永磁电动滚筒综合测试装置的应用

永磁电动滚筒综合测试装置的应用
摘要：目前，随着社会经济水平的发展，我国在稀土永磁电机的研究开发方面有很大进展，稀土永磁电机将越来越多地在特种电机领域替代传统电机，成为了未来的发展趋势。

矿用隔爆型永磁直驱电动滚筒，创造性的运用先进的外转子永磁直驱技术，与智能控制系统相结合，将电机与滚筒融为一体，革命性的抛弃了减速器、液力耦合器和联轴器等机械装置，使输送机直接驱动变为现实。

为了测试产品性能指标，保证产品质量及工作的可靠性，研制了一套稳定的、先进的加载测试系统。

关键词：永磁电动滚筒；综合测试装置；应用
引言
大功率永磁电动机和配套变频技术的发展使得永磁电动滚筒用于带式输送机驱动的方案得到进一步推广。

与异步电动机相比，永磁同步电动机的功率因数和效率都较高，永磁电动滚筒集驱动电动机和驱动滚筒为一体，发挥了永磁同步电动机节能高效的优势，简化了机械传动环节，提高了机械效率。

除此之外，该方案减小了设备空间占用，尤其适用于井下空间有限的采煤工作面的矿用带式输送机。

传统的带式输送机采用异步电动机、耦合器、减速器、联轴器的驱动方案。

而永磁电动滚筒将电动机和减速器集成在滚筒内，因此其制动通常采用盘式制动器。

制动装置的性能直接影响到输送机的稳定运行和工作人员的安全，必须高度重视。

1滚筒体仿真分析
1.1滚筒体失效分析
工程实践中，滚筒体的常见失效形式：裂纹。

裂纹是滚筒失效常见的形式，它容易发生在滚筒体内支撑件与筒体的焊接处；压裂。

由于滚筒长期受到比较大的压力作用，滚筒体很容易出现压裂破坏，并且裂缝往往是从卡盘处沿着轴向开
裂；局部变形过大。

滚筒体内电动机部分对筒体没有支撑，所以滚筒中部经常出现凹陷破坏；包覆层磨损、筒体磨损和滚筒外壳错位。

滚筒体的结构强度超载、结构变形过大以及表面摩擦损伤是滚筒体失效的主要原因。

滚筒体的失效直接影响电动滚筒的正常运行，因此研究提高滚筒体刚度的方法非常重要。

1.2提高滚筒体刚度的方法研究
对滚筒体进行有限元分析，首先建立模型，选择材料Q235钢板，添加约束条件为滚筒体两端固定，由电动滚筒的受力情况可知施加载荷为轴承载荷。

网格划分，得到仿真分析结果。

通过仿真分析结果可以看出：滚筒体最大变形量
0.06548mm，主要形式为中间部分区域凹陷变形。

行星轮系以电动机横向中心轴为基准对称分布，即电动机左、右两侧都有行星轮系，左、右齿圈分别与滚筒体焊接连接，左、右2个支撑点对称。

采用与上述同样的仿真环境和参数对滚筒体进行有限元分析。

滚筒体变形形式依然是局部凹陷，但最大变形量为0.0388mm，相比原来减少了1/2，由此可以得出结论：增加对称支撑点能够显著改善滚筒体的刚度。

行星轮系对称布置方式对提高滚筒体的抗变形能力效果较好，但是增加行星轮系也将大大增加成本，降低产品的性价比。

因此，该方案仅适合对结构变形要求较高的场合，对于一般生产现场，需要考虑其经济性。

在电动滚筒基本结构不变的前提下，可在滚筒体内部周向添加一定宽度和厚度的加强肋，来加强滚筒体的结构强度和刚度。

采用相同的仿真环境和参数，对添加加强肋的滚筒体进行有限元分析，添加周向加强肋后电动滚筒的变形，可以看出，结构最大变形量为0.05491mm，比原结构的最大变形量0.06548mm减少了。

在滚筒体平行于轴线方向添加加强肋，滚筒体内周向加强肋与轴向加强肋重量相等，采用相同的仿真环境和参数，对滚筒体进行有限元分析，采用轴向加强肋的方式最大变形量为0.05981mm，而且与局部凹陷的变形方式基本一致。

综合分析结果可知，采用轴向加强肋的方式和采用周向加强肋的方式对提高滚筒体的结构刚度具有大体相同的效果。

2综合测试装置的组成
永磁电动滚筒综合测试装置是对永磁电动滚筒、永磁电机及变频器进行综合性能测试的装置，主要由加载系统、控制及采集系统等组成。

主电源由中央控制室10kV±10%、50Hz±3%交流三相交流电经800kVA变压器TM1转换为1200、690、400V，经800kVA变压器TM2转换为1200V、690V，分别供给加载变频器及AFE四象限整流单元供电单元。

AFE四象限整流单元由供电单元及INU逆变控制单元等元部件组成变频器，其集成了滤波电抗器、保护单元、输入输出母线、整流单元、逆变单元、制动单元等部件于一体的整体设备。

从结构上看，由于采用了IGBT功率元件，其输入为交流输出为直流，因为它位于电源进线侧，称之为前端。

与传统的二极管或可控制硅整流技术相比，主动前端不再是被动地将交流转变成直流，而是具备了很多主动的控制功能。

它不但能消除高次谐波，提高功率因数，而且不受电网波动的影响，具有卓越的动态特性。

其工作原理可简述为：AFE整流单元从电网汲取正弦波交流，经整流后输出直流电压，并保持所要求的电压值。

各次谐波由滤波电路删除。

测量系统包括被试电机电量、机械参数、温度测量和直流电阻测量。

一次回路选用满足宽频测量的高精度电流传感器或互感器测量被试电机的电参数。

二次回路选用PA333H高精度功率计和转矩转速测量仪表完成被试电机试验过程中的电压、电流、频率、扭矩、转速等数据的采集，功率计通过以太网通信接口将采集到的原始数据实时传输给工业计算机，通过数据采集软件对原始测量数据进行二次运算分析并实时显示在人机界面上。

控制系统主要由工业计算机及显示器、工业以太网交换机、控制PLC及中继系统、打印机、UPS隔离电源等设备组成。

采用西门子S7-1200系列PLC分布式控制架构，减少了控制台与外部设备控制线缆的连接。

PLC通过以太网通信的方式和工业计算机相连，PLC负责试验系统相关线路中的断路器、接触器、继电器等开关量的控制与状态监视。

3主体电动滚筒技术特点
设备自带的自动控制系统配备常规通信接口（Profibus-DP或MODBUS等）可
满足中控室DCS与设备自带自动控制系统通讯，实现在DCS上对设备工艺参数的
显示及控制。

三相永磁同步电动滚筒在运行时，轴承平稳轻快，无停滞现象，声
音均匀和谐不夹杂有害杂音，并设有外置进出口注油孔。

电动滚筒静平衡精度等级达G40。

电动滚筒装配后，转动灵活，滚筒静阻力
系数值不大于0.02。

永磁同步电动滚筒转子永磁体采用N40UH级钕铁硼永磁材料，耐受温度达180℃以上，即其剩磁密度和矫顽力均随着温度的降低而增高，能够
适应现场极端低温环境。

永磁体极限耐温180℃，可保证在正常运行及过载情况
下无退磁，同时永磁体具有足够的机械强度，可承受现场运行中的振动而不产生
退磁。

永磁同步电动滚筒定子绕组选用扁铜线成型绕组结构，采用环氧树脂真空灌
封工艺整体灌封，其具有优良的绝缘耐电晕性能、导热性能、防潮防污防水性能，较高的机械强度，定子绕组温升不大于60K。

为保证永磁同步电动滚筒结构的强度和运行可靠性，直径630mm的永磁滚筒
筒体钢板厚度≥25mm，直径800mm的永磁滚筒筒体钢板厚度≥32mm，直径1000mm
的永磁滚筒筒体钢板厚度≥32mm。

永磁同步电动滚筒防护等级为IP54，绝缘等级F级（155℃），工作方式S1（连续工作制），过载转矩倍数≥2，起动转矩倍数≥2；具有很好的调速功能，
在额定频率范围内具有无级调速、恒转矩调速特性，且可长期低转速运行。

滚筒转子永磁体采用嵌入式安装，可防止永磁体脱落和机械外力损伤的风险。

永磁体采用专用安装工艺，使用过程中可避免因离心力、环境腐蚀等引起的对永
磁体的损害。

永磁同步电动滚筒定子绕组预埋的测温元件用于温度连续监测。

其
自身和配套水冷机进出水配置矿用快速接头，可便于实现快速拆装，同时永磁同
步电动滚筒包胶均采用陶瓷冷硫化外包胶工艺，以保证其使用寿命。

4大型永磁电动滚筒电动机定子制造工艺
4.1 定子铁心的制造
大型永磁电动滚筒电动机定子铁心制造的难点主要是铁心叠压后内径的加工、定子铁心热套定子支架后配装焊弧键、定子支架热套固定轴后进出水管的焊接。

定子铁心由齿压板和定子冲片叠压而成，需要专用的定子铁心叠压工装，工装上
开有轴向定位键槽定位冲片位置。

在定子铁心叠压工装上依次叠入齿压板及定子
冲片，在冲片外圆槽口位置圆周均布４根槽样棒；叠片至冲片高度符合图纸要求
时安装上部齿压板，用专用上压胎进行预压，预压时保证片间压力，根据预压铁
心实际高度增减冲片，保证冲片高度为图纸尺寸；测量冲片高度，测量冲片槽底
部位，圆周均布互成９０°测量４点。

最后在油压机保压状态下把合紧固工装上、下压板的拉紧螺杆，注意保证圆周拉紧螺杆均与工装压板垂直不得有歪斜的情况，螺栓要对称紧固，并达到要求扭矩。

油压机泄压后再次测量铁心高度。

定子铁心
退下叠压工装后带工装上、下压板车加工铁心内径，加工定子铁心内径时注意找
正后先试车看铁心内径整个轴向上加工余量是否均匀。

铁心长度如果较长，加工
时车床转速不可过高以防带工装定子铁心在大惯性作用下产生片间滑移。

4.2定子铁心热套定子支架
将定子支架预先摆放在油压机上，准备好待配焊的弧键，弧键可多准备几种
厚度不同的规格，便于配焊时的快速选择。

修配安装键，键应与定子支架紧配，
与定子铁心松配。

定子铁心加热温度按下式计算，加热保温时间根据铁心轭部厚
度合理选择。

式中：Ｔ为工件需要加热的温度值（℃）；δ为配合面最大过盈量（ｍｍ）；Ｄ为配合面直径（ｍｍ）；Ｋ为加大系数，一般取Ｋ＝Ｄ／１０００；α为材料
线膨胀系数；ｔ为环境温度（℃）。

定子铁心出烘箱后须马上热套在定子支架上，同时用油压机压紧铁心，在油
压机保压的情况下配装焊弧键以保证定子铁心的叠压系数。

热套后要自然冷却，
完全冷却后方可拆除工装。

4.3定子铁心嵌线、浸漆及烘焙
将定子铁心置于滚轮架上嵌线、接线，然后进行半成品试验。

浸漆前对定子
支架进出水口密封，内孔与轴配合面做好防护，将下线后的定子卧放于定子浸漆
架上，电缆向上吊伸出漆面（需要在定子压圈轭部圆周上加设工艺螺纹孔），浸
漆后烘干并进行清理。

4.4热套固定轴，焊接进出水管并进行水压试验
在热套前计算热套所需的温度。

由于此时定子支架上的定子铁心已经带绕组，加热温度要低于绕组的绝缘等级温度。

一般绕组铁心的烘焙温度足以满足热套固
定轴的要求，绕组铁心烘焙清理后马上热套固定轴还可提高工作效率。

固定轴与
定子支架间的进、出水管焊接，由于空间较小不方便焊接作业，焊接质量很难保证。

为此将进出水管分别设计成两半对接焊形式，即一半水管与固定轴预先焊好、另一半水管与定子支架预先焊好，热套固定轴后再将两半水管密封焊成整体。

经
实践证明本方案易于操作、焊接质量高。

焊后需再次进行水压试验。

结语
永磁电动滚筒驱动带式输送机具有节能高效、传动效率高、易于维护、空间
占用小等优点。

输送机的制动性能对整机的安全稳定运行至关重要，借助理论公
式计算了制动过程的减速度。

但由于永磁电动滚筒在低速区间运行，且没有传统
驱动系统中的减速器和联轴器等环节，其转动惯量小，因此直接制动时减速度过大，会造成不良后果。

永磁电动滚筒综合测试装置在华北重型装备制造有限公司
投入使用，运行平稳可靠，各项检测指标达到产品试验检验要求，为保障产品质
量提供可靠的技术支持。

永磁电动滚筒由直驱滚筒和驱动器构成，改变了传统由
滚筒、电机、减速机、液力耦合器、联轴器、控制保护等设备组成的复杂设备驱
动系统。

该新型设备充分体现了低成本维护、占地面积小、启动电流小、运行成
本低等诸多优势，为日后设备使用、维护带来了极大的方便。

参考文献
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