1.Einleitung

Als wichtigstes Kerngerät des Minentransportsystems ist der Minenaufzug für das Heben und Senken von Personal, Erzen, Materialien usw. verantwortlich. Die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Effizienz seines Betriebs stehen in direktem Zusammenhang mit der Produktionseffizienz der Mine und der Sicherheit von Leben und Eigentum des Personals. Mit der kontinuierlichen Entwicklung der modernen Wissenschaft und Technologie hat sich die Anwendung der Permanentmagnettechnologie im Bereich der Minenaufzüge allmählich zu einem Forschungsschwerpunkt entwickelt.

Permanentmagnetmotoren bieten viele Vorteile wie hohe Leistungsdichte, hohen Wirkungsgrad und geringe Geräuschentwicklung. Ihr Einsatz in Förderanlagen dürfte die Leistung der Anlagen deutlich verbessern und gleichzeitig neue Chancen und Herausforderungen hinsichtlich der Sicherheit mit sich bringen.

2. Anwendung der Permanentmagnettechnologie im Antriebssystem von Förderanlagen

(1).Arbeitsprinzip eines Permanentmagnet-Synchronmotors

Permanentmagnet-Synchronmotoren arbeiten nach dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion. Das Kernprinzip besteht darin, dass beim Durchleiten von dreiphasigem Wechselstrom durch die Statorwicklung ein rotierendes Magnetfeld erzeugt wird, das mit dem Magnetfeld des Permanentmagneten am Rotor interagiert und dadurch ein elektromagnetisches Drehmoment erzeugt, das den Motor antreibt. Die Permanentmagnete am Rotor bilden eine stabile Magnetfeldquelle ohne zusätzlichen Erregerstrom, was den Motoraufbau relativ einfach macht und die Energieumwandlungseffizienz verbessert. In Förderanlagen muss der Motor häufig zwischen verschiedenen Betriebsbedingungen wie hoher Last, niedriger Drehzahl und geringer Last, hoher Drehzahl wechseln. Der Permanentmagnet-Synchronmotor reagiert dank seiner hervorragenden Drehmomenteigenschaften schnell und gewährleistet so einen reibungslosen Betrieb der Förderanlage.

(2) Technologischer Fortschritt im Vergleich zu herkömmlichen Antriebssystemen

1. Effizienzvergleichsanalyse

Herkömmliche Grubenförderanlagen werden meist von Asynchronmotoren mit Wickelläufer angetrieben, die einen relativ niedrigen Wirkungsgrad haben. Die Verluste von Asynchronmotoren umfassen hauptsächlich Kupferverluste im Stator, Kupferverluste im Rotor, Eisenverluste, mechanische Verluste und Streuverluste. Da im Permanentmagnet-Synchronmotor kein Erregerstrom fließt, sind die Kupferverluste im Rotor nahezu null und die Eisenverluste sind aufgrund der relativ stabilen Magnetfeldeigenschaften ebenfalls reduziert. Ein Vergleich tatsächlicher Testdaten (siehe Abbildung 1) zeigt, dass der Wirkungsgrad des Permanentmagnet-Synchronmotors bei unterschiedlichen Lastraten deutlich höher ist als der des Asynchronmotors mit Wickelläufer. Im Lastratenbereich von 50 % – 100 % kann der Wirkungsgrad eines Permanentmagnet-Synchronmotors etwa 10 % – 20 % höher sein als der eines Asynchronmotors mit Wickelläufer, was die Energieverbrauchskosten für den Langzeitbetrieb von Grubenförderanlagen deutlich senken kann.

Abbildung 1: Wirkungsgradvergleichskurve von Permanentmagnet-Synchronmotor und Asynchronmotor mit gewickeltem Rotor

2. Leistungsfaktorverbesserung

Beim Betrieb eines Asynchronmotors mit gewickeltem Rotor liegt sein Leistungsfaktor üblicherweise zwischen 0,7 und 0,85. Um die Netzanforderungen zu erfüllen, sind zusätzliche Blindleistungskompensationsanlagen erforderlich. Der Leistungsfaktor eines Permanentmagnet-Synchronmotors kann bis zu 0,96 oder mehr betragen und liegt nahe bei 1. Dies liegt daran, dass das vom Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld den Blindleistungsbedarf während des Motorbetriebs erheblich reduziert. Ein hoher Leistungsfaktor reduziert nicht nur die Blindleistungsbelastung des Stromnetzes und verbessert dessen Stromqualität, sondern senkt auch die Stromkosten von Bergbauunternehmen und reduziert die Investitions- und Wartungskosten für Blindleistungskompensationsanlagen.

(3) Auswirkungen auf den sicheren Betrieb von Förderanlagen

1. Anfahr- und Bremsverhalten

Das Anlaufdrehmoment von Permanentmagnet-Synchronmotoren ist gleichmäßig und präzise steuerbar. Beim Anlaufen des Förderbandes werden Probleme wie Seilschwingungen und erhöhter Seilscheibenverschleiß durch übermäßige Drehmomenteinwirkung beim Anlaufen herkömmlicher Motoren vermieden. Der Anlaufstrom ist gering und verursacht keine großen Spannungsschwankungen im Stromnetz. Dadurch wird der normale Betrieb anderer elektrischer Geräte im Bergwerk gewährleistet.

Beim Bremsen können Permanentmagnet-Synchronmotoren mit fortschrittlicher Vektorregelungstechnologie kombiniert werden, um eine präzise Regelung des Bremsmoments zu erreichen. Beispielsweise wechselt der Motor während der Verzögerungsphase des Hebezeugs durch Steuerung von Stärke und Phase des Statorstroms in den Bremszustand zur Stromerzeugung. Dadurch wird die kinetische Energie des Hebezeugs in elektrische Energie umgewandelt und ins Stromnetz zurückgespeist, wodurch energiesparend gebremst wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Bremsmethoden reduziert diese Bremsmethode den Verschleiß mechanischer Bremskomponenten, verlängert die Lebensdauer des Bremssystems, verringert das Risiko eines Bremsversagens durch Überhitzung und verbessert die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Hebezeugbremsung.

2. Fehlerredundanz und Fehlertoleranz

Einige Permanentmagnet-Synchronmotoren verwenden ein mehrphasiges Wicklungsdesign, beispielsweise ein sechsphasiger Permanentmagnet-Synchronmotor. Wenn eine Phasenwicklung eines Motors ausfällt, können die verbleibenden Phasenwicklungen den Grundbetrieb des Motors weiterhin aufrechterhalten, die Ausgangsleistung wird jedoch entsprechend reduziert. Dieses fehlerredundante Design ermöglicht es dem Grubenaufzug, den Förderbehälter auch bei einem teilweisen Motorausfall sicher zum Bohrlochkopf oder Bohrlochboden zu heben, wodurch verhindert wird, dass der Aufzug aufgrund eines Motorausfalls in der Mitte des Schachts schwebt, wodurch die Sicherheit von Personal und Ausrüstung gewährleistet wird. Nehmen wir als Beispiel einen sechsphasigen Permanentmagnet-Synchronmotor und gehen davon aus, dass eine der Phasenwicklungen offen ist. Gemäß der Drehmomentverteilungstheorie des Motors können die verbleibenden fünf Phasenwicklungen immer noch etwa 80 % des Nenndrehmoments bereitstellen (der spezifische Wert hängt von den Motorparametern ab), was ausreicht, um den langsamen Betrieb des Aufzugs aufrechtzuerhalten und die Sicherheit zu gewährleisten.

3. Analyse des tatsächlichen Falles

(1). Anwendungsfälle in Metallbergwerken

Eine große Metallmine nutzt einen Permanentmagnet-Synchronmotor mit einer Nennleistung von P = 3000 kW zum Antrieb. Nach dem Einsatz dieses Motors reduziert sich der jährliche Stromverbrauch im Vergleich zum ursprünglichen Asynchronmotor bei gleicher Hebeaufgabe um etwa 18 %.

Durch Überwachung und Analyse der Motorbetriebsdaten bleibt die Effizienz von Permanentmagnet-Synchronmotoren unter verschiedenen Betriebsbedingungen auf einem hohen Niveau, insbesondere bei mittleren und hohen Lastraten, bei denen der Effizienzvorteil deutlicher zum Tragen kommt.

(2). Anwendungsfälle im Kohlebergbau

In einem Kohlebergwerk wurde ein Förderband mit Permanentmagnettechnologie installiert. Der Permanentmagnet-Synchronmotor hat eine Leistung von 800 kW und wird hauptsächlich zum Heben und Transportieren von Personal und Kohle eingesetzt. Aufgrund der begrenzten Kapazität des Kohlebergwerksstromnetzes reduziert der hohe Leistungsfaktor des Permanentmagnet-Synchronmotors dessen Belastung effektiv. Während des Betriebs kam es durch das Anfahren oder den Betrieb des Förderbandes zu keinen nennenswerten Schwankungen der Netzspannung, wodurch der normale Betrieb anderer elektrischer Geräte im Kohlebergwerk gewährleistet blieb.

4. Zukünftiger Entwicklungstrend des Permanentmagnetmotors für Grubenförderanlagen

(1) Forschung, Entwicklung und Anwendung von Hochleistungs-Permanentmagnetwerkstoffen

Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Materialwissenschaft ist die Forschung und Entwicklung neuer Hochleistungs-Permanentmagnetmaterialien zu einer wichtigen Richtung für die Entwicklung der Permanentmagnettechnologie für Grubenförderanlagen geworden. Beispielsweise werden von der neuen Generation von Permanentmagnetmaterialien aus Seltenen Erden Durchbrüche bei magnetischem Energieprodukt, Koerzitivkraft, Temperaturstabilität usw. erwartet. Ein höheres magnetisches Energieprodukt wird es Permanentmagnetmotoren ermöglichen, bei geringerem Volumen und Gewicht mehr Leistung abzugeben, was die Leistungsdichte von Grubenförderanlagen weiter verbessert. Eine bessere Temperaturstabilität wird es Permanentmagnetmotoren ermöglichen, sich an rauere Grubenumgebungen anzupassen, wie etwa tiefe Gruben mit hohen Temperaturen. Eine stärkere Koerzitivkraft wird die Anti-Entmagnetisierungsfähigkeit des Permanentmagneten verbessern und die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Motors verbessern.

(2) Integration intelligenter Steuerungstechnik

Die Permanentmagnettechnologie von Förderanlagen wird künftig eng mit intelligenter Steuerungstechnik integriert. Mithilfe von künstlicher Intelligenz, Big Data, dem Internet der Dinge und anderen fortschrittlichen Technologien wird der intelligente Betrieb und die Wartung von Förderanlagen ermöglicht. Durch die Installation einer Vielzahl von Sensoren an Schlüsselkomponenten von Permanentmagnetmotoren und Förderanlagen können beispielsweise Betriebsdaten in Echtzeit erfasst und mithilfe von Algorithmen der künstlichen Intelligenz analysiert und verarbeitet werden, um Geräteausfälle frühzeitig vorherzusagen und zu diagnostizieren, Wartungspläne im Voraus zu erstellen, die Ausfallrate von Geräten zu senken und die Betriebssicherheit zu verbessern. Gleichzeitig kann das intelligente Steuerungssystem die Betriebsparameter des Motors wie Drehzahl, Drehmoment usw. automatisch entsprechend dem tatsächlichen Produktionsbedarf des Bergwerks und dem Betriebszustand der Förderanlage optimieren, um Energie zu sparen und die Effizienz zu steigern sowie die Produktionseffizienz und den wirtschaftlichen Nutzen des Bergwerks zu verbessern.

(3) Systemintegration und modularer Aufbau

Um den Komfort und die Wartungsfreundlichkeit der Permanentmagnettechnologie in Förderanlagen zu verbessern, werden Systemintegration und modulares Design zum Entwicklungstrend. Die verschiedenen Subsysteme wie Permanentmagnetmotoren, Bremssysteme und Sicherheitsüberwachungssysteme sind hochintegriert und bilden standardisierte Funktionsmodule. Beim Bau eines Bergwerks oder bei der Modernisierung von Anlagen müssen lediglich die passenden Module für Montage und Installation entsprechend dem tatsächlichen Bedarf ausgewählt werden. Dies verkürzt die Installations- und Inbetriebnahmezeiten der Anlagen erheblich und senkt die Baukosten. Darüber hinaus erleichtert das modulare Design die Wartung und Modernisierung der Anlagen. Fällt ein Modul aus, kann es schnell ausgetauscht werden, was Ausfallzeiten reduziert und die Produktionskontinuität des Bergwerks verbessert.

5. Technische Vorteile des Anhui Mingteng Permanentmagnetmotors

Anhui Mingteng Permanentmagnetische Maschinen und elektrische Geräte Co., Ltd. (https://www.mingtengmotor.com/）. wurde 2007 gegründet. Mingteng beschäftigt derzeit über 280 Mitarbeiter, darunter über 50 Fach- und Techniker. Das Unternehmen ist auf die Forschung und Entwicklung, Produktion und den Vertrieb von hocheffizienten Permanentmagnet-Synchronmotoren spezialisiert. Die Produktpalette umfasst Hochspannungs-, Niederspannungs-, Konstantfrequenz- und Frequenzumrichtermotoren, konventionelle Motoren, explosionsgeschützte Motoren, Direktantriebe, Elektrowalzen und All-in-One-Maschinen. Nach 17 Jahren technischer Erfahrung ist das Unternehmen in der Lage, eine breite Palette von Permanentmagnetmotoren zu entwickeln. Die Produkte kommen in verschiedenen Branchen wie der Stahl-, Zement- und Bergbauindustrie zum Einsatz und erfüllen die Anforderungen unterschiedlicher Betriebsbedingungen und Geräte.

Ming Teng verwendet moderne Motordesigntheorien, professionelle Designsoftware und ein selbst entwickeltes Permanentmagnetmotor-Designprogramm, um das elektromagnetische Feld, das Flüssigkeitsfeld, das Temperaturfeld, das Spannungsfeld usw. des Permanentmagnetmotors zu simulieren, die Magnetkreisstruktur zu optimieren, die Energieeffizienz des Motors zu verbessern und die Schwierigkeiten beim Lageraustausch vor Ort bei großen Permanentmagnetmotoren sowie das Problem der Permanentmagnetentmagnetisierung zu lösen und so grundsätzlich die zuverlässige Verwendung von Permanentmagnetmotoren sicherzustellen.

6. Fazit

Der Einsatz von Permanentmagnetmotoren in Förderanlagen hat sich hinsichtlich Sicherheit und technologischem Fortschritt als hervorragend erwiesen. Im Antriebssystem bilden der hohe Wirkungsgrad, der hohe Leistungsfaktor und die guten Drehmomenteigenschaften von Permanentmagnet-Synchronmotoren eine solide Grundlage für den sicheren und stabilen Betrieb der Förderanlage.

Eine Fallanalyse zeigt, dass Permanentmagnetmotoren beim Einsatz in Förderanlagen in verschiedenen Bergwerken bemerkenswerte Ergebnisse erzielt haben, sei es bei der Reduzierung des Energieverbrauchs, der Senkung der Wartungskosten oder der Gewährleistung der Sicherheit von Personal und Ausrüstung. Mit Blick auf die Zukunft eröffnen Permanentmagnetmotoren für Förderanlagen dank der Entwicklung leistungsstarker Permanentmagnetmaterialien, der Integration intelligenter Steuerungstechnik sowie der Weiterentwicklung von Systemintegration und modularem Design neue Entwicklungsperspektiven und verleihen der sicheren Produktion und dem effizienten Betrieb der Bergbauindustrie starke Impulse. Bei der Modernisierung der Fördertechnik oder der Anschaffung neuer Anlagen sollten Bergbaukunden das enorme Potenzial von Permanentmagnetmotoren voll ausschöpfen und diese unter Berücksichtigung der tatsächlichen Arbeitsbedingungen, Produktionsanforderungen und der wirtschaftlichen Stärke ihrer Bergwerke sinnvoll einsetzen, um eine nachhaltige Entwicklung der Bergbauunternehmen zu gewährleisten.

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