可少的运输设备，其各分系统包括有驱动系统、刮板系统、链轮组件系统等。本文着重对刮板输送机驱动系统展开研究，为确保设计刮板输送机能够适应当前综采工作面大运量、大转矩以及高效率的运输要求，本文将永磁电机与减速器设计为刮板输送机的驱动系统。从理论上将，永磁电机为刮板输送机的动力源，减速器为刮板输送机的传动部件，将永磁电机与刮板输送机合为一体可降低电机转速并提高电机的转矩。

此外，为适应刮板输送机在实际生产中负载变化剧烈，容易发生故障的问题，结合永磁电机半直驱系统具有调速范围宽、体积小以及节能效果好的特点，本文针对刮板输送机将采用永磁电机半直驱系统实现对设备的驱动[2]。永磁电机半直驱驱动系统的布置情况如图1 所示。

图1 永磁电机半直驱系统的总体示意图

1.1 永磁电机的选型

本文所研究刮板输送机的具体参数如表1 所示。

表1 刮板输送机主要规格参数

结合刮板输送机所属工作面的生产能力和工作面的运输条件，需为刮板输送机配置两台功率不小于30 kW 的永磁电机。结合当前市面上各种厂家永磁电机的性能和成本，最终确定永磁电机的参数如表2 所示。

表2 刮板输送机永磁电机关键参数

1.2 刮板输送机减速器的设计

为满足当前综采工作面对刮板输送机的运量、转矩、能耗等方面的需求，将永磁电机和减速器合为一体，称为永磁电机半直驱系统。因此，对于刮板输送机而言，除了核心永磁电机外，还需根据运输需求设计减速器[3]。

结合刮板输送机链轮的节圆半径参数和链轮的的平均速度计算得出链轮的转速，计算公式如式（1）所示：

式中：v 为刮板输送机的平均运输速度，取1.8 m/s；R为链轮的节圆半径，取0.024 m。经计算可得，链轮的转速n2=10 743 r/min。

结合所选型永磁电机的额定转速n1=750 r/min，计算可得减速器的总传动比为14.324。因此，将刮板输送机减速去的传动比设计为15。为保证所设计减速器能够满足刮板输送机大转矩的需求，其对应的中心轮和行星轮均采用20CrMnTi 材料进行制造，并采用渗碳并淬火的热处理方式以提高减速器齿轮的硬度和耐磨性；同时，对于减速器中的内齿轮而言，其所选用的材料为40Cr，对应的热处理方式为淬火+高温回火[4]。

2 永磁电机+减速器驱动系统的应用研究

2.1 永磁电机半直驱驱动系统试验平台的搭建

结合试验需求和永磁电机半直驱系统的结构，本文所搭建试验平台主要由核心驱动系统、传感器、传动装置、检测装置、加载装置以及试验控制台组成。对应的试验平台模拟如图2 所示。

图2 永磁电机半直驱试验平台模拟示意图

本节主要验证永磁电机半直驱驱动系统在刮板输送机的驱动性能。因此，考虑到试验成本的问题，搭建试验平台中设计到的设备未完全按照工作面实际功率进行选取，试验平台关键设备的选型结果如下所示：

1）永磁电机：所选型永磁电机的型号为TYVZ-3800-280M-16，该电机的额定功率为380 kW，额定电流为73.4 A，额定电压为380 V。

2）磁粉式测功机：该设备的角色为试验平台的加载装置，其能够在实验室环境下模拟刮板输送机在不同工况下的负载。所选磁粉式测功机的具体型号为4PB15，额定扭矩为1 200 N·m，额定功率为48 kW，额定转速为382 r/min。

3）减速齿轮箱：该设备的角色为试验平台的传动装置，所选型减速器的具体型号为ZLY160-8-1，该型减速器对应的传动比为8。由于在上文中所设计传动装置的传动比为15，为保证试验结果可准确反应永磁电机半直驱驱动系统的性能，需对试验平台中刮板输送机磁粉式测功机的负载进行等比例缩放。

4）传感器：包括有扭矩传感器、电压传感器、电流传感器以及数据采集卡等。

2.2 永磁电机半直驱系统的性能验证

本文将对刮板输送机在不同工况下永磁电机半直驱系统的驱动性能进行试验研究。在实际试验中，需结合刮板输送机实际工况的负载特性，结合试验平台各设备的参数对负载进行等效缩放模拟，以保证试验结果的准确性。

1）空载平稳后落煤工况下的驱动试验。经试验可知：试验平台刮板输送机在模拟负载工况下运行，在永磁电机半直驱驱动系统的作用下永磁电机的输出扭矩与其被施加负载的曲线一致，说明本试验平台所选取的磁粉测功机具有较好的响应特性。而且，还能够说明基于永磁电机半直驱驱动系统可保证刮板输送机在空载平稳后落煤工况下根据负载的变化对其系统的转矩、转速等进行实时调整[5]。

2）非定常落煤工况下的驱动试验。经试验可知，在非定常落煤工况下，当试验平台所承受的负载突然增大时，对应永磁电机的输出扭矩急速增大，并且实时对应永磁电机的转速下降，电机转速最终稳定于270 r/min。

3）带负载启动工况下的驱动试验。试验平台在带负载启动工况下驱动试验结果如图3 所示。

图3 带负载启动工况下永磁电机转矩变化趋势

如图3 所示，当刮板输送机带负载启动时，在刚开始3 s 内永磁电机的输出扭矩为零，该时间段为系统的预热时间主要是对系统起保护作用；在3 s 后刮板输送机永磁电机的转矩迅速增大且波动较大，并且在10 s 后永磁电机的输出转矩相对平稳，并且最终维持在620 N·m 左右。

3 结论

刮板输送机为综采工作面的关键运输设备，为解决传统异步电机驱动刮板输送机存在转矩小、运量小以及能耗大的问题，将异步电机替换为永磁电机并将其与减速器集成为刮板输送机的驱动系统。经试验表明：在刮板输送机负载突然变化时，永磁电机初期输出扭矩波动较大并且最终稳定于额定转矩；而且，在不同工况下，永磁电机对刮板输送机驱动控制具有较好的响应特性。