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【关键词】永磁电动滚筒;变频直驱;东怀煤矿
【中图分类号】TD45 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）06-0092-03
0 引言
随着电子信息技术及永磁技术的不断进步，我国煤矿输送机领域逐渐从传统的驱动转变为智能化的变频驱动。永磁电机最早被应用于航空领域，这得益于永磁材料效率高和成本低的优点，后来逐渐被应用于工业领域。我国煤矿过去大多采用限矩形液压耦合器驱动或调速型液力耦合器驱动，这些驱动方式需要将电机进行减速后方可进行，导致经常出现车轮销轴锁死或电机减速机故障。智能永磁变频系统不需要复杂的运行调整程序，实现了启停与调速功能。东怀煤矿应用永磁电动滚筒对传统带式输送机驱动方式优化与改造，为其他煤矿输送机的改进提供了借鉴经验。
1 永磁电动滚筒概述及其特点
智能永磁变频电动滚筒由3个部分构成，分别是永磁电动滚筒、智能型变频器及水冷等附属装置。运行原理可简单地概述为机械能和电能的转化。由于永磁滚筒是由永磁材料制作，因此不存在励磁损耗问题，永磁体可以构建永磁场，当绕组以一定的频率通入交流电后，就会产生旋转磁场推动滚筒转动，也减少了使用过程中的材料损耗，使设备的使用寿命大大延长。此外，在滚筒表面包装防火材料，可以降低井下安全事故发生的概率。
永磁变频电动滚筒效率较高，根据国际标准，永磁变频电机的能耗比传统电机低20%左右。目前，国內各个永磁电机厂家都已经得到了“MA”认证，产品技术成熟，已经远销海内外 [1]。
永磁智能变频驱动系统启动可以实现大转矩启动，启动阶段没有明显的冲击效应，机械机构设计科学合理，能够大大降低冲击力，减少系统应力累积，这样不仅可以提高电子零部件寿命，还解决了带式输送机重载启动的问题。
在智能永磁电动滚筒的设计中，由于转子使用了永磁体，因此无须励磁，能耗进一步降低。经常使用的电机转子材料由烧结钕铁硼制成，牌号通常为N38UH或N38SH，能够在不高于180 ℃的温度下持续工作，设计使用寿命长达20年，使用寿命内基本不会退磁。
采用永磁变频直流驱动时可以产生比传统驱动更大的转矩，更大的转矩能够满足更重的载荷启动。采用特定的智能变频器可以实现两倍甚至多倍的额定载荷，不仅有利于完成繁重的生产任务，也不容易发生安全事故或设备故障。在智能变频器中增加温度、压力、速度传感器后，进一步实现了输送带的智能化控制，而且在设备能耗降低的基础上增强了人机互动，降低了劳动强度。
智能永磁变频电动滚筒结构简单、可靠，设备安装非常方便，直接使用输送机胶带运转，有利于煤矿的后期维护和检修，降低了工人的体力劳动强度，节省了人力成本 [2]。
在调速方面，永磁电机使用同步智能伺服控制器，可以根据胶带输送的载荷量调整输送机的运行速度，降低了驱动设备的磨损合能耗，为设备寿命提供技术保障。此外，这种多驱动电机可以使功率控制更加精确，输送过程更加平稳，保证输送过程顺利进行。
在便捷性方面，智能永磁变频电动滚筒拥有多种通信接口，可及时与上位机组进行数据交换，并且拥有良好的欠压、过流及短路保障措施，能够保证输送机在突发电力故障时的安全性，降低生产风险 [3]。
2 与传统驱动方式的比较
在煤矿生产中，输送机是不可缺少的关键设备，而输送机的驱动系统则是整个输送机的核心。只有拥有一个安全可靠的驱动系统，才能保证输送机正常使用，保证煤矿安全、有效地运行和经济可持续发展。近年来，随着带式输送设备的飞速发展，驱动系统的结构和功能发生了翻天覆地的变化。目前，常见的输送机驱动方式有CST可控驱动系统、电机与减速器联用驱动系统及永磁变频驱动。CST可控驱动系统是由美国DODGE公司开发的技术，系统设置复杂，是由减速器、PLC、传感系统、液压控制器及冷却系统构成。减速器的设置由一连串啮合齿轮、行星轮系及托架等构成，通过调整内齿圈的转速得到负载需要的速度特性，最终实现输送机的启停和减速。因此，虽然在带速和负载能力调节方面，CST系统和永磁变频驱动相差不大，但是CST更加复杂，出现故障后一般不能通过及时修理恢复使用，液压元件的价格昂贵，长期使用容易发生漏油事故，制造了安全隐患。此外，在输送机的使用过程中，“传统电机+减速器+联轴器”的驱动方式能耗较高，效率和运载能力相对较低。如图1所示，变频永磁直驱系统在诸多的驱动系统中，凭借高效可靠、结构简单、维修容易的特点异军突起，并伴随永磁材料的进一步发展并逐渐完善，适合带式输送机使用，越来越多煤矿更愿意使用永磁变频驱动 [4]。
永磁变频滚筒在东怀煤矿的应用过程中，解决了一些实际生产问题。
（1）重载启动方面。首先，过去的“变频异步电动机+联轴器+减速机”及CST启动都有平衡性差的缺点，很容易造成安全隐患。使用永磁变频滚筒后，通过采用多机驱动的方式，保证了电机输出功率平衡，将不平衡度维持在2%以下。其次，永磁点击直接连接滚筒和胶带，可以保证传动及时，没有延迟，传动效率大幅度提高，可以节能10%～20%，节能效果显而易见。最后，使用永磁变频滚筒能够实现智能控制和集中控制，能提高煤矿的信息化和智能化水平，降低劳动强度。
（2）节能效益方面。传统的“电机+联轴器+减速器”的驱动方式轴功率按照100 kW计算，每年耗电量接近200万kW·h。使用永磁变频电机每年耗电量为140万kW·h左右。使用永磁变频电机在同样的轴功率下，可以节能30%。从绿色环保的角度来看，使用永磁变频电机可以明显降低能耗，产生更好的经济效益。 （3）设备设计方面，永磁电动滚筒的du/dt相对较低，能够有效避免电机绝缘层及电机轴承损坏，大幅度延长电机的寿命。IGBT承受的反向电压较低，仅有直流母线电压的1/2，降低散热成本相对较低。此外，整体结构设计较紧凑，占地面积小，实现了多机功率平衡同步控制。
3 智能型永磁电动滚筒的应用
东怀煤矿使用的智能永磁电动滚筒分为4个层次，分别是感知层、数据通信层、数据信息支撑层及应用层。首先，设备感知层通过可以编程的控制器去采集每个永磁变频滚筒的数据信息，包括各个细节的信息，例如运行记录信息、抱闸状态、冷却器状态及各个未知的温度信号等。其次，数据通信层利用以太网或者光纤将可编程控制器采集到的信息通过4G通信模块传输到系统中。再次，数据信息支撑层充分利用WDT“看门狗”，保证了驱动系统的安全性和可靠性，使故障率降到最低。最后，应用层通过设置实现对整个永磁电动滚筒的信息監控，保证用户个性化的使用需求，可以方便地进行信息添加、删除、修改或者更新。
在物联网平台方面，智能永磁电动滚筒拥有4个特点。第一，具备实时监控功能，能够实现设备在线状态、运行频率、电压电流、持续运行时间及故障信息的实时监控，所有信息都可以在系统内存储和及时调阅，并能够上传至电脑和手机，形成故障记录，出现异常可及时通知。第二，在故障管理和推送方面，可以实现故障的设置、记录、统计、推送及查询功能，在一定时间内保存历史故障，对发生故障的类型、起止时间、故障等级、故障原因等及时记录，并根据这些记录系统自动分析发生故障的类型和等级，在一定时间内及时统计每种故障发生的比例，与其他时间段进行对比，便于使用人员分析设备状态，寻找设备故障原因，根据故障原因评判是否需要进行检修或更换零部件等。第三，在系统管理层面，智能型的永磁电动滚筒信息平台可将用户按照不同等级进行分级，分级不同，权限不同，可以设置为管理层、维修层及普通层，不同层面的权限实现功能不同。第四，在设备的安装和调试方面，客户可以按照平台的指导说明，定期查看运行记录，跟踪设备运行状态，及时保养设备 [5]。
4 结语
永磁电动滚筒的成熟度和推广前景随着在各个煤矿的实际应用中得到广泛验证，东怀煤矿使用智能永磁电动滚筒不仅安全可靠，还为煤矿创造了较大的经济效益。永磁电动滚筒已经开始逐步取代传统的“异步电动机+联轴器+减速器”的驱动模式，为国家能源行业发展做出了巨大贡献，尤其在工作条件复杂的煤矿中，保证了煤矿生产所需要的输送能力要求及带式输送机的安全和高效，对煤矿的节能减排有重要意义。永磁电动滚筒的智能化将成为下一阶段发展的主要方向，可以预见，我国的煤矿输送机效率低、能耗大、维护复杂、工人劳动强度大的问题将随着永磁电机的发展得到彻底解决，势必在国际市场上占有重要地位。
参 考 文 献
[1]李自菊，雷正保，曾雁.基于制动系统的CST电控系统智能设计[J].交通科学与工程，2010，26（2）：71-77.
[2]刘超.低速大扭矩永磁同步电机变频驱动系统在主斜井带式输送机上的应用[J].石化技术，2020，27（1）：145-
146.
[3]张乐.煤矿带式输送机永磁同步电机变频驱动技术与传统驱动技术比较分析及应用前景展望[J].电子世界，2015（16）：194-195.
[4]张庆奇.试论永磁变频同步电动机直驱带式输送机在煤矿井下的应用研究[J].中国石油和化工标准与质量，2019，39（14）：131-132.
[5]侯宾.智能变频永磁直驱多模式驱动在煤矿主运强力胶带运输系统的应用[J].中国化工贸易，2018，10（22）：134.
【中图分类号】TD45 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）06-0092-03
0 引言
随着电子信息技术及永磁技术的不断进步，我国煤矿输送机领域逐渐从传统的驱动转变为智能化的变频驱动。永磁电机最早被应用于航空领域，这得益于永磁材料效率高和成本低的优点，后来逐渐被应用于工业领域。我国煤矿过去大多采用限矩形液压耦合器驱动或调速型液力耦合器驱动，这些驱动方式需要将电机进行减速后方可进行，导致经常出现车轮销轴锁死或电机减速机故障。智能永磁变频系统不需要复杂的运行调整程序，实现了启停与调速功能。东怀煤矿应用永磁电动滚筒对传统带式输送机驱动方式优化与改造，为其他煤矿输送机的改进提供了借鉴经验。
1 永磁电动滚筒概述及其特点
智能永磁变频电动滚筒由3个部分构成，分别是永磁电动滚筒、智能型变频器及水冷等附属装置。运行原理可简单地概述为机械能和电能的转化。由于永磁滚筒是由永磁材料制作，因此不存在励磁损耗问题，永磁体可以构建永磁场，当绕组以一定的频率通入交流电后，就会产生旋转磁场推动滚筒转动，也减少了使用过程中的材料损耗，使设备的使用寿命大大延长。此外，在滚筒表面包装防火材料，可以降低井下安全事故发生的概率。
永磁变频电动滚筒效率较高，根据国际标准，永磁变频电机的能耗比传统电机低20%左右。目前，国內各个永磁电机厂家都已经得到了“MA”认证，产品技术成熟，已经远销海内外 [1]。
永磁智能变频驱动系统启动可以实现大转矩启动，启动阶段没有明显的冲击效应，机械机构设计科学合理，能够大大降低冲击力，减少系统应力累积，这样不仅可以提高电子零部件寿命，还解决了带式输送机重载启动的问题。
在智能永磁电动滚筒的设计中，由于转子使用了永磁体，因此无须励磁，能耗进一步降低。经常使用的电机转子材料由烧结钕铁硼制成，牌号通常为N38UH或N38SH，能够在不高于180 ℃的温度下持续工作，设计使用寿命长达20年，使用寿命内基本不会退磁。
采用永磁变频直流驱动时可以产生比传统驱动更大的转矩，更大的转矩能够满足更重的载荷启动。采用特定的智能变频器可以实现两倍甚至多倍的额定载荷，不仅有利于完成繁重的生产任务，也不容易发生安全事故或设备故障。在智能变频器中增加温度、压力、速度传感器后，进一步实现了输送带的智能化控制，而且在设备能耗降低的基础上增强了人机互动，降低了劳动强度。
智能永磁变频电动滚筒结构简单、可靠，设备安装非常方便，直接使用输送机胶带运转，有利于煤矿的后期维护和检修，降低了工人的体力劳动强度，节省了人力成本 [2]。
在调速方面，永磁电机使用同步智能伺服控制器，可以根据胶带输送的载荷量调整输送机的运行速度，降低了驱动设备的磨损合能耗，为设备寿命提供技术保障。此外，这种多驱动电机可以使功率控制更加精确，输送过程更加平稳，保证输送过程顺利进行。
在便捷性方面，智能永磁变频电动滚筒拥有多种通信接口，可及时与上位机组进行数据交换，并且拥有良好的欠压、过流及短路保障措施，能够保证输送机在突发电力故障时的安全性，降低生产风险 [3]。
2 与传统驱动方式的比较
在煤矿生产中，输送机是不可缺少的关键设备，而输送机的驱动系统则是整个输送机的核心。只有拥有一个安全可靠的驱动系统，才能保证输送机正常使用，保证煤矿安全、有效地运行和经济可持续发展。近年来，随着带式输送设备的飞速发展，驱动系统的结构和功能发生了翻天覆地的变化。目前，常见的输送机驱动方式有CST可控驱动系统、电机与减速器联用驱动系统及永磁变频驱动。CST可控驱动系统是由美国DODGE公司开发的技术，系统设置复杂，是由减速器、PLC、传感系统、液压控制器及冷却系统构成。减速器的设置由一连串啮合齿轮、行星轮系及托架等构成，通过调整内齿圈的转速得到负载需要的速度特性，最终实现输送机的启停和减速。因此，虽然在带速和负载能力调节方面，CST系统和永磁变频驱动相差不大，但是CST更加复杂，出现故障后一般不能通过及时修理恢复使用，液压元件的价格昂贵，长期使用容易发生漏油事故，制造了安全隐患。此外，在输送机的使用过程中，“传统电机+减速器+联轴器”的驱动方式能耗较高，效率和运载能力相对较低。如图1所示，变频永磁直驱系统在诸多的驱动系统中，凭借高效可靠、结构简单、维修容易的特点异军突起，并伴随永磁材料的进一步发展并逐渐完善，适合带式输送机使用，越来越多煤矿更愿意使用永磁变频驱动 [4]。
永磁变频滚筒在东怀煤矿的应用过程中，解决了一些实际生产问题。
（1）重载启动方面。首先，过去的“变频异步电动机+联轴器+减速机”及CST启动都有平衡性差的缺点，很容易造成安全隐患。使用永磁变频滚筒后，通过采用多机驱动的方式，保证了电机输出功率平衡，将不平衡度维持在2%以下。其次，永磁点击直接连接滚筒和胶带，可以保证传动及时，没有延迟，传动效率大幅度提高，可以节能10%～20%，节能效果显而易见。最后，使用永磁变频滚筒能够实现智能控制和集中控制，能提高煤矿的信息化和智能化水平，降低劳动强度。
（2）节能效益方面。传统的“电机+联轴器+减速器”的驱动方式轴功率按照100 kW计算，每年耗电量接近200万kW·h。使用永磁变频电机每年耗电量为140万kW·h左右。使用永磁变频电机在同样的轴功率下，可以节能30%。从绿色环保的角度来看，使用永磁变频电机可以明显降低能耗，产生更好的经济效益。 （3）设备设计方面，永磁电动滚筒的du/dt相对较低，能够有效避免电机绝缘层及电机轴承损坏，大幅度延长电机的寿命。IGBT承受的反向电压较低，仅有直流母线电压的1/2，降低散热成本相对较低。此外，整体结构设计较紧凑，占地面积小，实现了多机功率平衡同步控制。
3 智能型永磁电动滚筒的应用
东怀煤矿使用的智能永磁电动滚筒分为4个层次，分别是感知层、数据通信层、数据信息支撑层及应用层。首先，设备感知层通过可以编程的控制器去采集每个永磁变频滚筒的数据信息，包括各个细节的信息，例如运行记录信息、抱闸状态、冷却器状态及各个未知的温度信号等。其次，数据通信层利用以太网或者光纤将可编程控制器采集到的信息通过4G通信模块传输到系统中。再次，数据信息支撑层充分利用WDT“看门狗”，保证了驱动系统的安全性和可靠性，使故障率降到最低。最后，应用层通过设置实现对整个永磁电动滚筒的信息監控，保证用户个性化的使用需求，可以方便地进行信息添加、删除、修改或者更新。
在物联网平台方面，智能永磁电动滚筒拥有4个特点。第一，具备实时监控功能，能够实现设备在线状态、运行频率、电压电流、持续运行时间及故障信息的实时监控，所有信息都可以在系统内存储和及时调阅，并能够上传至电脑和手机，形成故障记录，出现异常可及时通知。第二，在故障管理和推送方面，可以实现故障的设置、记录、统计、推送及查询功能，在一定时间内保存历史故障，对发生故障的类型、起止时间、故障等级、故障原因等及时记录，并根据这些记录系统自动分析发生故障的类型和等级，在一定时间内及时统计每种故障发生的比例，与其他时间段进行对比，便于使用人员分析设备状态，寻找设备故障原因，根据故障原因评判是否需要进行检修或更换零部件等。第三，在系统管理层面，智能型的永磁电动滚筒信息平台可将用户按照不同等级进行分级，分级不同，权限不同，可以设置为管理层、维修层及普通层，不同层面的权限实现功能不同。第四，在设备的安装和调试方面，客户可以按照平台的指导说明，定期查看运行记录，跟踪设备运行状态，及时保养设备 [5]。
4 结语
永磁电动滚筒的成熟度和推广前景随着在各个煤矿的实际应用中得到广泛验证，东怀煤矿使用智能永磁电动滚筒不仅安全可靠，还为煤矿创造了较大的经济效益。永磁电动滚筒已经开始逐步取代传统的“异步电动机+联轴器+减速器”的驱动模式，为国家能源行业发展做出了巨大贡献，尤其在工作条件复杂的煤矿中，保证了煤矿生产所需要的输送能力要求及带式输送机的安全和高效，对煤矿的节能减排有重要意义。永磁电动滚筒的智能化将成为下一阶段发展的主要方向，可以预见，我国的煤矿输送机效率低、能耗大、维护复杂、工人劳动强度大的问题将随着永磁电机的发展得到彻底解决，势必在国际市场上占有重要地位。
参 考 文 献
[1]李自菊，雷正保，曾雁.基于制动系统的CST电控系统智能设计[J].交通科学与工程，2010，26（2）：71-77.
[2]刘超.低速大扭矩永磁同步电机变频驱动系统在主斜井带式输送机上的应用[J].石化技术，2020，27（1）：145-
146.
[3]张乐.煤矿带式输送机永磁同步电机变频驱动技术与传统驱动技术比较分析及应用前景展望[J].电子世界，2015（16）：194-195.
[4]张庆奇.试论永磁变频同步电动机直驱带式输送机在煤矿井下的应用研究[J].中国石油和化工标准与质量，2019，39（14）：131-132.
[5]侯宾.智能变频永磁直驱多模式驱动在煤矿主运强力胶带运输系统的应用[J].中国化工贸易，2018，10（22）：134.