低速大转矩永磁直驱传动系统在矿井提升机上的应用与展望.docx

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1、低速大转矩永磁直驱传动系统在矿井提升机上的应用与展望阐述了矿井提升机异步高速电动机+减速器传动系统、电励磁低速直联同步电动机传动系统的结构特点；根据永磁电动机工作原理，提出了矿井提升机低速直联永磁同步变频驱动传动系统方案；对比分析了3种传动系统的技术特点。结合项目实际应用，得出结论：低速直联永磁同步变频驱动传动效率高，维护量小，可靠性高，节能效果好。矿井提升机是利用电动机驱动卷筒，卷筒带动钢丝绳牵引提升容器，沿井筒或斜坡道进行提升的机械设备。它主要用于提升煤炭、矿石、砰石，下放材料，升降人员和设备，是联系矿井井下和地面的“咽喉”设备。传统的矿井提升机传动系统效率低，能耗大，维护量大，可靠性差；

2、现急需一种效率高、可靠性高、节能降耗的传动系统来满足矿山节能减排、绿色生产需求。1矿井提升机传动系统矿井提升机根据原理不同，分为单绳缠绕式、多绳摩擦式、多绳缠绕式提升机。缠绕式和摩擦式提升机根据驱动电动机的类型不同，其传动系统可分为以下两种。1.1异步高速电动机+减速器传动系统矿井提升机采用异步高速电动机时，其传动系统如图1所示，通常称之为I型。它包括异步高速电动机、弹性棒销联轴器、减速器、齿轮联轴器、主轴装置。该传动系统比较成熟，虽然其传动链轴向方向尺寸较大，占地空间较大，效率低，故障点多，维护量大，但是由于一次性投入相对较少，在矿山开采中应用较多，主要用于中小规格矿井提升机。图II型多绳摩

3、擦式提升机传动方式1 .制动器装置；2.主轴装置；3.齿轮联轴器；4.减速器；5.润滑站；6.弹性棒销联轴器；7.电动机；8.液压站。1.2电励磁低速直联同步电动机传动系统矿井提升机采用电励磁低速直联同步电动机时，其传动系统如图2所示，通常称之为HI型。电动机与提升机共用主轴；电动机转子采用锥孔过盈配合与提升机主轴相连，传扭能力大；利用液压工具进行安装及拆卸，技术成熟；轴向尺寸较小，占地空间小。由于需要对电动机进行电励磁，损耗较大，且需对碳刷和滑环进行维护，该传动系统主要应用于中大型矿井提升机。图2HI型多绳摩擦式提升机传动方式1.制动器装置；2.主轴装置；3.电动机；4.液压站。2变频调速永

4、磁电动机工作原理及特点2.1工作原理永磁电动机采用永磁体磁极代替电流励磁的磁极，磁钢设置在转子中，不需要输入电流就可以产生磁场。在运行过程中，借助永磁体产生的旋转磁场，转子与旋转磁场同步旋转。永磁直驱电动机不需要无功励磁电流，可以显著提高效率和功率因数，减少定子电流和定子损耗。2.2特点相比于异步电动机，永磁电动机转子结构简单，没有励磁绕线组，转子铜耗较少，负载率相同时，其功率因数比同规格的异步电动机可提高10%15%,效率也高于异步电动机。异步电动机与永磁电动机功率因数与效率对比如图3、4所示。图4效率对比曲线与电励磁同步电动机相比，永磁电动机在性能方面与之相当，但永磁电动机具有自己的优势。

5、永磁电动机极对数多，额定频率点高，易于实现超低速运行；不需要励磁电流，也不存在碳刷和集电环之间的接触损耗，维护简单，整体效率高，运行更加节能。23变频驱动调速工作原理变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。它将电网提供的恒压、恒频的交流电转变成提升机所需要的新的电压和频率的交流电，实现对电动机的无极调速，来满足矿井提升机不同提升阶段的速度需求。低速直联永磁同步变频驱动传动系统配备永磁直驱变频器，运行稳定，过载能力强，更适用于矿井提升机运行工况。3低速直联永磁同步变频驱动传动系统3.1 系统组成及特点矿井提升机采用低速直驱永磁同步电

6、动机时，具体布置如图5所示。永磁同步电动机与提升机主轴装置直接采用齿轮联轴器连接,结构简单,轴向尺寸小,占地面积小。由于省掉了减速器及润滑站，传动链大大缩短，提高了传动效率，节约了维护及用油成本，提高了设备运转率。图5低速永磁直驱矿井提升机传动方式1.电动机；2.齿轮联轴器；3.主轴装置。矿井提升机采用永磁同步电动机直驱，使用永磁专用变频器，电流/转矩动态响应快，可消除起车超调及启动冲击，实现零速满转矩输出，停车稳定无冲击,更适用于提升机运行工况。3.2 与传统传动系统的对比以JKM-2.84多绳摩擦式提升机为例，其提升系统参数：采用ZZDP900行星齿轮减速器；提升机主轴负载功率按1120k

7、W计算；提升机年工作330d,每天3班，每班8ho永磁同步低速直联变频驱动系统与传统的矿井提升机传动系统对比情况如表1、2所列。表1传动效率对比分析传动方式占地空间电动机效率/%减速器效率/%变频器效率/%日常维护量异步高速电动机+减速器较大929297需护减速器、润滑站三磁低速直联同步电动机较小94-5(励磁)97需维护碳刷和滑环永磁低速直联电动机较小9597基本无维护表2节能效果对比分析(满载运行)传动方式负载轴功ZkW年运行时间/h运行能耗/(kWh,)电价(元/kW,h,)年电费/万元节约电费/万元异步高速电动机+减速器112079201364.19().8864.35电励磁低速直联同

8、步电动机112079201297.)0.8822.2B42.07永磁低速直联电动机112()79201214.750.8769.6694.69由表1、2可知，低速直联永磁同步变频驱动系统的各项指标均占优势。它占地空间小，总传动效率高，故障点少，维护量小，节能效果显著，符合矿山节能减排、绿色生产需求。4提升机永磁变频驱动电控系统矿井提升机永磁变频驱动电控系统主要由高低压开关柜、PLC控制柜、永磁专用变频器、控制板、接口板、位移传感器、磁开关等组成。矿井提升机永磁变频驱动电控系统为了满足矿井提升机的工况需求，采用六大核心技术，包括有源前端四象限控制技术、最大转矩电流比矢量算法、载波移项多电评级联技

9、术、静态转子位置辨识技术、双电动机平衡控制技术、堵转及悬停控制技术。(1)有源前端四象限控制技术基于虚拟磁链和dq矢量变换，电流响应快，能量快速双向流动；(2)最大转矩电流比矢量算法技术基于Foc高性能矢量控制算法，动态特性好，起制动平滑；(3)载波移相多电平级联技术基于载波移相技术实现多电平级联，输出电压高，波形正弦、谐波小；(4)静态转子位置辨识技术高频信号注入，无需开车自动检测转子位置，摆脱编码器限制；(5)双电动机平衡控制技术基于高速光纤通信及主从转矩平衡控制，转矩不平衡度W1%;(6)堵转及悬停控制技术通过转矩前馈、限幅等技术实现堵转及悬停功能，防止溜车，停车冲击小。主控系统采用以上

10、核心技术具备高可靠性，可实现小于0.1m/s超低速运行及零速悬停控制，保证提升机制动更加平稳。5低速直联永磁同步变频驱动应用目前，中信重工生产的单绳缠绕式、多绳摩擦式矿井提升机均已广泛采用低速直联永磁同步变频传动，并已应用于实际项目中，如图6所示。其中，图6(a)为单绳缠绕式提升机；图6(b)为多绳摩擦式提升机，它用于内蒙古大中矿业，这也是当时国内首次在多绳摩擦式矿井提升机上使用永磁同步低速直联变频驱动。该项目为中信重工机-电-液成套供货，配备自主研发的Chic100opm系列提升机永磁直驱四象限高压变频器。经过调试，该设备顺利投运，现场运行情况良好,性能稳定。(b)多绳摩擦式提升机图6低速直

11、驱永磁同步传动矿井提升机的现场应用6结论(1)矿井提升机采用低速直联永磁同步变频驱动，较传统传动系统占地空间小，日常维护量小，可靠性高。该驱动系统利用变频器技术，可以实时调节转速和输出转矩大小，低速性能好，动态响应快，节能效果显著。它在给用户维护带来便利和实际效益的同时，也符合国家矿山节能减排、绿色生产需求。(2)矿井提升机老旧设备改造项目可参考采用低速永磁直驱同步传动方案。(3)目前应用的低速直联永磁同步变频驱动系统，由于齿联传扭能力限制，提升机规格相对较小，后期可开发锥孔直联式永磁同步驱动系统用于大型矿井提升机。低速大转矩永磁直驱电机研究综述与展望低速大转矩永磁直驱电机替代传统的感应电机加

12、机械减速机构的传动模式具有明显的优势，受到越来越广泛的关注。转矩密度是衡量低速大转矩直驱电机的关键指标之一，本文主要从结构特点、应用现状和科研进展等方面，介绍了真分数槽集中绕组永磁电机、永磁游标电机、永磁盘式电机、横向磁通电机和双定子/双转子电机等几类高转矩密度低速大转矩永磁直驱电机。概述了转矩脉动、气隙偏心故障、机械强度和温度场研究等的必要性和方法。基于研究现状展望未来发展方向，为实现高性能低速大转矩永磁直驱电机提供参考。低速大转矩直驱电机没有严格的定义，一般是指转速低于500r/min、转矩大于500Nm,用于直接驱动的电机，当转速低于5Ormin为超低速电机。低速大转矩传动系统在工业生产

13、、油田开采、风力发电、港口起重和船只推进等领域有极其广泛的应用前景。传统的感应电机加机械减速机构的驱动系统，存在结构复杂、减速机构易磨损、润滑油渗漏、运行可靠性差、维护成本高以及系统整体效率低等缺点，不符合经济发展节能环保的要求，采用直驱电机替代传统的驱动系统成为国内外学者的共识。感应电机低额定转速设计时极数较多，励磁电流增加使功率因数和效率严重降低，因此感应电机不适用于低速大转矩直驱。永磁电机的气隙磁场由永磁体激励，不存在励磁电流，电机极对数可以设计得很高。永磁电机电枢电流中的无功分量很小，定子铜耗减少，相比于感应电机，永磁电机的功率因数和效率更高。另外，永磁电机在很宽的负载变化范围内能保持

14、良好的性能，因此在低速大转矩传动系统中受到广泛的关注。低速大转矩永磁同步电机的体积较大，加工、运输和安装困难，严重制约其推广应用和超低速化发展。本文首先分析低速大转矩直驱电机实现的难点，指出转矩密度比功率密度更适合作为其主要性能指标。而后，对低速大转矩直驱电机分类，包括真分数槽集中绕组永磁电机、永磁游标电机、永磁盘式电机、横向磁通电机和双定子/双转子电机，系统地介绍了各类电机的结构特点、实际应用和发展趋势。此外概述了低速大转矩永磁直驱电机的转矩脉动、气隙偏心故障、机械强度和温度场的相关研究及分析方法。最后对低速大转矩永磁直驱电机的未来发展作出展望，提出基于双定子结构，拓扑结构和设计理论的优化，

15、能够兼顾转矩密度和其他主要性能指标的要求。1低速大转矩直驱电机实现的难点(略)1.1 极数、槽数较多永磁电机是低速大转矩直驱传动系统的理想选择，异步感应电机在低速大转矩直驱系统中应用较少。1.2 电机外径、体积大如何提高转矩密度，进一步减小体积，是促进低速大转矩直驱电机推广应用的关键。2低速大转矩永磁直驱电机的分类2.1 真分数槽集中绕组永磁电机分数槽绕组(即电机的每极每相槽数q=b+cd,b是整数，c/d是最简分数)广泛应用于永磁电机，能够有效削弱永磁电机固有的齿槽转矩。分数槽绕组分为假分数槽(qD和真分数槽(ql)两类，真分数槽绕组的绕组节距yl=l,每套线圈集中绕制在一个定子齿上，又称为真分数槽集中绕组。当电机的极数较多时，采用真分数槽集中绕组可以显著减少定子槽数，使结构简化，有效解决了低速大转矩永磁直驱电机极数、槽数较多的难点。真分数槽集中绕组还具有便于自动嵌线，绕组端部短、定子铜耗降低等优点。真分数槽集中绕组永磁同步电机由于高转矩密度、高效率和低转矩脉动等优点，在风力发电系统中得到了广泛的关注和应用。为控制质量和成本，同时兼顾电机性能，文献15中曲荣海教授以采用真分数槽集中绕组的7MW大型直驱风力发