煤炭開采中永磁電機的分類分析綜述我國煤炭儲量位居世界第三，2019年煤炭貢獻量仍高居世界首位【1】。在煤礦的工業(yè)生產(chǎn)過程中，運輸環(huán)節(jié)十分重要，特別是帶式輸送機具有大轉(zhuǎn)矩、連續(xù)作業(yè)、效率高、運輸量大、過程安全可靠等特點因而得到了廣泛的應(yīng)用。在實際應(yīng)用中為了應(yīng)對低轉(zhuǎn)速、運輸量大的運行工況，交流異步電機與負(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，電機經(jīng)常處于低效率高能耗下運行【2】。這不僅影響了煤炭的開采效率，還造成了嚴(yán)重的電能浪費，為經(jīng)濟發(fā)展帶來了巨大的損失。為了實現(xiàn)節(jié)能減耗，響應(yīng)低碳經(jīng)濟的國家政策，因此有必要提高帶式輸送機運輸系統(tǒng)的驅(qū)動動力性能。而永磁電機是利用稀土永磁體勵磁的一種電機，永磁體由于充磁后能夠生成永久磁場，無需勵磁電流，因此可以大幅度提高電機的功率因數(shù)【3】。電動機的分類如圖1-1所示，根據(jù)驅(qū)動方式的不同，我們可以把永磁電機分為永磁直線電機和永磁旋轉(zhuǎn)電機，我們又可以根據(jù)供電形式的不同，降永磁旋轉(zhuǎn)電機分為永磁同步發(fā)電、永磁有刷直流電機、永磁無刷直流電機、異步啟動永磁同步電機和調(diào)速永磁同步電機。而永磁供電技術(shù)是利用永磁電機驅(qū)動負(fù)載工作的一種牽引技術(shù)，目前永磁無刷直流電機、永磁同步電機與永磁直線電機。我們又根據(jù)負(fù)載與電機之間有沒有鏈接減速裝置，可以分為永磁半直驅(qū)和永磁直驅(qū)兩種驅(qū)動系統(tǒng)。永磁有刷直流電機永磁無刷直流電機永磁旋轉(zhuǎn)電機異步啟動永磁同步電機調(diào)速永磁同步電機永磁同步發(fā)電機永磁電機永磁直線電機圖1-1永磁電機的分類異步電動機又被稱為感應(yīng)電動機，它的定子繞組在施加三相交流電后會產(chǎn)生三相旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場下的轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在磁場作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)繞組的結(jié)構(gòu)，異步電動機可以分為籠形繞組和線式繞組。繞組線圈為電感元件，它具有能量轉(zhuǎn)換作用。在運行期間，它吸收電網(wǎng)的無功功率，從而降低功率因數(shù)，所以電能不能完全利用。與交流異步電動機相比，就工作原理和結(jié)構(gòu)而言，永磁同步電動機使用了高性能稀土和其他永磁材料作為轉(zhuǎn)子的永磁體，因而不需要勵磁繞組。電磁轉(zhuǎn)矩來自由于定子繞組在通電作用下與永磁體相互作用生成的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不具有繞組結(jié)構(gòu)，因此在線圈繞組中沒有銅損，從而提高了電動機的效率。同時使電動機的溫度升高緩慢，因此延長了電動機的壽命。另外，由于由永磁體引起的氣隙的磁通密度對氣隙的變化并不敏感，因此我們可以通過增加極數(shù)來增加永磁同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩。隨著極數(shù)的增加，電動機軸的半徑也隨之增加，從而實現(xiàn)了低速，大扭矩傳動。根據(jù)轉(zhuǎn)子在永磁體上的布置方式的不同，同步電機分為表面式和內(nèi)置式。表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯的表面上，并與空氣直接接觸，由于永磁體的導(dǎo)磁率接近空氣的導(dǎo)磁率，因此可以認(rèn)為它的d軸電感大約等于q軸電感，即凸極率是1，沒有磁阻轉(zhuǎn)矩和磁阻效應(yīng)。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體嵌入在轉(zhuǎn)子鐵芯中，與表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比，永磁體的外表面和氣隙接受鐵磁物質(zhì)極靴保護，退磁比較困難，因而它的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更可靠。此外，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的永磁體的d軸電感大于q軸電感，產(chǎn)生了由于交軸和直軸不對稱的凸級效應(yīng)導(dǎo)致的磁阻轉(zhuǎn)矩，這樣對提高電機的功率密度和過載能力有利，從而它的恒功率運行范圍也變大。因此，具有內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動機適合在礦山中的惡劣條件下運行。為了克服永磁同步電動機啟動過程中的轉(zhuǎn)子慣性，讓電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動力矩消耗電磁斥力，早期的永磁同步電動機主要是異步啟動永磁電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。也就是在電機轉(zhuǎn)子鐵芯上布置籠式繞組電機中經(jīng)常使用的籠式繞組導(dǎo)條，讓永磁同步電機先利用異步電機啟動的優(yōu)勢完成啟動，當(dāng)永磁電機三相繞組產(chǎn)生的交變磁場與永磁體磁場的磁極實現(xiàn)互鎖后，再切回同步電機的工作模式。隨著現(xiàn)代電氣傳動控制技術(shù)的發(fā)展，使用大功率變頻器實現(xiàn)變頻啟動的調(diào)速型同步電動機在使用率中占主導(dǎo)地位，不僅簡化了電動機結(jié)構(gòu)，而且變頻調(diào)速系統(tǒng)的相應(yīng)速度和控制精度更加適合礦山運行工況。由于有上述優(yōu)點，具有變頻調(diào)速功能的大功率永磁同步電動機驅(qū)動系統(tǒng)可以完全比較出色地滿足低速、大轉(zhuǎn)矩負(fù)載的運行條件。例如，ABB公司在其船舶推進系統(tǒng)中使用了自行開發(fā)的38MW永磁同步電動機。中車株洲開發(fā)了用于400km/h高速鐵路的TQ800永磁同步電動機和兆瓦級永磁半直驅(qū)動電動機。在采礦設(shè)備領(lǐng)域，永磁同步電動機還可以在低速和大扭矩操作條件下應(yīng)用于采礦機的機械截割部，刮板輸送機和帶式輸送機。內(nèi)置式滾筒也被稱為電動滾筒，其布置如圖1-2所示，在實際應(yīng)用中作為提升運輸?shù)仍O(shè)備和皮帶運輸機的動力來源，在港口、冶金、礦山、化工、建材、煤炭、電力、糧食及交通運輸?shù)刃袠I(yè)得到了廣泛應(yīng)用。但同時也存在一些固有的問題：（1）目前國內(nèi)裝設(shè)的電動滾筒一般是中小功率、低電壓形式的；（2）電動滾筒因結(jié)構(gòu)問題冷卻困難；（3）傳動效率較低。圖1-2傳統(tǒng)內(nèi)置滾筒布置示意圖外置式滾筒配置在生產(chǎn)中有比較廣泛的應(yīng)用,布置如圖1-3所示，但往往給現(xiàn)場運行和維護帶來許多問題，如：（1）傳動效率較低；（2）運行維護工作量大、成本高；（3）設(shè)備布置所需空間大，工程投資大。圖1-3傳統(tǒng)外置驅(qū)動滾筒布置示意圖近年來,電力電子技術(shù)的進步以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用有力的推動了大功率永磁電機的發(fā)展，進而使永磁驅(qū)動技術(shù)在航空航天、交通運輸、風(fēng)力發(fā)電等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用【6】。隨著電力電子技術(shù)和電機技術(shù)的發(fā)展，低速大功率大扭矩電力拖動系統(tǒng)成為可能。在電氣控制系統(tǒng)中，電子器件和功率器件的價格降低，使電機和永磁電動滾筒的寬范圍調(diào)速得到廣泛應(yīng)用。使用永磁同步電機作為外置動力，可制成大功率低速大扭矩驅(qū)動滾筒，其布置如圖1-4所示，應(yīng)用于煤礦井下等大功率皮帶機的電力拖動