隨著工業(yè)自動(dòng)化和節(jié)能技術(shù)的快速發(fā)展，永磁電機(jī)因其高效能、高可靠性和低維護(hù)成本等特點(diǎn)，在多個(gè)行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。2025年，永磁電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到數(shù)百億美元，其中在礦業(yè)、物流和能源領(lǐng)域的應(yīng)用增長(zhǎng)尤為顯著。在帶式輸送機(jī)領(lǐng)域，傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)面臨著高能耗、頻繁故障和高維護(hù)成本等問題，而永磁電機(jī)直驅(qū)技術(shù)的引入為這些問題提供了有效的解決方案。

  一、永磁電機(jī)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用背景

  《2025-2030年中國(guó)永磁電機(jī)行業(yè)市場(chǎng)深度研究及發(fā)展前景投資可行性分析報(bào)告》在礦業(yè)開采和物料運(yùn)輸中，帶式輸送機(jī)是一種常見的設(shè)備，用于高負(fù)載、長(zhǎng)距離的物料輸送。然而，傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在效率低下、維護(hù)成本高、可靠性差等問題。這些問題不僅增加了運(yùn)行成本，還降低了系統(tǒng)的整體效率。永磁電機(jī)作為一種高效、可靠的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，通過簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈、減少機(jī)械損耗，顯著提高了系統(tǒng)的能效和穩(wěn)定性。因此，研究永磁電機(jī)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

  二、永磁電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改造方案

  (一)永磁電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)的改造方案

  永磁電機(jī)行業(yè)情況分析針對(duì)傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高能耗問題，提出了一種基于永磁電機(jī)的直驅(qū)改造方案。該方案通過引入多永磁電機(jī)直驅(qū)技術(shù)，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)鏈，減少了機(jī)械損耗，提高了系統(tǒng)的可靠性和能效。具體改造方案包括：

  永磁電機(jī)的選擇：選用高效能的交流永磁同步電機(jī)，功率達(dá)到1200kW，通過直驅(qū)滾筒簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈，減少損耗，提升效率。

  聯(lián)軸器設(shè)計(jì)：選擇高彈性幅度和可變固有頻率的蛇簧聯(lián)軸器，有效吸收振動(dòng)和沖擊，增強(qiáng)抗共振能力。

  控制器設(shè)計(jì)：采用礦用隔爆型綜合控制器，支持動(dòng)態(tài)調(diào)整控制參數(shù)，集成多種保護(hù)功能，提高系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。

  變頻器設(shè)計(jì)：選用低壓隔爆型變頻器，支持模塊化擴(kuò)展，具備雙閉環(huán)矢量控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)柔性啟動(dòng)、功率平衡和節(jié)能優(yōu)化。

  (二)永磁電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

  在設(shè)計(jì)永磁電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)時(shí)，需要綜合考慮電機(jī)的功率、扭矩、效率以及系統(tǒng)的整體性能。通過優(yōu)化電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制策略，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的能效和可靠性。具體設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：

  電機(jī)選型：根據(jù)帶式輸送機(jī)的實(shí)際需求，選擇合適的永磁電機(jī)型號(hào)，確保電機(jī)在高負(fù)載和復(fù)雜工況下的穩(wěn)定運(yùn)行。

  控制策略：采用先進(jìn)的控制算法，如自抗擾控制(ADRC)，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抗干擾能力。

  系統(tǒng)集成：將永磁電機(jī)與變頻器、控制器等設(shè)備進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

  三、永磁電機(jī)自抗擾調(diào)速控制策略

  傳統(tǒng)的PI控制器在復(fù)雜工況下難以滿足動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)精度的要求，尤其是在高負(fù)載和長(zhǎng)距離輸送中。為了解決這些問題，提出了一種基于自抗擾控制(ADRC)的永磁電機(jī)矢量調(diào)速控制策略。該策略通過替換傳統(tǒng)速度環(huán)PI控制器為ADRC，顯著提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、魯棒性和抗干擾能力。

  (一)自抗擾控制策略的核心

  自抗擾控制策略的核心是非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(NLESO)，能夠?qū)崟r(shí)估計(jì)并補(bǔ)償負(fù)載擾動(dòng)、電網(wǎng)波動(dòng)和電機(jī)參數(shù)變化。通過非線性增益機(jī)制，NLESO可以快速抑制擾動(dòng)，確保電機(jī)轉(zhuǎn)速在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定性和高精度。

  (二)調(diào)速控制系統(tǒng)的組成

  該調(diào)速控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)和d軸、q軸電流調(diào)節(jié)器(ACR)組成，通過分別反饋調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。具體控制過程如下：

  所有電機(jī)接收相同的速度給定信號(hào)，作為系統(tǒng)的統(tǒng)一控制目標(biāo)。

  實(shí)時(shí)采集每臺(tái)電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)，計(jì)算任意兩臺(tái)電機(jī)之間的速度偏差。

  對(duì)某一電機(jī)的速度偏差與其他電機(jī)的速度偏差進(jìn)行求和累加，作為偏差耦合量輸入到耦合控制器。

  耦合控制器根據(jù)累加偏差量和速度給定信號(hào)生成修正后的控制信號(hào)，輸入到各電機(jī)的控制單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

  四、多永磁電機(jī)協(xié)同控制策略

  在帶式輸送機(jī)中，多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)面臨著負(fù)載分配不均、電機(jī)不同步等問題，影響系統(tǒng)的整體性能。為了解決這些問題，提出了一種基于偏差耦合控制的多永磁電機(jī)協(xié)同控制策略。該策略通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)各電機(jī)的轉(zhuǎn)速，確保多電機(jī)系統(tǒng)的同步運(yùn)行。

  (一)協(xié)同控制策略的實(shí)現(xiàn)

  協(xié)同控制策略的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

  所有電機(jī)接收相同的速度給定信號(hào)，作為系統(tǒng)的統(tǒng)一控制目標(biāo)。

  實(shí)時(shí)采集每臺(tái)電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)，計(jì)算任意兩臺(tái)電機(jī)之間的速度偏差。

  對(duì)某一電機(jī)的速度偏差與其他電機(jī)的速度偏差進(jìn)行求和累加，作為偏差耦合量輸入到耦合控制器。

  耦合控制器根據(jù)累加偏差量和速度給定信號(hào)生成修正后的控制信號(hào)，輸入到各電機(jī)的控制單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

  (二)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

  通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了多永磁電機(jī)協(xié)同控制策略的有效性。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在空載啟動(dòng)、重載啟動(dòng)和變速運(yùn)行三種典型工況下，永磁直驅(qū)系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間和轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍均控制在合理范圍內(nèi)，最大波動(dòng)幅度為6.8r/min。具體試驗(yàn)結(jié)果如下：

  空載啟動(dòng)工況：系統(tǒng)以目標(biāo)轉(zhuǎn)速225r/min啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間為2.5秒，最大超調(diào)量為8.4%，穩(wěn)定運(yùn)行期間的波動(dòng)范圍為±5r/min。

  重載啟動(dòng)工況：在額定載荷下，系統(tǒng)以目標(biāo)轉(zhuǎn)速225r/min啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)至3.5秒，最大波動(dòng)幅度為6.8r/min，穩(wěn)定運(yùn)行期間的波動(dòng)范圍為±5r/min。

  變速運(yùn)行工況：在動(dòng)態(tài)負(fù)載變化條件下，系統(tǒng)以目標(biāo)轉(zhuǎn)速135r/min運(yùn)行，啟動(dòng)和變速階段的波動(dòng)范圍為±6r/min，停機(jī)階段轉(zhuǎn)速下降較緩。

  五、結(jié)論

  通過引入永磁電機(jī)直驅(qū)技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)進(jìn)行了智能化改造，顯著提高了系統(tǒng)的能效、穩(wěn)定性和智能化控制水平。具體結(jié)論如下：

  系統(tǒng)性能提升：永磁電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)簡(jiǎn)化了傳動(dòng)鏈，減少了機(jī)械損耗，顯著提高了系統(tǒng)的能效和穩(wěn)定性。在空載啟動(dòng)、重載啟動(dòng)和變速運(yùn)行工況下，系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間和轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍均控制在合理范圍內(nèi)，最大波動(dòng)幅度為6.8r/min。

  控制策略優(yōu)化：自抗擾調(diào)速控制策略顯著提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抗干擾能力，確保電機(jī)在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定運(yùn)行。多永磁電機(jī)協(xié)同控制策略有效解決了多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的負(fù)載分配不均和電機(jī)不同步問題，提高了系統(tǒng)的整體性能。

  經(jīng)濟(jì)效益顯著：永磁電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)的應(yīng)用不僅提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，還降低了維護(hù)成本和能耗，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用價(jià)值。

  綜上所述，永磁電機(jī)直驅(qū)技術(shù)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景，為礦業(yè)開采和物料運(yùn)輸提供了高效、可靠的解決方案。