煤炭開采中永磁電機的分類分析綜述我國煤炭儲量位居世界第三，2019年煤炭貢獻量仍高居世界首位【1】。在煤礦的工業生產過程中，運輸環節十分重要，特別是帶式輸送機具有大轉矩、連續作業、效率高、運輸量大、過程安全可靠等特點因而得到了廣泛的應用。在實際應用中為了應對低轉速、運輸量大的運行工況，交流異步電機與負載之間必須連接減速裝置。因此，在設計選型時，需要較大的功率富裕量來應對礦山裝備重載啟動過程大轉矩的需求，電機經常處于低效率高能耗下運行【2】。這不僅影響了煤炭的開采效率，還造成了嚴重的電能浪費，為經濟發展帶來了巨大的損失。為了實現節能減耗，響應低碳經濟的國家政策，因此有必要提高帶式輸送機運輸系統的驅動動力性能。而永磁電機是利用稀土永磁體勵磁的一種電機，永磁體由于充磁后能夠生成永久磁場，無需勵磁電流，因此可以大幅度提高電機的功率因數【3】。電動機的分類如圖1-1所示，根據驅動方式的不同，我們可以把永磁電機分為永磁直線電機和永磁旋轉電機，我們又可以根據供電形式的不同，降永磁旋轉電機分為永磁同步發電、永磁有刷直流電機、永磁無刷直流電機、異步啟動永磁同步電機和調速永磁同步電機。而永磁供電技術是利用永磁電機驅動負載工作的一種牽引技術，目前永磁無刷直流電機、永磁同步電機與永磁直線電機。我們又根據負載與電機之間有沒有鏈接減速裝置，可以分為永磁半直驅和永磁直驅兩種驅動系統。永磁有刷直流電機永磁無刷直流電機永磁旋轉電機異步啟動永磁同步電機調速永磁同步電機永磁同步發電機永磁電機永磁直線電機圖1-1永磁電機的分類異步電動機又被稱為感應電動機，它的定子繞組在施加三相交流電后會產生三相旋轉磁場，旋轉磁場下的轉子繞組產生感應電流，感應電流在磁場作用下產生電磁轉矩。根據繞組的結構，異步電動機可以分為籠形繞組和線式繞組。繞組線圈為電感元件，它具有能量轉換作用。在運行期間，它吸收電網的無功功率，從而降低功率因數，所以電能不能完全利用。與交流異步電動機相比，就工作原理和結構而言，永磁同步電動機使用了高性能稀土和其他永磁材料作為轉子的永磁體，因而不需要勵磁繞組。電磁轉矩來自由于定子繞組在通電作用下與永磁體相互作用生成的電磁轉矩，轉子不具有繞組結構，因此在線圈繞組中沒有銅損，從而提高了電動機的效率。同時使電動機的溫度升高緩慢，因此延長了電動機的壽命。另外，由于由永磁體引起的氣隙的磁通密度對氣隙的變化并不敏感，因此我們可以通過增加極數來增加永磁同步電動機的電磁轉矩。隨著極數的增加，電動機軸的半徑也隨之增加，從而實現了低速，大扭矩傳動。根據轉子在永磁體上的布置方式的不同，同步電機分為表面式和內置式。表面式轉子結構的永磁體安裝在轉子鐵芯的表面上，并與空氣直接接觸，由于永磁體的導磁率接近空氣的導磁率，因此可以認為它的d軸電感大約等于q軸電感，即凸極率是1，沒有磁阻轉矩和磁阻效應。內置式轉子結構的永磁體嵌入在轉子鐵芯中，與表面式轉子結構相比，永磁體的外表面和氣隙接受鐵磁物質極靴保護，退磁比較困難，因而它的轉子結構更可靠。此外，內置式轉子結構中的永磁體的d軸電感大于q軸電感，產生了由于交軸和直軸不對稱的凸級效應導致的磁阻轉矩，這樣對提高電機的功率密度和過載能力有利，從而它的恒功率運行范圍也變大。因此，具有內置式轉子結構的永磁同步電動機適合在礦山中的惡劣條件下運行。為了克服永磁同步電動機啟動過程中的轉子慣性，讓電動機轉子的轉動力矩消耗電磁斥力，早期的永磁同步電動機主要是異步啟動永磁電動機轉子結構。也就是在電機轉子鐵芯上布置籠式繞組電機中經常使用的籠式繞組導條，讓永磁同步電機先利用異步電機啟動的優勢完成啟動，當永磁電機三相繞組產生的交變磁場與永磁體磁場的磁極實現互鎖后，再切回同步電機的工作模式。隨著現代電氣傳動控制技術的發展，使用大功率變頻器實現變頻啟動的調速型同步電動機在使用率中占主導地位，不僅簡化了電動機結構，而且變頻調速系統的相應速度和控制精度更加適合礦山運行工況。由于有上述優點，具有變頻調速功能的大功率永磁同步電動機驅動系統可以完全比較出色地滿足低速、大轉矩負載的運行條件。例如，ABB公司在其船舶推進系統中使用了自行開發的38MW永磁同步電動機。中車株洲開發了用于400km/h高速鐵路的TQ800永磁同步電動機和兆瓦級永磁半直驅動電動機。在采礦設備領域，永磁同步電動機還可以在低速和大扭矩操作條件下應用于采礦機的機械截割部，刮板輸送機和帶式輸送機。內置式滾筒也被稱為電動滾筒，其布置如圖1-2所示，在實際應用中作為提升運輸等設備和皮帶運輸機的動力來源，在港口、冶金、礦山、化工、建材、煤炭、電力、糧食及交通運輸等行業得到了廣泛應用。但同時也存在一些固有的問題：（1）目前國內裝設的電動滾筒一般是中小功率、低電壓形式的；（2）電動滾筒因結構問題冷卻困難；（3）傳動效率較低。圖1-2傳統內置滾筒布置示意圖外置式滾筒配置在生產中有比較廣泛的應用,布置如圖1-3所示，但往往給現場運行和維護帶來許多問題，如：（1）傳動效率較低；（2）運行維護工作量大、成本高；（3）設備布置所需空間大，工程投資大。圖1-3傳統外置驅動滾筒布置示意圖近年來,電力電子技術的進步以及現代控制理論的應用有力的推動了大功率永磁電機的發展，進而使永磁驅動技術在航空航天、交通運輸、風力發電等行業中得到了廣泛的應用【6】。隨著電力電子技術和電機技術的發展，低速大功率大扭矩電力拖動系統成為可能。在電氣控制系統中，電子器件和功率器件的價格降低，使電機和永磁電動滾筒的寬范圍調速得到廣泛應用。使用永磁同步電機作為外置動力，可制成大功率低速大扭矩驅動滾筒，其布置如圖1-4所示，應用于煤礦井下等大功率皮帶機的電力拖動