CN105564899A - 一种刮板机用低速半直驱永磁驱动系统 - Google Patents

Abstract

一种刮板机用低速半直驱永磁驱动系统，由永磁变频控制系统、永磁同步电机和减速装置组成；永磁变频控制系统与永磁同步电机间通过电缆线连接，永磁同步电机与减速装置一体化集成；所述永磁同步电机包括机座、绕组定子、永磁转子、接线盒、后端盖、后轴承组件及前轴承组件；所述的减速装置包括输出轴、输出端端盖、输出端齿圈、中间盖板、输入端齿圈、输入端端盖及输入端行星组件组成；所述的减速装置的输出端端盖、输出端齿圈、中间盖板与永磁同步电机机座把合成一体；所述的永磁同步电机的输出轴作为减速装置的初级减速端的输入轴，无联轴器联接结构；所述减速装置初级减速端端盖为永磁同步电机的转出端轴承组件提供支撑。

Description

一种刮板机用低速半直驱永磁驱动系统

技术领域

本发明涉及刮板机，具体是一种刮板机用低速半直驱永磁驱动系统。

背景技术

刮板输送机是综采工作面中工况条件恶劣、负载状况复杂的关键运输设备。由于难启动，负载变化剧烈，多机驱动中各电机负载分配失衡和负载振荡等问题，造成刮板输送机传动系统和链条组件中应力过大，受冲击厉害使溜槽磨损严重甚至电机烧毁损坏，直接影响刮板输送机的可靠性及寿命。

我国自20世纪70年代中期开发出刮板输送机系统，最初的驱动装置为单速异步电机+限力矩偶合器。使用限矩型液力偶合器，可以使电机平滑加速，从而降低了电网的电压降，使刮板输送机的启动性能得以改善，多电机驱动时还可以平衡功率。但采用这种驱动方式要求驱动电机与液力偶合器联合工作的合理匹配，一个重要条件是掌握好充液量。操作者需要具有熟练地进行充液量调整的技巧，在过载时，传动效率降低，偶合器传动介质温度将持续增高，很快达到偶合器易熔塞的保护温度，造成偶合器喷液，在刮板输送机运行过程中突然“闷车”时，偶合器工作介质在几十秒内达到“燃点”，此时喷液，有造成失火的可能，以致带来安全问题。20世纪80年代初，我国某矿因发生液力偶合器失火事故，造成了重大的人员伤亡。后改为以难燃液为工作介质，虽然解决了安全问题，但同时也带来了新的问题，乳化液不适宜高温工作，出现油水分离等情况，采用清水，给轴承润滑又增加了难度，大大降低了偶合器的使用寿命。

到20世纪80年代后期，我国开始研制双速电机，以其作为刮板输送机的驱动装置。双速电机是交流异步电机的一种，具有低和高二种速度，是通过改变电机定子绕组的接法来改变电机的极数，从而得到不同的转速、转矩特征，当低速绕组启动时，其启动力矩可以等于或高于高速绕组以较大功率启动时的力矩，而启动电流大为减小，降低了启动时电网供给的电流，使电网电压降显著减小。双速电机驱动装置具有良好的启动性能，有效地解决了满载启动问题，改善了刮板输送机启动困难和运行中“闷车”、断链等事故。

液力偶合器由于能够保护电机和改善电机的启动性能，因而在我国得到了广泛应用。但是，随着刮板输送机运输能力的不断提高，功率不断增大，对于大功率电机驱动，液力偶合器就表现出某些不足之处。由于液力偶合器的输出转矩与叶轮的有效直径成正比，所以与大功率电机配合作用的限矩型液力偶合器，一方面其直径很大，不适合在工作面使用，另一方面其散热面积也不够，造成散热不良，温升过高。因此，在功率很大时，液力偶合器已经不再适用。为解决刮板输送机驱动装置可靠性较低的问题，可使用双速电机。截至21世纪初期，在大功率刮板输送机上用双速电机直接驱动的方式已经逐渐取代单速电机配限矩型液力偶合器的驱动方式。

随着我国煤炭工业高速发展，对刮板输送机驱动系统的要求也越来越高，刮板输送机难启动、负载不均等问题也越发突出，传统驱动方式已不能适应刮板输送机的驱动及运行要求，存在以下突出问题。

1)难启动。由于刮板输送机停车的随机性和负载的巨大小动性以及生产系统其他设备的原因，常导致输送机意外停机，经常需要在重载下重启刮板输送机，启动困难的情况经常出现。

2)强大的机械冲击。一般电机满载启动时间为4-6s，启动加速度可达0.2-0.3m/s²。刮板输送机的传动系统尽管有一定的预紧力，停机时，传动系统为松驰状态，各个环节都有一定的间隙，且链条为弹性体。电机启动瞬间，在克服间隙和链条拉伸的过程中，对整个传动系统造成强大的机械冲击，几乎所有的传动元件在这个过程中都要受到冲击应力。双速电机驱动时，由低速节换到高速也会产生机械冲击。

3)大电流对电网的冲击。带载启动时，异步电机启动电流达到6～8倍的额定电流，有时甚至更大，导致电网电压下降，影响刮板输送机的启动性能，同时影响电网上其他设备的正常运行，引起其他设备欠压保护，造成误动作。刮板输送机的频繁启动，会使电机绕组发热，从而加速绝缘老化，影响电机寿命。

4)多机驱动功率不均衡。由于电机额定参数差异及链条节距变化、输送机上负载分布变动及链条张力变化，存在严重的电机功率不平衡问题，不能充分发挥配置功率的作用。进下测试结果表明，机头机尾两传动部电机的输出功率呈交替变化，刮板输送机总输入功率远低于配置功率，但对单台电机而言，又存在短时频繁超载现象。对于超重型刮板输送机，负载不均匀问题会更加突出。

5)过载冲击。由于链传动的多边形效应、链道的纵向起伏和水平弯曲，刮板输送机动行中的刮卡、冲击现象非常严重和频繁，极易导致传动元件如链条、齿轮等过载断裂，严重时导致电机闷车，烧毁电机。

自20世纪70年代以来，国外许多研究机构采用多种技术途径试验研究刮板输送机的可控驱动装置，即软启动装置，软启动是相对于刚性启动而言的，它与刚性联结的硬启动相比，软启动可使电机在刮板输送机满载条件下实现空载启动，当达到额定转速后，再逐渐无冲击地带动全系统正常运行，防止了电机超载时启动电流过大对电网的冲击，并具有过载保护性能。国外先进的输送机传动装置多采用软启动技术，初期主要有阀控充液式液力偶合器、CST可控启动传输系统等，其特点如下。

1)阀控充液式液力偶合器的主要技术特点

a.可以实现刮板输送机的空载启动和过载保护。

b.通过换水可以实现刮板输送机的频繁启动，而不必限制启动频率。

c.通过改变液力偶合器的充液顺序可以实现多机驱动下的顺序启动，通过偶合器的本身特性实现多机驱动下的负载平衡。

d.可以实现慢速验链。

e.双腔设计，结构紧凑，功率传递部件无机械接触，可靠性高。

f.以清水作为工作液，安全方便而且廉价，可以通过水管和水箱供水，通过排液泵管排水，排液压力由主电机带动液力循环产生，通过本安型先导组合阀直接对水循环进行控制。

g.在不影响功率传输的情况下，通过换水来散热。

2)CST可控启动传输系统的主要技术特点

a.在任意载荷下可以跟踪任何启动曲线，加减速度任意调节。

b.相对于调速型液力偶合器而言，传动效率高。

c.具有任意条件下的可控停车能力。

d.可实现多点驱动之间高精度的功率平衡，平衡精度可达98％。

e.对输送机所有机械、电气系统提供过载保护，保护系统响应速度快。

f.可以长时间低速运行，实现慢速验链。

g.现场调试简单，可以很方便地在线进行参数修改与调试。

但因国内尚无成熟的技术和产品，所以国产大功率刮板输送机采用的软启动装置全部为进口产品。阀控充液式液力偶合器在我国应用较普遍，但其售价较高，供货周期长，且后期维护、维修费用都非常高。CST可控启动传输系统仅在卡特彼勒公司的刮板输送机上应用，不对外销售。

传统大功率刮板输送机的驱动以调速型液力偶合器为主，可以实现软启动，但系统复杂，维护工作量大，维护成本高，且不可以长时间工作在低速模式下。随着科学技术的不断发展，变频技术在工业领域的应用日趋普及，变频技术应用于煤矿刮板输送机也日益成熟。变频技术的引入便于实现矿井自动化控制，实现断链保护停机及电机功率平衡等，省去了调速型液力偶合器，采用对轮联接，提高设备的机械效率。同时对煤矿实现数字化管理提供了便利条件。变频调速作为目前软启动技术研究和应用的热点，有2种实现方式：一种为一体化变频异步电机，其售价较高且供货期较长；另一种为分体式异步电机变频调速系统，该产品已在煤矿获得应用。

从刮板输送机驱动技术的发展路线来看，是沿着异步电机与液力偶合机构连接向变频器与异步电机、减速机相连接的方向发展。但是，异步电机变频调速系统难以实现低速大转矩的启动和重过载的工况。进而出现在重载下，启动电流过大，或者频繁重载启动、运行突然过载等情况，造成变频器或者异步电机烧毁，同时，异步电机、减速机均工作在高速状态，造成不可靠运行和使用寿命缩短。

随着永磁变频技术的发展，国内直驱式永磁同步电机变频调速系统已成功应用于风力发电、煤矿皮带输送机系统等，并取得了良好的运行效果。使直驱式永磁同步电机变频调速系统用于刮板输送机中已无技术壁垒。但对于大功率刮板输送机系统，在现存的采煤工艺及采煤设备情况下，永磁同步电机直驱技术不适宜用在刮板输送机系统中，因为在此工况条件下下永磁同步电机体积占用较大，已无安装空间，不具有可行性。

同时，在国内外尚未出现将永磁同步电机与减速机构有效集成，配合变频控制系统用以拖动刮板机的先例。

在电机种类划分上，永磁同步电机属于同步电机，其运行特性为启动转矩高、过载性能强、高效率区域宽广，并且由于永磁材料磁能积高，可以使同等转矩情况下，比异步电机体积减小约30％。对于旋转机械而言，转速高，同时力矩大，是影响可靠性和寿命的主要因素，同时也增加了加工难度和材料成本。

由此可见，通过将低速永磁同步电机与低速减速装置有机集成，不但解决了驱动装置的安装体积问题，也实现了刮板机所要求的低速、高转矩、高效率等特点。

发明内容

本发明的目的提供一种刮板机用低速半直驱永磁驱动系统，该系统由永磁变频控制系统和低速半直驱永磁同步电机组成。其中，永磁同步电机与减速装置一体化集成构成，通过电机与减速装置的合理匹配，使得集成后的系统体积小、重量轻，同时又具备同步电机的高转矩、高过载、高效率等性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：半直驱永磁驱动系统由永磁变频控制系统、永磁同步电机和减速装置组成；永磁同步电机与减速装置一体化集成；所述永磁同步电机包括机座、绕组定子、永磁转子、接线盒、后端盖、后轴承组件及前轴承组件；所述的减速装置包括输出轴、输出端端盖、输出端齿圈、中间盖板、输入端齿圈、输入端端盖及输入端行星组件；所述的减速装置的输出端端盖、输出端齿圈、中间盖板与永磁同步电机机座把合成一体；所述的永磁同步电机的输出轴作为减速装置的初级减速端的输入轴，无联轴器联接结构；所述减速装置初级减速端端盖为永磁同步电机的转出端轴承组件提供支撑。

本发明的有益效果是：

将原有系统的异步电机替换成永磁同步电机，使得其输出特性更加适合刮板机的工况需求，同时，降低了电机的额定转速，提高可靠性和使用寿命，进而降低了减速装置的输入转速，同样提高了其可靠性和使用寿命，另外，永磁同步电机与减速装置的一体化，缩短了传动链，体积更加小巧、紧凑。减速装置输出轴与刮板机链轮轴组联接，此种驱动装置缩短了驱动系统传动链，占用空间小，重量轻，减少了设备安装、运输、维修成本，同时具有优良的控制特性。集成化的半直驱永磁驱动系统具有如下特性：

1)启动平缓无冲击、可靠性高。

2)控制实现主从跟随，实现转矩和速度平衡。

3)通过调节频率，实现软启、软停，启动电流小。

4)电机效率约为97％，功率因数接近1，且随转速变化的范围不大。

5)通过适量控制，实现转矩和速度调节。

6)调速范围0-120％。

附图说明

图1是所述刮板机用半直驱永磁驱动系统结构简图。

图2是所述刮板机用半直驱永磁驱动系统中永磁同步电机与减速装置一体化集成结构图。

图中1.永磁变频控制系统，2.电缆，3.永磁同步电机，31.机座，32.绕组定子，33.永磁转子，34.前轴承组件，35.后轴承组件，36.后端盖，37.接线盒，4.减速装置，41.输出轴，42.输出端端盖，43.螺栓，44.输出端齿圈，45.中间盖板，46.输入端齿圈，47.输入端端盖。

具体实施方式

图1中，永磁变频控制系统1与永磁同步电机3之间通过电缆2连接，永磁同步电机3与减速装置2一体化集成。

图2中，由螺栓43将永磁同步电机3的机座31、输出端端盖42、输出端齿圈44和中间盖板45固定在一起，输入端端盖47与输入端齿圈44固定在中间盖板45上，绕组定子32固定在机座31内，前轴承组件34固定在输入端端盖47上，后轴承组件35、后端盖36与机座31固定，前轴承组件34与后轴承组件35共同支撑永磁转子33，接线盒37提供外部动力电缆接线。

图2中以2级减速装置为例陈述所述刮板机驱动装置实施方式，单级或2级以上的多级减速装置与永磁同步电机的按此种方式集成为驱动的装置亦应视为属于本专利申请保护范围。

Claims (7)

1.一种刮板机用低速半直驱永磁驱动系统，其特征是：所述半直驱永磁驱动系统由永磁变频控制系统、永磁同步电机和减速装置组成。

2.根据权利要求1所述的一种刮板机用低速半直驱永磁驱动系统，其特征是：永磁同步电机与减速装置一体化集成。

3.根据权利要求1所述的一种刮板机用低速半直驱永磁驱动系统，其特征是：所述永磁同步电机包括机座、绕组定子、永磁转子、接线盒、后端盖、后轴承组件及前轴承组件。

4.根据权利要求1所述的一种刮板机用低速半直驱永磁驱动系统，其特征是：所述的减速装置包括输出轴、输出端端盖、输出端齿圈、中间盖板、输入端齿圈、输入端端盖及输入端行星组件组成。

5.根据权利要求1所述的一种刮板机用低速半直驱永磁驱动系统，其特征是：所述的减速装置的输出端端盖、输出端齿圈、中间盖板与永磁同步电机机座把合成一体。

6.根据权利要求1所述的一种刮板机用低速半直驱永磁驱动系统，其特征是：所述的永磁同步电机的输出轴作为减速装置的初级减速端的输入轴，无联轴器联接结构。

7.根据权利要求1所述的一种刮板机用低速半直驱永磁驱动系统，其特征是：所述减速装置初级减速端端盖为永磁同步电机的转出端轴承组件提供支撑。