1. Introduction

En tant qu'équipement de base clé du système de transport minier, le treuil minier est responsable du levage et de l'abaissement du personnel, des minerais, des matériaux, etc. La sécurité, la fiabilité et l'efficacité de son fonctionnement sont directement liées à l'efficacité de la production de la mine et à la sécurité de la vie et des biens du personnel. Avec le développement continu de la science et de la technologie modernes, l'application de la technologie des aimants permanents dans le domaine des treuils miniers est progressivement devenue un point chaud de recherche.

Les moteurs à aimants permanents présentent de nombreux avantages, tels qu'une densité de puissance élevée, un rendement élevé et un faible niveau sonore. Leur utilisation dans les treuils miniers devrait améliorer considérablement les performances des équipements, tout en offrant de nouvelles opportunités et de nouveaux défis en matière de sécurité.

2. Application de la technologie des aimants permanents dans le système d'entraînement des treuils miniers

(1).Principe de fonctionnement du moteur synchrone à aimant permanent

Les moteurs synchrones à aimants permanents fonctionnent selon la loi de l'induction électromagnétique. Le principe de base est que lorsqu'un courant alternatif triphasé traverse le bobinage du stator, un champ magnétique tournant est généré. Ce champ interagit avec celui de l'aimant permanent du rotor, générant ainsi un couple électromagnétique entraînant le moteur en rotation. Les aimants permanents du rotor fournissent une source de champ magnétique stable sans courant d'excitation supplémentaire, ce qui simplifie la structure du moteur et améliore le rendement de conversion énergétique. Dans les applications de treuils miniers, le moteur doit fréquemment alterner entre différentes conditions de fonctionnement, telles qu'une charge élevée et une faible vitesse, et une charge faible et une vitesse élevée. Le moteur synchrone à aimants permanents réagit rapidement grâce à ses excellentes caractéristiques de couple pour assurer le bon fonctionnement du treuil.

(2). Progrès technologique par rapport aux systèmes d'entraînement traditionnels

1. Analyse comparative de l'efficacité

Français Les treuils miniers traditionnels sont principalement entraînés par des moteurs asynchrones à rotor bobiné, qui ont une efficacité relativement faible. Les pertes des moteurs asynchrones comprennent principalement la perte de cuivre du stator, la perte de cuivre du rotor, la perte de fer, la perte mécanique et la perte parasite. Comme il n'y a pas de courant d'excitation dans le moteur synchrone à aimant permanent, sa perte de cuivre du rotor est presque nulle et la perte de fer est également réduite en raison des caractéristiques de champ magnétique relativement stables. Grâce à la comparaison des données de test réelles (comme le montre la figure 1), sous différents taux de charge, l'efficacité du moteur synchrone à aimant permanent est significativement supérieure à celle du moteur asynchrone à rotor bobiné. Dans la plage de taux de charge de 50 % à 100 %, l'efficacité du moteur synchrone à aimant permanent peut être d'environ 10 % à 20 % supérieure à celle du moteur asynchrone à rotor bobiné, ce qui peut réduire considérablement les coûts de consommation d'énergie pour le fonctionnement à long terme des treuils miniers.

Figure 1 : Courbe de comparaison de l'efficacité du moteur synchrone à aimant permanent et du moteur asynchrone à rotor bobiné

2. Amélioration du facteur de puissance

Lorsqu'un moteur asynchrone à rotor bobiné fonctionne, son facteur de puissance est généralement compris entre 0,7 et 0,85, et des dispositifs de compensation de puissance réactive supplémentaires sont nécessaires pour répondre aux exigences du réseau. Le facteur de puissance d'un moteur synchrone à aimant permanent peut atteindre 0,96 ou plus, soit un niveau proche de 1. En effet, le champ magnétique généré par l'aimant permanent réduit considérablement la demande de puissance réactive pendant le fonctionnement du moteur. Un facteur de puissance élevé réduit non seulement la charge de puissance réactive du réseau électrique et améliore la qualité de l'énergie, mais réduit également les coûts d'électricité des entreprises minières et les coûts d'investissement et de maintenance des équipements de compensation réactive.

(3). Impact sur la sécurité d'exploitation des treuils miniers

1. Caractéristiques de démarrage et de freinage

Le couple de démarrage des moteurs synchrones à aimants permanents est régulier et contrôlable avec précision. Au démarrage du treuil, il permet d'éviter les problèmes tels que les secousses du câble et l'usure accrue de la poulie causés par un couple excessif au démarrage des moteurs traditionnels. Son faible courant de démarrage n'entraîne pas de fluctuations importantes de tension sur le réseau électrique, garantissant ainsi le bon fonctionnement des autres équipements électriques de la mine.

En termes de freinage, les moteurs synchrones à aimants permanents peuvent être associés à une technologie avancée de contrôle vectoriel pour une régulation précise du couple de freinage. Par exemple, pendant la phase de décélération du palan, en contrôlant l'intensité et la phase du courant statorique, le moteur passe en mode de freinage de production d'énergie, convertissant l'énergie cinétique du palan en énergie électrique et la restituant au réseau électrique, permettant ainsi un freinage économe en énergie. Comparé aux méthodes de freinage traditionnelles, ce mode de freinage réduit l'usure des composants mécaniques, prolonge la durée de vie du système de freinage, diminue le risque de défaillance due à une surchauffe et améliore la sécurité et la fiabilité du freinage du palan.

2. Redondance des pannes et tolérance aux pannes

Certains moteurs synchrones à aimants permanents utilisent une conception d'enroulement multiphasé, comme un moteur synchrone à aimant permanent à six phases. Lorsqu'un enroulement de phase d'un moteur tombe en panne, les enroulements de phase restants peuvent toujours maintenir le fonctionnement de base du moteur, mais la puissance de sortie sera réduite en conséquence. Cette conception de redondance des défauts permet au treuil de mine de soulever en toute sécurité le conteneur de levage jusqu'à la tête de puits ou au fond du puits même en cas de panne partielle du moteur, évitant ainsi que le treuil ne plane au milieu du puits en raison d'une panne du moteur, garantissant ainsi la sécurité du personnel et de l'équipement. En prenant un moteur synchrone à aimant permanent à six phases comme exemple, en supposant que l'un des enroulements de phase est ouvert, selon la théorie de la distribution du couple du moteur, les enroulements à cinq phases restants peuvent encore fournir environ 80 % du couple nominal (la valeur spécifique est liée aux paramètres du moteur), ce qui est suffisant pour maintenir le fonctionnement lent de l'ascenseur et assurer la sécurité.

3. Analyse de cas réels

(1). Cas d'application dans les mines de métaux

Une grande mine de métaux utilise un moteur synchrone à aimants permanents pour entraîner le moteur synchrone à aimants permanents d'une puissance nominale de P = 3 000 kW. L'utilisation de ce moteur, comparée au moteur asynchrone bobiné d'origine, pour la même tâche de levage, permet de réduire la consommation électrique annuelle d'environ 18 %.

Grâce à la surveillance et à l'analyse des données de fonctionnement du moteur, l'efficacité des moteurs synchrones à aimants permanents reste à un niveau élevé dans différentes conditions de fonctionnement, en particulier à des taux de charge moyens et élevés, où l'avantage d'efficacité est plus évident.

(2). Cas d'application des mines de charbon

Une mine de charbon a installé un treuil utilisant la technologie des aimants permanents. Son moteur synchrone à aimants permanents, d'une puissance de 800 kW, est principalement utilisé pour le levage et le transport du personnel et du charbon. Compte tenu de la capacité limitée du réseau électrique de la mine, le facteur de puissance élevé du moteur synchrone à aimants permanents réduit efficacement la charge sur le réseau. Pendant l'exploitation, aucune fluctuation significative de la tension du réseau électrique n'a été constatée lors du démarrage ou du fonctionnement du treuil, ce qui a assuré le bon fonctionnement des autres équipements électriques de la mine.

4. Tendance de développement future du moteur à aimant permanent pour treuil minier

(1). Recherche, développement et application de matériaux magnétiques permanents hautes performances

Avec les progrès continus de la science des matériaux, la recherche et le développement de nouveaux matériaux magnétiques permanents hautes performances sont devenus une direction importante pour le développement de la technologie magnétique permanente pour les treuils miniers. Par exemple, la nouvelle génération de matériaux magnétiques permanents à base de terres rares devrait réaliser des percées dans le produit d'énergie magnétique, la force coercitive, la stabilité de la température, etc. Un produit d'énergie magnétique plus élevé permettra aux moteurs à aimants permanents de produire une plus grande puissance avec un volume et un poids plus petits, améliorant encore la densité de puissance des treuils miniers ; une meilleure stabilité de la température permettra aux moteurs à aimants permanents de s'adapter à des environnements miniers plus difficiles, tels que les mines profondes à haute température ; une force coercitive plus forte améliorera la capacité anti-démagnétisation de l'aimant permanent et améliorera la fiabilité et la durée de vie du moteur.

(2). Intégration de la technologie de contrôle intelligent

À l'avenir, la technologie à aimant permanent des treuils miniers sera étroitement intégrée à une technologie de contrôle intelligent. Grâce à l'intelligence artificielle, au big data, à l'Internet des objets et à d'autres technologies avancées, l'exploitation et la maintenance intelligentes des treuils seront réalisées. Par exemple, l'installation d'un grand nombre de capteurs sur les composants clés des moteurs et des treuils à aimant permanent permettra de collecter les données d'exploitation en temps réel, puis de les analyser et de les traiter à l'aide d'algorithmes d'intelligence artificielle. Cela permettra de prédire et de diagnostiquer précocement les pannes d'équipement, d'anticiper les plans de maintenance, de réduire les taux de pannes d'équipement et d'améliorer la fiabilité opérationnelle. Parallèlement, le système de contrôle intelligent optimisera automatiquement les paramètres de fonctionnement du moteur, tels que la vitesse, le couple, etc., en fonction des besoins de production réels de la mine et de l'état de fonctionnement du treuil, afin d'atteindre les objectifs d'économie d'énergie et d'amélioration de l'efficacité, ainsi que d'accroître l'efficacité de la production et les retombées économiques de la mine.

(3). Intégration de systèmes et conception modulaire

Afin d'améliorer la commodité et la maintenabilité de l'application de la technologie des aimants permanents aux treuils miniers, l'intégration des systèmes et la conception modulaire deviendront la tendance de développement. Les différents sous-systèmes, tels que les moteurs à aimants permanents, les systèmes de freinage et les systèmes de surveillance de sécurité, sont hautement intégrés pour former des modules fonctionnels standardisés. Lors de la construction d'une mine ou de la rénovation d'équipements, il suffit de sélectionner les modules appropriés pour l'assemblage et l'installation en fonction des besoins réels, ce qui raccourcit considérablement le cycle d'installation et de mise en service des équipements et réduit les coûts de construction technique. De plus, la conception modulaire facilite la maintenance et les mises à niveau des équipements. En cas de panne d'un module, il peut être rapidement remplacé, ce qui réduit les temps d'arrêt et améliore la continuité de la production de la mine.

5. Avantages techniques du moteur à aimant permanent Anhui Mingteng

Anhui Mingteng Machines à Magnétique Permanent et Équipement Électrique Co., Ltd.https://www.mingtengmotor.com/）. Créée en 2007, Mingteng compte actuellement plus de 280 employés, dont plus de 50 professionnels et techniciens. Elle est spécialisée dans la recherche et le développement, la production et la commercialisation de moteurs synchrones à aimants permanents à très haut rendement. Ses produits couvrent une gamme complète de moteurs haute tension, basse tension, à fréquence constante, à fréquence variable, conventionnels, antidéflagrants, à entraînement direct, à rouleaux électriques, et de machines tout-en-un. Forte de 17 ans d'expertise technique, elle est en mesure de développer une gamme complète de moteurs à aimants permanents. Ses produits sont destinés à divers secteurs tels que l'acier, le ciment et l'exploitation minière, et peuvent répondre aux besoins de conditions de travail et d'équipements variés.

Ming Teng utilise une théorie de conception de moteur moderne, un logiciel de conception professionnel et un programme de conception de moteur à aimant permanent auto-développé pour simuler le champ électromagnétique, le champ de fluide, le champ de température, le champ de contrainte, etc. du moteur à aimant permanent, optimiser la structure du circuit magnétique, améliorer l'efficacité énergétique du moteur et résoudre les difficultés de remplacement des roulements sur site des grands moteurs à aimant permanent et le problème de démagnétisation des aimants permanents, garantissant fondamentalement l'utilisation fiable des moteurs à aimant permanent.

6. Conclusion

L'utilisation de moteurs à aimants permanents dans les treuils miniers a démontré d'excellentes performances en termes de sécurité et d'avancées technologiques. Au niveau du système d'entraînement, le rendement élevé, le facteur de puissance élevé et les bonnes caractéristiques de couple des moteurs synchrones à aimants permanents constituent une base solide pour un fonctionnement sûr et stable du treuil.

L'analyse de cas concrets montre que les moteurs à aimants permanents ont obtenu des résultats remarquables dans l'utilisation des treuils miniers dans différents types de mines, que ce soit en termes de réduction de la consommation d'énergie, de réduction des coûts de maintenance ou de sécurité du personnel et des équipements. À l'avenir, grâce au développement de matériaux à aimants permanents hautes performances, à l'intégration de technologies de contrôle intelligentes et aux progrès de l'intégration des systèmes et de la conception modulaire, les moteurs à aimants permanents pour treuils miniers ouvriront de nouvelles perspectives de développement, insufflant une forte impulsion à la production sûre et à l'exploitation efficace de l'industrie minière. Lorsqu'ils envisagent de moderniser leur technologie de treuil ou d'acquérir de nouveaux équipements, les clients du secteur minier doivent pleinement exploiter le potentiel considérable des moteurs à aimants permanents et les utiliser judicieusement en fonction des conditions d'exploitation, des besoins de production et de la solidité économique de leurs mines afin de garantir un développement durable.

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