永磁外转子矿井提升机多物理场耦合研究进展
寇子明
寇少凯
吴娟
王彦栋
太原理工大学机器人科学与工程学院,山西太原 030024;智能采矿装备技术全国重点实验室,山西太原 030032;矿山流体控制国家地方联合工程实验室,山西太原 030024
摘要：旋转机械传动系统永磁自驱化可促进装备的节能增效,为提高现有矿井提升机中小功率异步电机驱动系统的传动效率,研发了集驱动单元与负载为一体的永磁外转子提升机.但高度集成化的特点也使径向时变大载荷直接作用于滚筒外表面,带来了 2个技术难题:①永磁体边缘切削加剧齿槽转矩问题,大直径滚筒内壁需要轴向分段布置大量永磁体,并与多个定子槽相配合,具有高功率密度的拓扑结构设计不仅密切关系着驱动系统的效率和成本,而且能够有效抑制由磁场能量变化引起的齿槽转矩和转矩脉动;②气隙变化引起机械-电磁耦合振动问题,动载荷会引起承载面的局部变形,导致永磁体与定子外圆之间的气隙产生非均匀变化,加剧磁场畸变,诱发严重的机械-电磁耦合振动,需要从动力学的角度揭示气隙变化对振动的影响机理,有助于"对症下药"探索抑制方法.首先,综述了矿井提升机传动方案的发展历程,引出"无减速器、无高速轴、无联轴器"的永磁外转子提升机,并分析了该方案相较于三相异步电机驱动方案的主要优势.然后,重点阐述了永磁外转子提升机拓扑结构设计、动力学分析和永磁体磁性能影响因素3个方面的技术现状,包括外极弧偏心削极永磁体、永磁体边缘结构和非对称定子槽结构设计方法,气隙变化规律和机械-电磁耦合振动特性分析方法,以40极168槽单绳缠绕式永磁外转子提升机为例,基于有限元分析和现场试验相结合进行验证,结果表明:①"倒角形边缘外极弧偏心削极永磁体+非对称定子槽"模型可以降低转矩脉动9％;②气隙变化的诱因包括转子变形和定子变形,前者会增大电磁力波的幅值,后者则会在电磁力波的主谐波附近产生阶次为±2和±4的高次谐波.在永磁体磁性能影响方面,主要对永磁体退磁特性以及防退磁方法、永磁体的涡流损耗和温升控制2个方面展开论述,展望了永磁外转子提升机在永磁体磁性能方面的研究内容.最后,探讨了双绳缠绕式永磁外转子提升机的布置方案,以及在超深井提升系统中的应用前景.数值模拟结果表明:提升高度为2 000 m时,有效载荷最大可达70t.
关键词：永磁外转子提升机拓扑结构设计齿槽转矩气隙变化电磁力波
分类号：TD534(矿山运输与设备)
资助基金：国家自然科学基金(52504172)国家自然科学基金(52274156)山西省基础研究计划资助项目(202403021222040)
论文发表日期：2026-01-31
在线出版日期：2026-03-12（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：23( 365-387 )
英文信息