【煤炭开采中永磁电机的分类分析2400字】

煤炭开采中永磁电机的分类分析综述我国煤炭储量位居世界第三，2019年煤炭贡献量仍高居世界首位【1】。在煤矿的工业生产过程中，运输环节十分重要，特别是带式输送机具有大转矩、连续作业、效率高、运输量大、过程安全可靠等特点因而得到了广泛的应用。在实际应用中为了应对低转速、运输量大的运行工况，交流异步电机与负载之间必须连接减速装置。因此，在设计选型时，需要较大的功率富裕量来应对矿山装备重载启动过程大转矩的需求，电机经常处于低效率高能耗下运行【2】。这不仅影响了煤炭的开采效率，还造成了严重的电能浪费，为经济发展带来了巨大的损失。为了实现节能减耗，响应低碳经济的国家政策，因此有必要提高带式输送机运输系统的驱动动力性能。而永磁电机是利用稀土永磁体励磁的一种电机，永磁体由于充磁后能够生成永久磁场，无需励磁电流，因此可以大幅度提高电机的功率因数【3】。电动机的分类如图1-1所示，根据驱动方式的不同，我们可以把永磁电机分为永磁直线电机和永磁旋转电机，我们又可以根据供电形式的不同，降永磁旋转电机分为永磁同步发电、永磁有刷直流电机、永磁无刷直流电机、异步启动永磁同步电机和调速永磁同步电机。而永磁供电技术是利用永磁电机驱动负载工作的一种牵引技术，目前永磁无刷直流电机、永磁同步电机与永磁直线电机。我们又根据负载与电机之间有没有链接减速装置，可以分为永磁半直驱和永磁直驱两种驱动系统。永磁有刷直流电机永磁无刷直流电机永磁旋转电机异步启动永磁同步电机调速永磁同步电机永磁同步发电机永磁电机永磁直线电机图1-1永磁电机的分类异步电动机又被称为感应电动机，它的定子绕组在施加三相交流电后会产生三相旋转磁场，旋转磁场下的转子绕组产生感应电流，感应电流在磁场作用下产生电磁转矩。根据绕组的结构，异步电动机可以分为笼形绕组和线式绕组。绕组线圈为电感元件，它具有能量转换作用。在运行期间，它吸收电网的无功功率，从而降低功率因数，所以电能不能完全利用。与交流异步电动机相比，就工作原理和结构而言，永磁同步电动机使用了高性能稀土和其他永磁材料作为转子的永磁体，因而不需要励磁绕组。电磁转矩来自由于定子绕组在通电作用下与永磁体相互作用生成的电磁转矩，转子不具有绕组结构，因此在线圈绕组中没有铜损，从而提高了电动机的效率。同时使电动机的温度升高缓慢，因此延长了电动机的寿命。另外，由于由永磁体引起的气隙的磁通密度对气隙的变化并不敏感，因此我们可以通过增加极数来增加永磁同步电动机的电磁转矩。随着极数的增加，电动机轴的半径也随之增加，从而实现了低速，大扭矩传动。根据转子在永磁体上的布置方式的不同，同步电机分为表面式和内置式。表面式转子结构的永磁体安装在转子铁芯的表面上，并与空气直接接触，由于永磁体的导磁率接近空气的导磁率，因此可以认为它的d轴电感大约等于q轴电感，即凸极率是1，没有磁阻转矩和磁阻效应。内置式转子结构的永磁体嵌入在转子铁芯中，与表面式转子结构相比，永磁体的外表面和气隙接受铁磁物质极靴保护，退磁比较困难，因而它的转子结构更可靠。此外，内置式转子结构中的永磁体的d轴电感大于q轴电感，产生了由于交轴和直轴不对称的凸级效应导致的磁阻转矩，这样对提高电机的功率密度和过载能力有利，从而它的恒功率运行范围也变大。因此，具有内置式转子结构的永磁同步电动机适合在矿山中的恶劣条件下运行。为了克服永磁同步电动机启动过程中的转子惯性，让电动机转子的转动力矩消耗电磁斥力，早期的永磁同步电动机主要是异步启动永磁电动机转子结构。也就是在电机转子铁芯上布置笼式绕组电机中经常使用的笼式绕组导条，让永磁同步电机先利用异步电机启动的优势完成启动，当永磁电机三相绕组产生的交变磁场与永磁体磁场的磁极实现互锁后，再切回同步电机的工作模式。随着现代电气传动控制技术的发展，使用大功率变频器实现变频启动的调速型同步电动机在使用率中占主导地位，不仅简化了电动机结构，而且变频调速系统的相应速度和控制精度更加适合矿山运行工况。由于有上述优点，具有变频调速功能的大功率永磁同步电动机驱动系统可以完全比较出色地满足低速、大转矩负载的运行条件。例如，ABB公司在其船舶推进系统中使用了自行开发的38MW永磁同步电动机。中车株洲开发了用于400km/h高速铁路的TQ800永磁同步电动机和兆瓦级永磁半直驱动电动机。在采矿设备领域，永磁同步电动机还可以在低速和大扭矩操作条件下应用于采矿机的机械截割部，刮板输送机和带式输送机。内置式滚筒也被称为电动滚筒，其布置如图1-2所示，在实际应用中作为提升运输等设备和皮带运输机的动力来源，在港口、冶金、矿山、化工、建材、煤炭、电力、粮食及交通运输等行业得到了广泛应用。但同时也存在一些固有的问题：（1）目前国内装设的电动滚筒一般是中小功率、低电压形式的；（2）电动滚筒因结构问题冷却困难；（3）传动效率较低。图1-2传统内置滚筒布置示意图外置式滚筒配置在生产中有比较广泛的应用,布置如图1-3所示，但往往给现场运行和维护带来许多问题，如：（1）传动效率较低；（2）运行维护工作量大、成本高；（3）设备布置所需空间大，工程投资大。图1-3传统外置驱动滚筒布置示意图近年来,电力电子技术的进步以及现代控制理论的应用有力的推动了大功率永磁电机的发展，进而使永磁驱动技术在航空航天、交通运输、风力发电等行业中得到了广泛的应用【6】。随着电力电子技术和电机技术的发展，低速大功率大扭矩电力拖动系统成为可能。在电气控制系统中，电子器件和功率器件的价格降低，使电机和永磁电动滚筒的宽范围调速得到广泛应用。使用永磁同步电机作为外置动力，可制成大功率低速大扭矩驱动滚筒，其布置如图1-4所示，应用于煤矿井下等大功率皮带机的电力拖动