煤矿全永磁电机系统驱动传动关键技术_王雷.pdf

Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 煤矿全永磁电机系统驱动传动关键技术 王雷 1,2， 朱玉芹1,2， 刘 昊 1,2 （1.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 2.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 介绍了全永磁式电机驱动传动系统的主要组成及各部分结构、 原理、 发展现状及趋势； 并针对煤矿细分场景进行了驱动传动系统不同搭配， 以永磁耦合器为例进行了磁场、 温度场、 机 械、 控制等关键技术分析。 主要结论如下 盘径 500 mm 下磁场转矩传递能力与气隙成反比， 铜盘厚 度最优为 6 mm， 占空比 0.75 时传递转矩最大； 散热片最高温度为 58.67 ℃， 温度处于安全范围 内； 齿轮强度、 调速沟槽接触应力等满足应力及材料变形量要求； 软启动加速度低于 0.25 m/s2。 关键词 永磁电机； 永磁耦合器； 永磁减速器； 多物理场耦合； 温度场 中图分类号 TD528文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0173-09 Key Technologies for Driving and Transmission of Full Permanent Magnet Motor System in Coal Mine WANG Lei1,2, ZHU Yuqin1,2, LIU Hao1,2 （1.China Coal Technology 2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract The paper introduces the main components and the structure, principle, development status and trends of full permanent magnet motor drive transmission systems; different drive transmission systems are matched for coal mine subdivision scenarios; the magnetic field, temperature field, machinery, control and other multi-physics fields were analyzed using the permanent magnetic coupling as an example. The main conclusions are as follows when the disc diameter is 500 mm, the torque transmission capacity of the magnetic field is inversely proportional to the air gap, the optimal copper plate thickness is 6 mm, and the maximum transfer torque is achieved when duty cycle is 0.75; the maximum temperature of the heat sink is 58.67℃and the temperature is within the safe range; the strength of the gear and the contact stress of the speed regulation groove meet the requirements of stress and material deation; the soft start acceleration is less than 0.25 m/s2. Key words permanent magnet motor; permanent magnet coupling; permanent magnet reducer; multi-physics coupling; tempera－ ture field 传统的煤机电力驱动系统大部分采用异步电机 搭配减速器的形式， 传动路线较长， 在长距离、 大功 率的发展方向下更容易出现诸多故障，其中机械传 动减速装置的存在不仅增加了传动系统的总体能耗 和运行噪声，而且降低了传动系统的运行平稳性和 可靠性， 同时驱动系统效率低， 造成了能源的浪费[1,2]。 而全永磁直驱系统包括永磁同步电机、永磁滚筒、 永磁耦合器及永磁减速器等，其效率高、功率因数 高， 且能实现低速直驱， 电机与负载直接连接， 提高 了驱动系统的效率，不仅满足矿用装备低速大转矩 需求，还缩短了驱动系统的长度，在煤矿应用日趋 广泛[3,4]。随着永磁电机在工业领域的大规模应用， 煤机装备驱动系统也面临重大转型需求，但大部分 企业的解决思路是使用永磁电机对异步电机进行替 换， 提高电机端的效率， 长传动链导致的悬臂梁、 系 统效率低的问题仍未能改善，目前尚缺少矿用全永 磁式低速直驱系统的研发，未能从根源上提高驱动 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.027 王雷， 朱玉芹， 刘昊.煤矿全永磁电机系统驱动传动关键技术 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （10 ） 173-181.. WANG Lei, ZHU Yuqin, LIU Hao. Key Technologies for Driving and Transmission of Full Permanent Mag－ net Motor System in Coal Mine ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10） 173-181.移动扫码阅读 基金项目 辽宁省自然基金计划资助项目 （2019- MS- 233） ； 煤科集 团沈阳研究院有限公司科技创新基金资助项目 （SYZD- 20- 009， SYZD- 20- 010） 173 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 系统的使用效率。 而煤矿全永磁直驱系统可大幅减少驱动系统传 动链长度，提高煤机装备的运行效率；削弱高频电 磁波对周边传感器干扰，提高煤矿设备运行稳定 性；降低对电源及绕组绝缘的需求及运输、维修的 人工成本；缓解巷道内空间尺寸受限的难题；克服 低速直驱永磁电机体积大的缺点，使永磁电机在刮 板输送机、带式输送机等低中心高设备上得到应 用；为驱动系统增加可靠的机械保护，避免驱动设 备损坏造成的生产事故，对煤矿安全高效生产具有 重要意义[5]。 1煤矿全永磁电机系统 煤机装备全永磁直驱系统主要包括永磁同步电 机、 永磁滚筒、 永磁耦合器及永磁减速器。 1.1永磁同步电机 永磁同步电机为驱动端，依靠永磁体产生励磁 磁场， 不需要无功励磁电流， 具有高效率、 体积小、 质量轻、 高功率密度、 调速范围宽、 运行可靠、 可维 护性好等优点，已成为当前高效节能电机领域的研 究热点[6]。若采用低速大转矩的永磁同步电机代替 传统的大型煤机设备驱动方式，相比传统的异步电 机，此时永磁电机不需要从电网吸收无功电流， 转 子上既无铜耗又无铁耗，所以永磁同步电机在很宽 的负载范围内能保持接近于 1 的功率因数，具有功 率因数高的特点； 0～120额定负载范围内效率 高， 在效率上， 不但在额定点有了提高， 而且在低负 载、 低速条件下， 更是优势明显。 永磁同步电机按结构分主要包括内转子电机及 外转子电机。内转子电机中分为工频自启动电机与 高速变频电机。而高速变频电机为又分为高速电机 与低速电机，其中低速电机包括一体式直驱电机、 一体式半直驱电机、分体式直驱电机及分体式半直 驱电机。外转子电机包括高速电机及低速电机， 而 低速电机又称为永磁滚筒。内转子高速电机多用于 高转速水泵、风机，外转子高速电机，也叫轮毂电 机，多用于电动汽车等场合，而煤矿用永磁电机多 为 50100 r/min 低转速驱动电机，主要为工频自启 动电机、 一体式直驱电机、 一体式半直驱电机、 分体 式直驱电机、分体式半直驱电机及永磁滚筒等 6 大 类。工频自启动电机可不通过变频器自启动，目前 工频永磁电机技术极为成熟，市场饱和，无研究必 要。其余 5 大类永磁电机需变频器启动， 且一体/分 体式半直驱永磁电机在煤矿电机系统尚无应用， 一 体直驱及分体直驱永磁电机尚缺少大功率相关研 究。 因此， 实现一体/分体式半直驱永磁电机 “从无到 有” 的技术突破， 攻克一体直驱可靠性、 永磁滚筒大 功率、分体直驱大功率关键技术十分必要。永磁同 步电机分类如图 1。 1.2永磁滚筒 永磁滚筒是外转子永磁电机，定子与轴安装在 转子内部， 工作时胶带、 绞绳等负载直接连接转子， 不再需要额外的连接手段，电机具有更大的转矩密 度， 可以广泛应用于带式输送机、 绞车等设备， 市场 前景广阔。永磁滚筒运行效率高，全转速范围功率 因数高，可靠性高，适应性强；不需要额外的连轴 结，节省安装空间，带式输送机的机头可以更加灵 活的布置；适当增加转子表面漏磁，吸附煤中的铁 器， 可起到磁选机的功效。目前， 永磁滚筒矿用产品 最高输出功率 315 kW， 额定运行转速 60～90 r/min； 冷却方式采用水冷结构，设备需要外置变频器及冷 却系统。永磁滚筒结构图如图 2 1.3永磁耦合器 目前永磁耦合器按结构及原理主要分为同步 型、 限矩型和调速型。 同步型耦合器结构图及传动基本模型图 3。同 步型永磁耦合器可应用于低速直驱永磁同步电机系 统， 实现无损传动的同时为永磁电机提供机械保护。 图 2永磁滚筒结构图 Fig.2Structure picture of permanent magnet drum 图 1永磁同步电机分类 Fig.1Permanent magnet synchronous motor classification 174 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 5调速型永磁耦合器 Fig.5Speed-adjustable permanent magnet coupling 图 4限矩型永磁耦合器 Fig.4Torque limited permanent magnet coupling 图 3同步型耦合器结构图及传动基本模型 Fig.3Synchronous coupling structure diagram and basic model of transmission 耦合器结构对称分布，主动盘与被动盘皆为永磁体 盘，两盘永磁体的磁场在气隙中耦合，把磁能转化 为机械能，实现转矩传递。当主动极以速度 v 运动 时，主动磁极（主动转子上的永磁体） 与从动磁极 （从动转子上的永磁体） 产生的作用力 P1、 P2在运动 方向上的分量是相叠加的，而垂直于运动方向上的 分量则方向相反基本抵消。因此从动磁极在平行于 运动方向的力的分量作用下，随主动磁极以同样的 速度 v 运动， 实现了运动和力的传递。 优点是可实现 主动转子与从动转子同步旋转，无转差。当两转子 间的传递转矩不能满足负载需求，从动转子会立即 停止转动，实现过载保护，但是过载保护时间不可 过长， 否则永磁体会有烧毁的风险。 限矩型永磁耦合器如图 4。限矩型永磁耦合器 多应用与异步电机系统，高效传动的同时可实现过 载保护功能。限矩型永磁耦合器通过滑差来自适应 负载变化，具有在负载卡死或其它扭力过大条件下 使负载完全脱离电机的能力，当负载卡死或超过限 定值的时候，排斥力迫使永磁转子移向远离铜导体 的位置，此时离心体不再限制永磁转子位移，气隙 将被拉大，从而减小了电机与负载之间的传递转 矩， 电机得到完全保护。当停止电机或卸掉负载后， 其能够自动复位，无需操作员介入。限矩型永磁耦 合器安装时允许较大安装误差，安装方便，适应潮 湿、粉尘、高低温等恶劣工况，额定传递效率大于 97， 明显高于液力耦合器。 调速型永磁耦合器如图 5。调速型永磁耦合器 多用于异步电机传动环节，可通过气隙精准调节实 现转矩及转速的精确输出，节能效果显著。调速型 永磁耦合器可通过手动或信号控制调节气隙大小来 改变输出转速， 具有调速功能， 应用于带式输送机、 刮板输送机等恒转矩负载，可以实现软启动与多机 功率平衡控制，解决直起直停重载冲击及多电机运 行、单台电机出力不均导致的电机过载烧毁、运输 带磨损断裂等故障。应用于风机、水泵等离心式负 载调速可通过气隙调节精确控制流量输出，克服机 械阀门流量调节造成的能量损失问题，解决“大马 拉小车” 电机高配问题， 具有良好节能效果。对环境 和电网无污染， 属于清洁技术， 额定转差率 3， 额 定传递效率大于 95。适用于需要实现负载全过程 调控的场合。 1.4永磁减速器 永磁减速器又叫永磁齿轮，其通过永磁体磁场 作用， 以非接触式方式通过气隙来传递转矩[7]。磁场 调制式永磁减速器结构图如图 6，包含高速旋转的 内转子、 低速旋转的外转子以及静止不动的调磁环。 175 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 6磁场调制式永磁减速器结构图 Fig.6Structure diagram of magnetic field modulation permanent magnet reducer 驱动电机与内转子连接，负载直接与外转子相连， 内外转子上皆安装有永磁体，中间安装有磁场调制 环，其上放置高导磁特性的调磁铁块，用于调制内 外气隙磁场。当驱动电机转动时带动永磁减速器内 转子旋转，通过永磁减速器的磁场调制来改变传动 比， 从而带动负载转动。具有结构简单、 体积小、 质 量轻、 可过载保护， 后期运行维护简易且维护量小， 并可替代传统联轴器及减速机功能的非接触式柔性 传动装置来解决目前煤矿机械齿轮传动存在的振动 大、噪声大、无过载保护功能、轮齿磨损等技术难 题。矿用磁场调制型永磁减速器应用到煤矿机械， 可降低企业运营成本，降低维护要求，提高传动系 统的可靠性，为井下设备的设计工作提供了新思 路、 新设备。 1.5应用情况 矿用永磁同步电机可实现低速大转矩直驱， 取 消传动系统中的减速器， 实现高效、 高可靠驱动。其 中，分体式低速永磁直驱电机可应用于大部分低速 负载驱动系统， 但中心高过高， 难以匹配刮板机； 分 体式低速永磁半直驱电机尤其适用于中心高较低的 刮板输送机、矿车等；一体式低速永磁直驱电机适 用于安装空间受限及驱动部经常移动的场合，但中 心高较高， 难以在刮板机、 转载机等场合得到应用； 一体式低速永磁半直驱电机适用于大部门煤机装 备；矿用永磁滚筒应用于带式输送机、提升机等场 合， 可实现定子与轴安装在转子内部， 节省空间、 可 靠性高， 但矿用功率最高为 315 kW。矿用永磁耦合 器可应用于带式输送机、 刮板输送机、 风机、 水泵等 所有煤机装备传动系统， 可靠性高、 传动效率高。永 磁减速器可替换机械减速器， 应用场景广泛。 针对现有煤矿电机驱动传动系统存量市场， 建 议采用永磁耦合器替换原有变频器或液力耦合器， 或采用永磁减速器替换原有机械减速箱，不仅可实 现高效高可靠传动，还可降低前期投入成本，性价 比高，尤其对风机、水泵等离心式负载节能效果显 著。针对增量市场及新煤机市场，可采用全永磁驱 动传动系统。针对刮板输送机， 可采用 “分体式低速 永磁半直驱电机、一体式低速永磁半直驱电机同 步型永磁耦合器” ； 针对带式输送机， 315 kW 以下可 采用“永磁滚筒同步型永磁耦合器” ， 315 kW 以上 带式输送机用低速直驱永磁同步电机 （变频一体机、 分体直驱） 同步型磁力耦合器。因此， 多种永磁同 步电机、永磁耦合器及永磁减速器搭配方案可实现 矿用全永磁电机驱动传动系统高效、 高可靠运行。 2全永磁电机系统多物理场 煤矿全永磁电机系统中，低速直驱永磁同步电 机多学科交叉研究关键技术主要包括关键零部件尺 寸参数对非均匀磁场特性影响规律 （磁场） 、 磁热耦 合高效散热系统 （热力学） 、 高可靠稳定机构及结构 （机械） 及智能控制系统 （电控） 等[8]。永磁耦合器多 学科交叉研究关键技术主要包括永磁体及铜盘盘对 磁场特性影响 （磁场） 、 旋转离心风冷及水冷散热系 统 （热力学） 、 高速重载可靠稳定调速机构及整机结 构 （机械） 、 恒转矩软启动调控系统 （电控） 等[9]， 永磁 减速器多学科交叉研究内容亦涉及磁场、热力学、 机械及电控等多物理场耦合分析。因此，煤矿全永 磁电机系统多学科解耦后皆为电磁学、热力学、 机 械、电控等学科，多物理场分析相互融通，触类旁 通。下面以永磁耦合器为例进行多物理场分析。 2.1多物理场耦合机理 永磁耦合器永磁体、铜盘等关键尺寸参数影响 磁场分布， 进而影响磁场转矩传递性能； 磁场性能决 定热损耗大小， 进而影响温度场分布； 温度场又会反 作用于磁场， 造成永磁体、 铜盘等磁场性能衰退， 造 成转矩传递能力下降；同时磁场轴向力及温度热应 力会对机械结构产生变形影响[10]。机械散热片及油 冷、水冷循环路径分布又将导致热力学温度分布变 化，流道分布还将影响磁场漏磁率。而软启动及功 率平衡控制策略制定则需依据磁场启动力矩及温度 场温升变化进行预警设置，且调速曲线及调速机构 是控制策略调控基础。因此， 永磁耦合器电磁学、 热 力学、 电控、 机械等多物理场耦合作用， 动态耦合机 理复杂，需解耦进行分析后进行耦合计算。基于多 物理场耦合机理， 将多场解耦分析， 并保障电磁、 温 度、 结构设计、 控制系统设计等相互接口传输数据， 建立了永磁耦合器多学科交叉开发标准化流程[11]。 以 1 台永磁体安装直径为 准500 mm 的矿用永磁耦 176 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 10矿用永磁耦合器最大传递性能 Fig.10Maximum transmission perance of mine permanent magnetic coupling 图 9变级数时传递性能及永磁体厚度变化 Fig.9Change of transmission perance and thickness of permanent magnet with variable series 图 7铜盘厚度对传递转矩影响规律 Fig.7The influence rule of copper disc thickness on transmission torque 合器为例进行仿真计算分析。 2.2非均匀磁场 分别研究不同铜盘厚度、 永磁体占空比、 永磁体 级数及气隙对永磁耦合器磁场传递性能的影响规 律。保持矿用永磁耦合器的其他尺寸参数不变， 设 定铜盘的厚度为不同值，得到的铜盘厚度对传递转 矩影响规律如图 7。可以看到，随着铜盘厚度的增 加，矿用永磁耦合器的传递转矩有所增加，但当铜 盘的厚度超过 6 mm 后， 其转矩增长率开始降低， 代 表此时矿用永磁耦合器铜盘厚度的影响达到了一个 极限值。如果继续增加铜盘的厚度，则会使造成材 料的浪费。 永磁耦合器采用 18 级， 则每块永磁体占 20机 械角度， 设置永磁体的占空比在 0.1～0.9 之间变化， 对不同的永磁体占空比进行仿真，在仿真过程中保 持永磁体的体积及厚度不变， 矿用永磁耦合器在 45 r/min 转差转速下的占空比对转矩影响如图 8。永磁 耦合器在永磁体厚度不变时，随着开角的增加， 其 传递转矩也在增加，转矩增长率不断减小，当永磁 体占空比达到 0.75 时， 矿用永磁耦合器具有最大转 矩体积比，即此时永磁耦合器的永磁体利用率最 大， 在占空比继续增加时， 转矩密度开始降低。 相比于占空比，永磁耦合器的级数也对传递性 能有较大影响。将 18 级、 永磁体占空比为 0.75 的矿 用永磁耦合器改造为 16 级和 20 级，设定新的永磁 耦合器永磁体占空比在 0.6～0.85 之间变化， 同时保 持永磁体的总体积不变，得到了永磁耦合器在不同 级数下的传递性能及永磁体厚度的变化趋势，变级 数时传递性能及永磁体厚度变化如图 9，矿用永磁 耦合器最大传递性能如图 10。可以看出， 当永磁耦 合器为 16 级和 20 级时，其仍在永磁体占空比为 0.75 左右时有较为良好的性能输出。不同之处在于 16 级传递最大转矩时的转差转速约为 145 r/min， 而 20 级永磁耦合器传递最大转矩时的转差转速约为 135 r/min。 即在相同转差转速下， 级数多的耦合器可 以传递更大的转矩。 永磁耦合器最大气隙需要进行有限元计算， 根 据计算结果选定 1 个合理的最大气隙值。设矿用永 磁耦合器运行于不同的转差转速，气隙 g 按照 g 图 8占空比对转矩影响 Fig.8Effect of duty cycle on torque 铜盘厚度 /mm 占空比 177 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 13永磁体温度分布云图 Fig.13Cloud distribution map of permanent magnets 图 12永磁耦合器温度云图及轴向温度分布图 Fig.12Temperature cloud diagram and axial temperature distribution of permanent magnet coupling ［4、 6、 8、 、 36 mm］ 变化， 则可以计算出永磁耦合器 在不同气隙下的传递转矩，不同气隙下矿用永磁耦 合器的传递能力如图 11。 由图 11 可以看出， 永磁耦合器传递转矩与气隙 成反相关， 气隙越大， 其传递转矩越小。据此， 可以 根据永磁耦合器在最小气隙时的运行性能确定设备 的额定参数，并利用有限元分析计算的结果设计出 最大气隙；同时对气隙大小进行调节则会得到永磁 耦合器在不同气隙时主从转子之间的吸力，为设计 气隙调节机构提供必要的数据。 2.3 旋转离心流固耦合风冷散热 基于流固耦合传热结合 MRF 模型精确计算散 热系数的方法，进行旋转离心风冷温度场精确表 征，并分析不同热损耗情况下的温度变化规律， 为 散热设计提供指导[12]。依然以安装直径为 准500 mm 的矿用永磁耦合器为例，基于涡流损耗计算公式得 到铜盘热损耗值并作为热源赋给铜盘，进而输入散 热系数进行计算，得到温度场分布。永磁耦合器温 度云图及轴向温度分布图如图 12。 永磁耦合器温度最高处为铜盘，温度向铜盘两 侧成梯度降低，铜盘到永磁体方向由于有空气域， 导热系数小， 热传递效率低， 热阻大， 故永磁体盖处 温度最低。铜盘到散热片方向，由于散热片旋转扰 动空气流动，散热系数大，热量散出主要经过散热 片， 故散热片为主散热体。此时， 散热片最高温度为 58.67 ℃， 温度值完全在安全范围内， 即在永磁耦合 器在 45 N m 卡死产热最多状态下，表面温度亦在 许用温度范围内， 表明散热效果良好， 可满足要求。 由于钕铁硼永磁体的温度性能较差，其在温度 达到 150 ℃后会出现不可逆退磁，导致永磁耦合器 无法正常运行，因此应重点关注永磁体温升。永磁 体温度分布云图如图 13，永磁体此时温升约为 35 ℃， 在允许温升范围内， 可稳定运行。 对煤科集团沈阳研究院有限公司开发的 6 种型 号 （ COBT310、 COBT380、 COBT430、 COBT550、 COBT580、 COBT620） 永磁耦合器不同热损耗下温度场分步进 行研究。主要针对转差率为 3 （额定转差率） 、 6、 9、 12、 15、 18 （大转差、 高热损） ， 即不同热损 耗情况下散热片及永磁体处温度值对比，永磁耦合 图 11不同气隙下矿用永磁耦合器的传递能力 Fig.11Transmission capability of mine permanent magnetic coupling under different air gap 178 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 14齿轮受力分析 Fig.14Gear force analysis 器不同型号数据对比图 （略） ， 不同型号不同转差情 况下， 铜盘温度最高， 永磁体温度最低， 且随着转差 率升高各零部件温升明显， 在 18大转差、 高热损 时各零部件温升显著且温差最大；随着永磁体盘径 增加， 即型号的增大， 永磁耦合器产热量增加， 最高 温升达 122 ℃， 散热片温度值为 106 ℃， 在煤矿安全 要求 150 ℃以下， 尚处于安全区， 但实际应用中并不 允许整机温度如此高，这会造成铜盘及散热片性能 不稳定，极易引发永磁耦合器运行故障，此时应考 虑变换风冷散热方式为液冷散热方式。而永磁体温 度值为 73 ℃， 处于退磁安全范围内。原因是虽然铜 盘温度较高，但向永磁体传递时由于气隙空气膜阻 力的存在，极大程度上阻止了热损耗向永磁体盘传 递， 故其温升较低， 安全性较高。 综上所述，基于流固耦合传热温度场表征方法 能够精确反应永磁耦合器温度分布，不同热损耗情 况下温升随着热损耗功率增加而上升，不同零部件 温度分布变化规律同样随热损耗增加而上升。该计 算结果能够预估永磁耦合器温度分布，预警高温升 情况， 并为散热设计提供依据。 2.4高精实时可靠调速机构力学分析 依据调速机构的基本原理可知，气隙调节过程 中齿轮齿条及调速内外套之间需要克服磁盘与铜盘 之间的轴向力作用，磁盘分离机构中有 3 对齿轮齿 条用于分离两侧磁盘， 有 6 根销轴用于传递转矩， 齿 轮齿条受力示意如图 14。3 对齿轮共同来承担磁盘 与铜盘之间轴向力， 每个齿轮需承受轴向力的 1/3， 将该力作用于齿轮齿条的选型设计和强度校核（应 力仿真分析图略） 。 如图 14， 调速机构中调速内套上设计有 3 个均 布的正弦曲线沟槽，在调速外套上安装有 3 个凸轮 轴承，在执行器驱动下，凸轮轴承在调速沟槽内滑 动， 实现调节气隙的功能。为了确保调速性能， 凸轮 轴承与调速内套沟槽内滑动时，二者需要具有较高 的机械强度以满足调速需求，对调速沟槽所承受的 接触应力进行分析计算，根据磁场仿真出的铜盘与 磁盘之间的轴向力，每个凸轮轴承受法向压力为轴 向力的 1/3。根据凸轮轴承的尺寸及调速沟槽形式， 对调速沟槽的机型接触应力分析，保证所受应力及 变形量满足材料的力学特性，调速沟槽接触应力仿 真分析图略。 2.5恒转矩负载软启动数学模型与控制策略 在带式输送机启动时，使用电动执行器对耦合 器的气隙进行调节[13]。 随着气隙减小， 耦合器输出转 矩 T 增加， 直到耦合器输出端开始动作。 T-T1J dω dt πJ 30 dn dt Cpa（1 ） 式中 T 为耦合器的输出转矩， N m； T1为负载 转矩， N m； ω 为耦合器输出端角速度， rad/s； n 为耦 合器输出端转速， r/min； J 为带式输送机辊筒的转动 惯量； a 为耦合器输出加速度， m/s2； Cp为和带式输送 机有关的常数； t 为运行时间， s。 式 （1） 可变为 T （δ， g） －T （0＋， g0） ＝Cpa（2） 式中 δ 为耦合器的转差率； g0为带式输送机开 始动作时耦合器的气隙； g 为耦合器运行时下气隙。 此时耦合器输出转矩为带式输送机启动时的负 载转矩。 将式 （2 ） 等式两侧同时对 t 求导， 可以得到 Cp da dt ＝ 鄣T （δ， g） 鄣s a 鄣T （δ， g） 鄣g dg dt （3） 若启动过程中对耦合器的气隙不作调整， 即 dg/ dt＝0， 则式 （3） 变为 Cp da dt 鄣T （s， g） 鄣s a（4 ） 式中 s 为耦合器的转差转速。 求解式 （4 ） 微分方程， 得 aC1e 乙1 Cp 鄣T s， 乙乙 g 鄣s dt （5 ） 式中C1为常数。 当负载开始动作时， 若使耦合器的气隙不变， 耦 合器工作在特性曲线的上升区， 因此有 鄣T （s， g） /鄣s0（6） 由式 （5） 和式 （6） 可知， 耦合器的输出加速度 a 将以指数形式上升，以致造成对胶带及辊筒极大的 冲击。因此， 需在负载启动过程中， 通过改变耦合器 的气隙以调节耦合器的输出转矩，将耦合器的输出 加速度稳定在 1 个区间内， 直到负载启动完毕， 达到 179 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 dc da ≈ I i 1 Σi s i-1 J j 0 Σajig j ΣΣΣΣ 16πca I i 1 Σi s i-1 J j 1 Σj ajig j-1 ΣΣΣΣ 1 Tz I i 1 Σs i J j 2 Σj j- ΣΣ 1 ajig j-2 ΣΣΣΣ cosθ （14） 软启动的效果。可设定软启动时间为 tstart， 进而求得 软启动的期望平均加速度为 αrnN/tstart（7） 式中 ar为启动过程中的期望平均加速度； nN为 耦合器驱动电机的额定转速。 耦合器的气隙 g 由角行程电动执行器进行控 制， 气隙调节为匀速， 即 dg/dt1/TZ（8） 式中TZ为角行程电动执行机构从 0到 100 开度的时间， s。 将式 （8） 代入式 （3） ， 有 da dt 1 Cp 鄣T （s， g） 鄣s a 1 Cp 鄣T （s， g） 鄣g 1 TZ （9） 为对带式输送机不造成冲击，令带式输送机以 恒定的加速度进行软启动， 即 da/dt0（10 ） 角行程电动执行机构的输出转角与实际开度的 关系为 θ （t） π 2 c （t）（11 ） 式中θ （t） 为角行程电动执行机构的输出转角， rad； c （t ） 为角行程电动执行机构的输出开度实际值。 永磁耦合器气隙与角行程电动执行机构输出转 角的关系为 g36-32sinθ（12 ） 式中 θ 为角行程机构的输出转角， rad。 由式 （11 ） 和式 （12 ） 得 dg/dc-16πc cosθ（13） 式中 c 为执行器开度。 由式 （10 ） 和式 （13） 得 图 15软启动流程图 Fig.15Soft start flow chart 根据式 （14） ， 软启动过程中的执行机构开度调 节率可取 △ckI dc da （ar-a）（15 ） 式中 kI为积分控制系数； △c 为执行机构开度 的增量； 为启动过程中的期望平均加速度。 基于恒转矩软启动数学模型分析，可得到耦合 器软启动控制系统的结构。带式运输机软启动流程 图如图 15。 带式输送机软启动流程分为以下步骤 1 ） 启动电机， 此时永磁耦合器处于最大气隙位 置， 只能传递很小的转矩， 实现电机空载启动， 减少 电机峰值电流持续时间，削弱电机启动过程中电网 的压降。 2 ） 永磁耦合器处于大气隙时， 其传递转矩不能 带动负载， 永磁耦合器的输出转速加速度为 0， 经过 PID 调节器对信号的处理，永磁耦合器的气隙迅速 减小，直到永磁耦合器输出端动作，此时根据调速 型永磁耦合器的数学模型计算此次启动转矩 T1。 3） 实时监测永磁耦合器的输出端转速及气隙大 小，计算出永磁耦合器的传递转矩，并将计算结果 和 T1进行对比， 对比后计算出转速的加速度， 经过 PID 调节器后对永磁耦合器的气隙进行进一步的调 节， 使永磁耦合器的传递转矩维持在 T1， 维持带式 输送机转速加速度。 4） 当带式输送机的带速达到额定后， 调速型永 磁耦合器将会到最小气隙状态下运行。此阶段控制 器将会根据本次启动的时长与设定的时长进行对 比， 修正 PID 控制参数。 5） 带式输送机停机后， 调速型永磁耦合器的气 隙将会调节至最大状态，保证下次启动时电机可以 180 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 空载启动。最终可实现启动加速度低于 0.25 m/s2。 3结语 1） 煤矿全永磁电机系统可大幅减少驱动系统传 动链长度，提高运行效率及稳定性。其中永磁同步 电机能够实现 50100 r/min 低转速直驱，且传动效 率可达 97；永磁耦合器应用于电机传动环节， 高 效传动的同时为电机提供有效的机械保护；永磁减 速器应用于电机传动环节替换传统齿轮减速器， 具 有结构简单、 体积小、 质量轻、 可过载保护等优点。 2） 以永磁耦合器为例进行多物理场解耦分析， 在非均匀磁场方面，可以发现铜盘厚度最优为 6 mm， 占空比 0.75 时传递转矩最大， 相同转差情况下 技术越多磁场传递转矩能力愈强。同时，磁场转矩 传递能力与气隙成反比。 3） 旋转离心流固耦合风冷温度场分析方面， 在 负载卡死产热量最大情况下，散热片最高温度为 58.67 ℃， 温度处于安全范围内； 同时， 分析了不同热 损耗、 不同型号永磁耦合器的温度变化规律， 可知温 度随热损耗增加而升高。 4） 针对高精实时调速机构力学分析方面， 对气 隙调节过程中齿轮齿条受力进行仿真计算，可以得 到齿轮强度、调速沟槽接触应力等满足应力及材料 变形量要求。 5） 建立了恒转矩负载软启动调控数学模型并进 行计算分析，得到软启动控制策略及软启动调控流 程， 实现启动加速度低于 0.25 m/s2。 参考文献 ［1］ 张永.永磁同步电机直驱带式输送机在顾桥煤矿的应 用 ［J］ .科学技术创新， 2017 （23） 82-83. ［2］ 张俊飞.智能永磁直驱系统在煤矿井下带式输送机上 的应用 ［J］ .电子技术与软件工程， 2019 （12） 227. ［3］ 冯耀东.皮带输送机永磁电机直驱系统关键技术研究 ［D］ .徐州 中国矿业大学， 2019. ［4］ 舒子龙.永磁电机半直驱刮板输送机动态特性研究 ［D］ .徐州 中国矿业大学， 2019. ［5］ 张荣， 贾清华， 李丽， 等.智能永磁直驱系统在煤矿井 下带式输送机上的应用 ［J］ .中国煤炭， 2018， 44 （8） 99-102. ［6］ 鲍晓华， 刘佶炜， 孙跃， 等.低速大转矩永磁直驱电机 研究综述与展望 ［J］ .电工技术学报， 2019， 34 （6） 1148-1160. ［7］ 肖磊.磁场调制型永磁减速器基础研究 ［D］ .焦作 河 南理工大学， 2014. ［8］ 王雪斌.矿用永磁直驱电机及其冷却系统设计 ［D］ .沈 阳 沈阳工业大学， 2016. ［9］ Wang Z, Ren L, Tang Y, et al. A Coupling Simulation and Modeling for High Tempe