CN103296805A - 一种内装式外转子永磁电机直驱矿井提升机 - Google Patents

Abstract

一种内装式外转子永磁电机直驱矿井提升机，永磁电机定子通过定子支撑结构套装于提升机主轴上，转子支撑结构和内侧轴承沿永磁电机定子两侧套装于提升机主轴上，转子支撑结构上部安装永磁电机外转子，提升机主轴两侧套装外侧轴承和卷筒支撑结构，卷筒支撑结构上部安装钢丝绳卷筒，钢丝绳卷筒安装于永磁电机外转子外部，永磁电机外转子通过柔性连接机构连接钢丝绳卷筒内侧，提升机主轴两端安装于左侧支撑基座和右侧支撑基座上。充分利用内装式提升机结构紧凑和受力均匀的特点，同时又利用了外转子永磁电机结构简单，控制特性优良，高效可靠，电机采用外转子结构，便于系统安装，利于转子与提升机卷筒的连接。

Description

一种内装式外转子永磁电机直驱矿井提升机

技术领域

本发明涉及矿山机械领域，尤其涉及一种大型矿井提升机的直驱系统。

背景技术

矿井提升机是煤炭开采过程中的重要运载工具，通常起到将矿井底部的煤炭等资源运输至地面的作用，其运行的可靠稳定性直接影响到矿井作业能否顺利进行，其提升能力也直接决定了矿井产量。传统矿井提升机系统主要包括驱动电机、减速机与联轴器等连接设备、钢丝绳卷筒、控制设备等，这些部分主要位于地面机房内部，此外还有天轮、容器和配重等，这些部分位于井口或井下。经过近几十年的发展，矿井提升机的驱动系统和自动化控制程度不断提高。从缠绕式到多绳摩擦式，从经过减速机变速驱动到直联结构，再到内装式结构，从异步电机减速驱动，到直流电机和电励磁同步电机驱动直接驱动，再到永磁同步电机驱动，系统驱动结构逐渐简化，控制性能不断改善。根据系统驱动结构，矿井提升机先后经历了如下三个阶段：

1、绕线式交流异步电动机经过减速机驱动

交流绕线型异步电动机拖动系统是矿井提升机电力拖动发展的第一阶段，由于鼠笼型异步电动机很难满足矿井提升机起动和调速性能的要求，因此，矿井提升机曾采用绕线型异步电动机。绕线型异步电动机起动电流小，起动转矩大，并能在一定范围内调速。但是，效率低，不适宜频繁起动，调速范围窄，属于有级调速。由于滑环和电刷的存在，系统安装结构复杂。其传动结构为：电机经减速机和联轴器到滚筒。从电机到减速机输入级的轴线以及从减速机输出级到滚筒的轴线中间都经联轴节连接，对制造精度和安装精度的要求都很高。长期运行后磨损过度，或基础变动，都会引起毁齿或烧轴承的事故。我国上世纪50-60年代的矿井提升机多采用此种驱动模式。

2、电机与卷筒直联式结构

直接联接结构又分联轴器联接及电机转子悬挂式两种。相比于第一阶段中存在的减速机，此阶段由于取消了减速机构，系统简化，负载卷筒所需要的低速大扭矩驱动特性由电机直接满足，由于传统异步电机无法做成多极低速结构，因此直流电动机便取代了异步电机加减速机结构，成为上个世纪60-70年代最主要的驱动模式之一。

根据电机与卷筒的连接方式不同，先后出现了采用联轴器连接以及电机转子悬挂式两种驱动模式。起初，直流电机和卷筒作为两个独立的设备，分别有各自的支撑轴承，二者的连接通过联轴器完成，这样就出现了三支点或四支点轴承座, 因此造成了静不定问题,尤其对于这种大型装备，安装和对中都存在较大困难。由于装配误差不可避免，因此动力传动轴系内部存在应力集中问题，给系统安全运行带来隐患。正是由于以上问题的存在，上个世纪50年代出现了悬挂转子式的两轴系矿井提升机，电机自身没有独立支撑轴承，电机转子与卷筒共用一个主轴，这种以悬挂转子为特征的直连结构，取消了联轴器等机构，系统得到简化。不仅效率高，而且两点支撑的主轴从根本上避免了静不定问题。但是在电动机内部各种力的作用下，气隙均匀性较难保证。一旦由于单边磁拉力等因素造成气隙偏心，就会严重影响电机性能，对系统安全运行造成威胁。因此为了保证系统安全，两轴承轴系的提升机，应具有足够的刚度，必须考虑如下问题：主轴刚度、轴承座刚度、轴承游隙、定子刚度、基础刚度、运行期间因发热导致定子变形并引起作用于基础上的附加力，地面组装的不精确度等。

在电机与卷筒直联式结构中，电机驱动模式先后出现了直流发电机组供电的磁场可调式直流电动机调速系统，晶闸管整流供电的直流电动机调速系统，以及交交变频调速的电励磁同步电动机驱动系统。

矿井提升机卷筒转速通常较低，对于这种直联式结构，就要求驱动电机必须满足低速大扭矩和优良的调速特性。直流电动机调速系统简单，技术成熟，便成为了直联式提升机的首选。直流电动机的机械特性为直线，调速性能更好，工作更加可靠。发电机组—直流电动机拖动系统的优点是：过载能力强，所需设备均为常规定型产品，供货容易，运行可靠，技术要求不高，对系统以外的电网不会造成有害的影响；其缺点是：效率低，平均只有75%左右；调速范围由于剩磁影响不能过大；设备复杂、庞大、占地面积大等。这种系统在上个世纪60年代以后逐渐被淘汰。

20世纪60年代初到70年代，在这近20年的时间里，伴随着电力电子技术的飞速发展，晶闸管整流装置供电的直流拖动系统得到迅速发展和普及。相比直流发电机组供电的直流电动机系统，该系统无论在系统紧凑型和控制特性方面都已经有了较大提高。但是无法回避的是直流电机电刷及换向器的存在，系统可维护性差，效率低下。对于大容量的晶闸管变流系统成本高。

80年代以来,随着静止变频装置的发展,为用大功率可调速的同步电动机在大多数应用领域中取代直流电机开辟了道路。同步电机没有换向器，结构比直流电机紧凑，效率更高，从经济效益和产品成本而言,相对直流电机驱动的悬臂摩擦式提升机具有明显的优点。因此，采用交交变频调速系统的电励磁同步电机驱动系统在80年代，逐渐成为大功率提升机驱动模式的主流。而且由于电励磁同步电机结构更加简单，安装灵活性好，为提升机向第三代的内装式发展提供了可能。

3、电励磁同步电机内装式驱动结构

内装式驱动结构将外转子电励磁同步电动机与卷筒进行一体化设计，将电机定子固定在卷筒主轴上，电机整体安装在卷筒内部，卷筒外侧安装钢丝绳衬垫，卷筒内侧加装T型钢结构固定电机转子磁极。系统采用两轴系结构，并且轴承位于电机与卷筒两侧，受力均匀，避免了多轴系的静不定问题，机械部分的内部应力状况得到了根本改善，轴的挠度及装配误差明显缩小，气隙偏差变小，从而保证了提升机的安全运行。世界第一台电机内装式提升机于1988年问世，其主驱动电机即采用电励磁同步电动机，安装于德国威斯特法伦矿业公司的豪斯阿登矿新鲁姆贝克井。

内装式提升机有如下结构特点：

（1）结构紧凑，节省空间，减少提升机房的建筑面积和提升机基础，节省建筑投资。

（2）因为不采用悬壁式结构，主轴的挠曲大大减少。

（3）钢丝绳拉力和磁拉力是对称传递的，整个系统刚度大大提高。

（4）设备基础的刚度不会影响电机气隙。

（5）电机温升不会导致不对称，所以不会影响电机气隙。

（6）采用整体的抗摩擦滚动轴承，轴承间隙比滑动轴承大大减小，改善了提升机在全速运行时的稳定性，也就大大减小了机械振动。同时轴承不需要集中强迫润滑。

（7）两个轴承，安装找正方便，不存在安装上的偏差。

（8）电励磁同步电机维护量相对较小，碳刷和磁极滑环均匀分布在摩擦卷筒外侧，用油脂润滑滚动轴承，独立的同步电机磁极可根据需要有准备的更换，而不需要拆卸整个提升机，维修和运行费用小。

相比传统的提升机，内装式电励磁同步电机驱动系统无论在机械结构还是电气特性方面都是目前最新的技术。特别适用于大功率和卷筒直径大的提升机。当然，该系统也存在一些缺点：

（1）由于转子励磁仍然依靠直流电源实现，因此不可避免的存在滑环和电刷结构，增加了系统结构复杂性。

（2）工业电网大多提供交流电源，为了实现直流励磁，需要一套单独的整流装置提供直流电源，用于励磁，增加了控制系统复杂性。

（3）由于滑环和电刷的摩擦，增加了机械损耗；由于直流励磁系统的存在，增加电气损耗，从而使得系统整体效率下降，同时增加了故障点和维护工作量。

（4）电励磁电机转子磁极与卷筒内侧采用T型机械结构实现硬连接，当现场安装时需要摆动卷筒或者再钢丝绳的作用下卷筒发生变形时，都会对电机的气隙产生影响，进而威胁到电机的安全稳定运行。

对于这种机械、电气、液压机构高度集成化的大型提升装备，驱动电机的性能指标及机械结构的合理性基本决定了系统的整体性能指标。如申请号201120191873.7的实用新型专利，名称是大型提升机直驱装置。在此专利中，电机转子通过转子端盖装在卷筒两端，把电机定子通过定子端盖与支架由多个细轴组合一体，省掉了减速器、联轴器和粗大的主轴，减轻了重量。降低了制造成本和维护费用。也属于内装式提升机的一种，只是把卷筒由原来的直接装在电机转子外圈改变为延伸到转子一端。此专利中提到的结构介于内装式和转子悬挂式之间。

申请号201020541486.7的实用新型专利，名称是永磁电机矿井提升机。此专利中，永磁电机通过联轴器与提升机卷筒直联，充分利用了永磁电机的低速大扭矩直驱特性和高效特性。

申请号为200910220244.X的发明专利，名称是矿井提升机专用直驱式永磁同步电动机。此专利提供了一种采用永磁电机直联卷筒的悬挂式结构。永磁电机自身没有独立支撑轴承，电机转子与卷筒采用同一根轴，电机定子及底盘固定在水泥基础上。此结构充分利用了永磁电机的低速直驱特性和高效运行特性，同时避免了多支撑轴承系统的静不定问题，但是仍然无法避免悬挂转子式结构的受力不均匀以及电机气隙不易控制的难题。

发明内容

为了克服传统矿井提升机存在的上述问题和缺陷，本发明提供了一种高效、可靠、结构简洁、控制特性良好的矿井提升机。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种内装式外转子永磁电机直驱矿井提升机，永磁电机定子通过定子支撑结构套装于提升机主轴上，转子支撑结构和内侧轴承沿永磁电机定子两侧套装于提升机主轴上，转子支撑结构上部安装永磁电机外转子，提升机主轴两侧套装外侧轴承和卷筒支撑结构，卷筒支撑结构上部安装钢丝绳卷筒，钢丝绳卷筒安装于永磁电机外转子外部，永磁电机外转子通过柔性连接机构连接钢丝绳卷筒内侧， 提升机主轴两端安装于左侧支撑基座和右侧支撑基座上，左侧支撑基座和右侧支撑基座安装于支撑底座上。

所述左侧支撑基座和右侧支撑基座上分别安装制动盘刹和冷却风机，制动盘刹与左侧支撑基座为一体化结构，冷却风机与右侧支撑基座为一体化结构。

所述提升机主轴内部设有轴向通孔，永磁电机绕组的绕组引线通过轴向通孔引出并连接永磁电机接线盒。

所述冷却风机的轴向通风孔道安装于轴向通孔内。

所述内侧轴承为圆柱滚子轴承；所述外侧轴承为调心轴承。

永磁电机的永磁体按照N/S相间排布的规律依次嵌放安装于永磁电机外转子内侧楔形槽内。 

本发明的内装式外转子永磁电机直驱矿井提升机，充分利用内装式提升机结构紧凑和受力均匀的特点，同时又利用了外转子永磁电机结构简单，控制特性优良，高效可靠，电机采用外转子结构，便于系统安装，利于转子与提升机卷筒的连接。一方面，当钢丝绳缠绕造成的卷筒变形或者现场安装需要调整卷筒角度时，不会影响到电机转子和气隙，卷筒变形或位移调整通过柔性连接器抵消。这就保证了电机性能的稳定性。另一方面，柔性连接结构在完成扭矩传递的同时，也抑制了电机频繁起停和转向切换时造成的系统冲击，提高了提升设备的稳定性。提升机采用两对轴承，内侧轴承采用圆柱滚子轴承，实现提升机主轴、电机定子和永磁电机外转子之间的定位和支撑运行，从而保证了电机气隙的稳定。外侧轴承采用调心轴承，实现提升机主轴和卷筒壳体之间的定位和支撑运行，由于采用调心轴承，便于在现场安装时，微调卷筒位置和方向。由于提升机的驱动力提供端（即外转子永磁电机）和驱动力输出端（即钢丝绳卷筒）在两侧支撑轴承之间，受力均衡，这样就避免了传统悬挂转子式提升机受力严重失衡造成的电机气隙容易变化进而威胁设备安全工作的问题，同时两轴系的结构也避免了多轴系系统静不定问题，此外，同轴驱动的动力传动结构也进一步提升了系统整体效率。提升机的主轴采用轴向通孔结构，电机定子上的绕组引线从此轴向通孔引出，实现电气连接。同时由于电机的绕组和定子位于卷筒内部，发热严重，散热条件较差，通过将提升机外部冷却风机提供的低温空气从轴向通孔引入卷筒内部，实现电机散热与降温。传统提升机的盘式制动设备固定在水泥底座上，需要现场完成卷筒和传动设备安装并固定位置之后再进行调整和固定，保证盘刹与卷筒制动盘间隙。而本专利提出的内装式外转子永磁电机直驱矿井提升机，对驱动电机、卷筒、支撑结构、制动结构、冷却系统进行一体化集成设计，制动盘刹固定在左侧支撑基座上，冷却风机固定在右侧支撑基座上，无需现场调整。电机冷却风机在完成厂内加工安装后，整体运输到工作现场，对现场安装条件要求低，设备长期运行时可能出现的基础沉降等外界因素对设备影响很小，系统独立性好。

附图说明

图1是本发明内装式外转子永磁电机直驱矿井提升机的结构图。

图2是本发明内装式外转子永磁电机直驱矿井提升机的永磁电机定子结构图。

图3是本发明内装式外转子永磁电机直驱矿井提升机的永磁电机转子结构图。

图中：永磁电机定子1、永磁电机绕组2、内侧圆柱滚子轴承3、制动盘刹4、左侧支撑基座5、永磁电机接线盒6、绕组引线7、卷筒支撑结构8、转子支撑结构9、支撑底座10、钢丝绳卷筒11、永磁电机外转子12、柔性连接机构13、冷却风机14、外侧调心轴承15，右侧支撑基座16、轴向通风孔道17、提升机主轴18、定子槽19、永磁体槽21、定子支撑结构22、轴向通孔23。

具体实施方式

本发明的一种内装式外转子永磁电机直驱矿井提升机结构如图1所示，永磁电机定子1通过定子支撑结构22套装于提升机主轴18上，提升机主轴18内部设有轴向通孔23，永磁电机绕组2的绕组引线7通过轴向通孔23引出并连接永磁电机接线盒6。转子支撑结构9和内侧圆柱滚子轴承3沿永磁电机定子1两侧套装于提升机主轴18上，转子支撑结构9上部安装永磁电机外转子12，提升机主轴18两侧套装外侧调心轴承15和卷筒支撑结构8，卷筒支撑结构8上部安装钢丝绳卷筒11，钢丝绳卷筒11安装于永磁电机外转子12外部，永磁电机外转子12通过柔性连接机构13连接钢丝绳卷筒11内侧，实现扭矩传递，当现场安装需要卷筒轴向摆动时，通过此柔性连接结构抵消卷筒与电机转子的间隙变化；电机定子铁芯及绕组安装在卷筒内部，永磁电机转子采用永磁体励磁，卷筒无需滑环电刷等励磁机构。永磁电机的定子1和绕组2安装固定在提升机主轴18上，并且位于钢丝绳卷筒11内部，利用左右两侧的独立圆柱滚子轴承3实现支撑和定位；钢丝绳卷筒11与提升机主轴18之间采用调心轴承15实现支撑和固定，当现场安装需要卷筒轴向摆动时，可利用此调心轴承实现。提升机主轴18两端安装于左侧支撑基座5和右侧支撑基座16上，左侧支撑基座5和右侧支撑基座16安装于支撑底座10上，左侧支撑基座5和右侧支撑基座16上分别安装制动盘刹4和冷却风机14，制动盘刹4与左侧支撑基座5为一体化结构，冷却风机14与右侧支撑基座16为一体化结构，冷却风机14的轴向通风孔道17安装于轴向通孔23内。永磁电机定子结构如图2所示，设有定子槽19；永磁电机转子结构如图3所示，采用燕尾型结构，便于永磁体在转子支撑结构上的固定，将燕尾形状的永磁体按照N/S相间的顺序，从转子燕尾槽的左侧依次装入永磁体，即将永磁体放入永磁体槽21内。

本发明的提升机采用两对轴承，外转子永磁电机的定子1和绕组2安装固定在提升机主轴18上，并且位于钢丝绳卷筒11内部，利用左右两侧的独立圆柱滚子轴承实现支撑和定位；提升机钢丝绳卷筒11与提升机主轴18之间采用调心轴承实现支撑和固定。永磁电机的转子外侧通过柔性连接机构与矿井提升机卷筒内部进行连接固定，实现扭矩传递。当现场安装需要卷筒轴向摆动时，通过此柔性连接结构抵消卷筒与电机转子的间隙变化。卷筒内部的绕组通过位于主轴的轴向通孔引到外部，从而实现电气连接。电机冷却通风也利用主轴的轴向通孔实现。

本发明是将外转子永磁电机的外转子12放置在提升机钢丝绳卷筒11内部，并且利用柔性连接机构13将永磁电机外转子12与钢丝绳卷筒11内侧进行连接，实现扭矩传递的同时，能够抵消现场安装以及钢丝绳缠绕造成的卷筒位置偏移和变形对电机气隙的影响。安装步骤具如下：第一，永磁电机定子采用整圆硅钢片或扇形硅钢片环形叠压制成，经过叠压固定的定子铁芯，需要进行紧固处理，然后再将定子绕组2嵌放入铁芯内，并完成整体浸漆处理，最后将定子铁芯和绕组套装定子支撑结构22和提升机主轴18上，同时将三相绕组引线4从提升机主轴18上的轴向通孔23引至电机接线盒6内。第二，将永磁体按照N/S相间排布的规律依次嵌放入永磁电机转子内侧楔形槽21内。第三，将内侧圆柱滚子3轴承、转子支撑结构9和永磁电机外转子12利用定位胎具和工装依次安装到提升机主轴上。第四，将钢丝绳卷筒11套至永磁电机转子12外侧，并利用柔性连接结构将卷筒内侧和电机转子外侧进行连接固定。第五，将外侧调心轴承15、卷筒支撑结构8分别从左右两侧套装至提升机主轴18上，并且利用螺钉完成卷筒端部和卷筒支撑结构边缘的连接固定，使卷筒11和卷筒支撑结构8连为一体。第六，将提升机主轴18及已经安装至其上的结构整体安装至左右两侧的支撑基座5、16和底座10上。第七，将冷却风机14安装至右侧支撑基座16上，并保证风路畅通。第八，将制动盘刹4安装至左侧支撑基座5上，调整间隙，保证盘刹闸片与卷筒制动盘之间的距离。

本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种内装式外转子永磁电机直驱矿井提升机，其特征在于：永磁电机定子（1）通过定子支撑结构（22）套装于提升机主轴（18）上，转子支撑结构（9）和内侧轴承（3）沿永磁电机定子（1）两侧套装于提升机主轴（18）上，转子支撑结构（9）上部安装永磁电机外转子（12），提升机主轴（18）两侧套装外侧轴承（15）和卷筒支撑结构（8），卷筒支撑结构（8）上部安装钢丝绳卷筒（11），钢丝绳卷筒（11）安装于永磁电机外转子（12）外部，永磁电机外转子（12）通过柔性连接机构（13）连接钢丝绳卷筒（11）内侧， 提升机主轴（18）两端安装于左侧支撑基座（5）和右侧支撑基座（16）上，左侧支撑基座（5）和右侧支撑基座（16）安装于支撑底座（10）上。

2.根据权利要求1所述的一种内装式外转子永磁电机直驱矿井提升机，其特征在于：所述左侧支撑基座（5）和右侧支撑基座（16）上分别安装制动盘刹（4）和冷却风机（14），制动盘刹（4）与左侧支撑基座（5）为一体化结构，冷却风机（14）与右侧支撑基座（16）为一体化结构。

3.根据权利要求2所述的一种内装式外转子永磁电机直驱矿井提升机，其特征在于：所述提升机主轴（18）内部设有轴向通孔（23），永磁电机绕组（2）的绕组引线（7）通过轴向通孔（23）引出并连接永磁电机接线盒（6）。

4.根据权利要求3所述的一种内装式外转子永磁电机直驱矿井提升机，其特征在于：所述冷却风机（14）的轴向通风孔道（17）安装于轴向通孔（23）内。

5.根据权利要求1所述的一种内装式外转子永磁电机直驱矿井提升机，其特征在于：所述内侧轴承（3）为圆柱滚子轴承；所述外侧轴承（15）为调心轴承。

6.根据权利要求1所述的一种内装式外转子永磁电机直驱矿井提升机，其特征在于：永磁电机的永磁体按照N/S相间排布的规律依次嵌放安装于永磁电机外转子（12）内侧楔形槽（21）内。

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