（1）针对刮板输送机传统异步电机驱动系统传动效率低、占地面积大等技术不足，考虑新兴永磁直驱系统径向尺寸较大无法在综采工作面刮板输送机上安装且难以适应工作面“片帮”等恶劣过载工况等现实难题，创新提出了由“永磁同步电机+内置式行星齿轮减速机构”组成的一体式永磁电机半直驱系统，通过内置式行星齿轮减速机构实现减速增扭，可在发挥永磁同步电机优异性能的同时，显著缩小电机体积，解决刮板输送机“三机”配套安装空间问题；同时，行星齿轮减速机构又可避免永磁同步电机的永磁体直接承受大负载冲击，提高设备运行可靠性，从而为推动先进永磁直驱技术在综采工作面刮板输送机上落地应用提供了一种务实可行的技术方案。
（2）为探究刮板输送机新型永磁半直驱系统的机-电耦合动力学行为，以刮板输送机链条作为状态量，推导并建立了永磁电机半直驱刮板输送机的机-电耦合动力学模型；建立仿真模型，分析得到了在空载启动定常落煤、非定常落煤以及故障后满载启动三种工况下，新型永磁电机半直驱系统的电机动态特性以及刮板输送机链条速度、加速度与张力等参数的动力学特性，为新型永磁电机半直驱系统的设计及应用提供了理论参考。
（3）通过研制的永磁电机半直驱系统试验平台，分别采集不同负载率下驱动系统运行数据，对比分析了新型永磁电机半直驱系统与传统异步电机驱动系统的驱动性能。结果表明，永磁电机半直驱系统在全负载点功率因数均高于90%，传动效率均超过82%，相比传统异步电机驱动系统，传动效率至少提升了16.3%以上，可显著提升刮板输送机的驱动性能与节电率，有助于推动矿山运输环节实现节能减碳绿色发展目标。
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永磁电机半直驱刮板输送机机−电耦合动力学行为
煤炭作为推动我国经济发展与保障能源安全稳定的压舱石，在未来很长一段时间内仍将是我国主体能源。2023年3月，国家能源局印发《关于加快推进能源数字化智能化发展的若干意见》指出，要以数字化、智能化技术带动煤炭安全高效生产，加快实现采煤工作面采−支−运智能协同运行。近年来，在国家“双碳”战略目标与矿山智能化建设浪潮的驱动下，我国矿山运输装备正朝着智能、绿色与安全方向转型升级。刮板输送机作为煤矿井下主煤流运输系统的关键装备之一，主要承担综采工作面煤炭运输以及向顺槽装载机转运煤炭的重要任务，其运行可靠性与高效性直接影响煤矿的生产效率和经济效益。
目前，刮板输送机多采用三相异步电机作为动力源，不管是早期的液力耦合器(TTT)/可控启动装置(CST)的软启动方式，还是采用变频器的变频启动方式，均需要在链轮上安装机械减速装置，存在传动效率低、故障率高、维护成本高等技术不足，而三相异步电机也存在着启动特性差、启动电流大、功率因数低等问题，导致了刮板输送机整机运行能耗高、传动效率低，难以满足矿山装备绿色低碳化发展需求。永磁同步电机凭借其高功率因数、节能省电的优点以及低速大转矩的输出特性，可以舍去减速装置与低速重载工况的矿山运输装备实现直联驱动，大大提高了驱动效率，由于带式输送机在驱动原理上特有的自我保护特性，目前已在煤矿井下带式输送机上得到广泛应用。张磊等研发了一种集永磁直驱技术与永磁电张紧技术于一体的大运距高可靠智能型全永磁驱动带式输送机系统，通过驱动系统综合控制器可统一控制多套永磁直驱系统与永磁张紧绞车的电机工作，极大程度提高了带式输送机的运行效率；王雷等研发了装机功率50~315 kW的带式输送机矿用隔爆永磁电动滚筒，在国内数十个煤矿得到了广泛应用。
永磁电机的低速大转矩输出特性主要得益于其内部转子上的高性能永磁体材料，而永磁体在高温与过电流等极端工况下存在退磁风险。受煤层地质条件与开采工艺影响，用于综采工作面的采煤机与刮板输送机，在运行过程中经常会遇到冲击载荷与突变负载，相比于带式输送机其运行工况更为恶劣，且没有摩擦驱动式设备的超载“打滑”自我保护特性，对驱动系统的可靠性要求更高。因此，目前采煤机与刮板输送机尚未实现永磁驱动化，多停留在系统结构设计与机−电耦合动力学等基础理论研究阶段，用以探究永磁驱动技术在综采工作面使用的可行性。例如，在采煤机永磁驱动技术领域，张务果提出了一种采煤机永磁驱动截割传动系统，其取消了传统采煤机截割滚筒后连接的行星齿轮减速机构，缩短了采煤机截割传动系统的传动链；姜耸等根据永磁电机、齿轮减速系统和末端截割滚筒的耦合关系，建立了永磁驱动截割传动系统的全局机−电耦合动力学模型，分析了传动轴扭转刚度、齿轮啮合刚度和轴承支撑刚度影响下系统固有频率变化规律，为采煤机截割滚筒永磁驱动技术研究提供了参考。
在刮板输送机永磁驱动技术领域，王洋洋、鞠锦勇等团队探究了永磁直驱刮板输送机在空载、重载与冲击载荷等工况下刮板链传动系统的机−电耦合动态特性；张强等提出了一种新型多永磁电机串联驱动刮板输送机系统，着重分析了建立非线性机−电耦合动力学模型对于描述链传动系统非线性特征的重要性，以上研究均为永磁驱动技术在刮板输送机上应用提供了理论参考。
刮板输送机若采用永磁直驱方案，会因径向尺寸过大导致在综采工作面内难以布置，对此，笔者提出了一种刮板输送机永磁半直驱电机，通过在传统永磁同步电机箱体内部安装行星齿轮减速装置，可在保证低速大转矩输出特性的同时，进一步减小永磁体与定子绕组结构，实现减小电机体积的目的。在此基础上，本文开展了多工况下的机−电耦合动力学行为研究，研究结果可为刮板输送机永磁驱动技术的研究与应用提供理论参考。
图 1 刮板输送机永磁半直驱电机结构原理图
图 2 两种驱动系统结构对比
图 3 永磁电机半直驱系统升级改造方案
图 4 永磁电机半直驱系统行星齿轮减速机构三维图
图 5 永磁电机半直驱刮板输送机机−电耦合模型原理
图 6 齿轮传动系统动力学模型
图 7 基于id=0永磁电机矢量控制模型
图 8 刮板输送机机械负载动力学模型
图 9 永磁半直驱刮板输送机机−电耦合仿真模型
图 10 空载启动后平稳落煤工况仿真结果
图 11 非定常落煤模拟曲线
图 12 非定常落煤工况仿真结果
图 13 故障后满载启动工况仿真结果
图 14 冲击载荷输入
图 15 冲击载荷下第一级齿轮扭转位移
图 16 永磁电机半直驱系统试验平台
图 17 空载启动工况下等效缩放后测功机负载转矩
图 18 空载启动工况下驱动系统输出特性
图 19 满载启动工况下等效缩放后测功机负载转矩
图 20 满载启动工况下驱动系统输出特性
图 21 两种电机驱动性能对比
葛世荣，男，1963年生，浙江天台人，博士，教授，博士生导师，中国工程院院士。曾获国家杰出青年科学基金资助，荣获全国优秀科技工作者、何梁何利基金科技进步奖、全国创新争先奖、世界能源论坛技术创新奖、孙越崎能源科技大奖等奖励和称号。目前担任煤矿智能化与机器人创新应用应急部重点实验室主任、国家矿山安全监察局矿山智能化专家委员会主任、中国矿山安全学会副理事长、中国煤炭工业安全科学技术学会副理事长、世界摩擦学理事会副主席等学术职务。
研究方向
智能矿山装备和工程摩擦学研究，具体包括：煤矿运输理论技术与装备、生物摩擦学、摩擦学非线性理论、救灾机器人和矿山机械可靠性等方向。
主要成果
长期致力于煤矿开采运输理论技术与装备研究，提出了矿山运输装备摩擦可靠性理论方法，发明了矿山运输摩擦智能控制核心技术，创设了深井提升重载化、巷道运输自动化关键技术装备，攻克了煤矿井下智能化采运协同调控关键技术。1997年提出了矿山开采装备机器人化技术设想，2005年研发出我国第一台煤矿搜救机器人，2008年主持“863”计划重点项目“煤矿井下采掘机械远程遥控技术研发”，2014年主持“973”计划项目“深部煤层无人化采掘装备构建基础研究”，多项重要研究成果在我国煤矿广泛应用，为大型煤矿安全高效开采提供了可靠运力保障，推动了我国煤矿智能化采运和煤矿机器人技术发展。研究成果曾获国家技术发明奖二等奖3项，国家科技进步奖二等奖1项、三等奖1项，独立和共同发表论文300余篇，授权发明专利30余件，出版学术著作5部。
鲍久圣，男，1979年生，安徽桐城人，博士，中国矿业大学教授、博士生导师，全国煤矿智能化卓越专家，国家首批煤矿智能化专家库成员，煤炭工业技术委员会矿山机电与辅助运输专家委员会委员，中国自动化学会智慧矿山专业委员会委员，山西省煤炭学会“千人智库”高级专家，兼任《煤炭学报》《绿色矿山》编委、《工程机械手册》丛书编委等学术职务，曾入选江苏省"333人才工程”、“六大人才高峰”等4项省级人才计划。主持科研项目40余项，出版《采矿运输技术与装备》《工程机械手册·矿山机械卷》等著作5部，发表学术论文150余篇，申请和授权发明专利140余件，获省部级科技和学术奖励16项，曾多次作为行业专家接受CCTV采访和杂志专访。
研究方向
矿山运输及其智能化、矿山装备高效智能绿色驱动、矿山无人驾驶与煤矿机器人
主要成果
致力于矿山运输装备及其智能化技术研究，凝练提出了矿山运输系统“连续化、标准化、智能化、无人化”的“四化”型发展理念，创新开展了带式输送机全永磁变频直驱、井下辅运车辆防爆混合动力驱动、防爆柴油机尾气净化后处理、提升机高性能闸瓦材料及摩-磁复合制动技术等矿山装备智能驱动与制动技术研究；率先开展了煤矿井下恶劣环境无人驾驶技术研究，发明了井下“三轨一地”自适应连续化辅助运输机器人（MAGV），与企业合作研制了我国首台煤矿井下无人驾驶无轨胶轮车、数字孪生无人驾驶单轨吊、露天矿百吨级新能源运输机器人等矿山无人驾驶系统；面向深地资源原位流态化开采科学前沿，创新开展了超深矿井流态化管道输送与重载无绳提升、流态化开采装备自主行走及协同控制等新兴前沿技术研究。研究成果广泛应用于矿山装备及工程机械等相关领域，产生了显著的经济与社会效益。
来源：
葛世荣，舒子龙，鲍久圣，等. 永磁电机半直驱刮板输送机机−电耦合动力学行为[J]. 煤炭学报，2025，50(1)：65−80.
GE Shirong，SHU Zilong，BAO Jiusheng，et al. Electromechanical coupling dynamics behavior of permanent magnet motor semi-direct driving scraper conveyor[J]. Journal of China Coal Society，2025，50(1)：65−80.
策划丨郭晓炜
责编丨黄小雨
编辑丨李莎
审核丨郭晓炜
