1.はじめに

鉱山輸送システムの重要な中核設備である鉱山ホイストは、人員、鉱石、資材などの昇降を担っています。その操作の安全性、信頼性、効率は、鉱山の生産効率と人命および財産の安全に直結しています。現代科学技術の継続的な発展に伴い、鉱山ホイスト分野における永久磁石技術の応用は、徐々に研究のホットスポットになってきました。

永久磁石モーターは、高出力密度、高効率、低騒音など多くの利点を有しています。鉱山ホイストへの適用は、機器の性能を大幅に向上させると期待される一方で、安全性確保の面で新たな機会と課題をもたらします。

2. 鉱山ホイスト駆動システムにおける永久磁石技術の応用

（１）永久磁石同期モータの動作原理

永久磁石同期モーターは、電磁誘導の法則に基づいて動作します。その基本原理は、三相交流電流が固定子巻線を通過すると回転磁界が発生し、回転子上の永久磁石の磁界と相互作用することで電磁トルクが発生し、モーターを回転駆動します。回転子上の永久磁石は、追加の励磁電流を必要とせずに安定した磁界源を提供するため、モーターの構造が比較的シンプルになり、エネルギー変換効率が向上します。鉱山ホイストのアプリケーションシナリオでは、モーターは重負荷、低速、軽負荷、高速などの異なる動作条件を頻繁に切り替える必要があります。永久磁石同期モーターは優れたトルク特性により迅速に応答し、ホイストのスムーズな動作を保証します。

（2）従来の駆動システムと比較した技術の進歩

1. 効率比較分析

従来の鉱山ホイストは主に巻線型非同期モーターで駆動されていますが、その効率は比較的低いです。非同期モーターの損失には、主に固定子銅損、回転子銅損、鉄損、機械損、漂遊損が含まれます。永久磁石同期モーターには励磁電流がないため、回転子銅損はほぼゼロであり、比較的安定した磁場特性により鉄損も低減されます。実際のテストデータの比較（図1を参照）により、異なる負荷率において、永久磁石同期モーターの効率は巻線型非同期モーターの効率よりも大幅に高くなっています。負荷率50％～100％の範囲では、永久磁石同期モーターの効率は巻線型非同期モーターの効率よりも約10％～20％高くなるため、鉱山ホイストの長期運用におけるエネルギー消費コストを大幅に削減できます。

図1：永久磁石同期モータと巻線ロータ非同期モータの効率比較曲線

2.力率改善

巻線型非同期モータの運転時の力率は通常0.7～0.85であり、電力網の要件を満たすために追加の無効電力補償装置が必要です。永久磁石同期モータの力率は0.96以上と1に近くなります。これは、永久磁石によって生成される磁場が、モータ運転中の無効電力の需要を大幅に低減するためです。高力率は、電力網の無効電力負担を軽減し、電力網の電力品質を向上させるだけでなく、鉱業企業の電力コストを削減し、無効電力補償装置の投資および保守コストを削減します。

（３）鉱山ホイストの安全な運転への影響

1.始動およびブレーキ特性

永久磁石同期モータの始動トルクは滑らかで、精密に制御可能です。鉱山ホイストの起動時に、従来のモータの始動時に発生する過度のトルク衝撃によるワイヤーロープの揺れやシーブの摩耗増加などの問題を回避できます。始動電流が小さいため、電力網に大きな電圧変動を引き起こさず、鉱山内の他の電気機器の正常な動作を保証します。

ブレーキの面では、永久磁石同期モーターを先進的なベクトル制御技術と組み合わせることで、精密なブレーキトルク制御を実現できます。例えば、ホイストの減速段階では、固定子電流の大きさと位相を制御することで、モーターは発電ブレーキ状態に入り、ホイストの運動エネルギーを電気エネルギーに変換して電力網にフィードバックすることで、省エネブレーキを実現します。従来のブレーキ方式と比較して、このブレーキ方式は機械ブレーキ部品の摩耗を軽減し、ブレーキシステムの耐用年数を延ばし、ブレーキの過熱によるブレーキ故障のリスクを軽減し、ホイストブレーキの安全性と信頼性を向上させます。

2. 障害冗長性とフォールトトレランス

一部の永久磁石同期モータでは、6相永久磁石同期モータなどの多相巻線設計が採用されています。モータの1つの相巻線が故障しても、残りの相巻線でモータの基本動作は維持できますが、出力電力はそれに応じて低下します。この故障冗長設計により、鉱山ホイストは、モータの一部が故障した場合でも、巻上げコンテナを安全に坑口または坑底まで持ち上げることができ、モータ故障によってホイストが坑道の途中で停止することを回避し、人員と設備の安全を確保できます。6相永久磁石同期モータを例にとると、相巻線の1つが開いていると仮定すると、モータのトルク分配理論によれば、残りの5つの相巻線は依然として定格トルクの約80％（具体的な値はモータパラメータに関連）を提供でき、これはエレベーターの低速動作を維持し、安全を確保するのに十分です。

3. 実際の事例分析

（1）金属鉱山における応用事例

大規模な金属鉱山では、定格出力P=3000kWの永久磁石同期モータを駆動するために永久磁石同期モータを使用しています。このモータの使用後、従来の巻線式非同期モータと比較して、同じ揚重作業において年間消費電力が約18%削減されました。

モーターの動作データを監視および分析することにより、永久磁石同期モーターの効率は、さまざまな動作条件下で高いレ​​ベルを維持し、特に効率の利点がより顕著になる中負荷率および高負荷率で高いレベルを維持します。

（２）石炭鉱山への応用事例

ある炭鉱では、永久磁石技術を用いた鉱山用ホイストを設置しました。このホイストの永久磁石同期モーターは800kWの出力を持ち、主に人員と石炭の揚重・輸送に使用されています。炭鉱の電力網は容量が限られているため、永久磁石同期モーターの高い力率は電力網への負担を効果的に軽減します。稼働中、ホイストの起動や運転による電力網電圧の大きな変動はなく、炭鉱内の他の電気設備の正常な稼働を確保しました。

4.鉱山ホイスト用永久磁石モータの今後の開発動向

（1）高性能永久磁性材料の研究開発と応用

材料科学の継続的な進歩に伴い、新しい高性能永久磁石材料の研究開発は、鉱山ホイスト用の永久磁石技術の発展の重要な方向となっています。たとえば、新世代の希土類永久磁石材料は、磁気エネルギー積、保磁力、温度安定性などの面で飛躍的な進歩を遂げると期待されています。磁気エネルギー積が高ければ、永久磁石モーターはより小さな体積と重量でより大きな出力を実現でき、鉱山ホイストの出力密度がさらに向上します。温度安定性が向上すると、永久磁石モーターは高温の深部鉱山など、より過酷な鉱山環境に適応できるようになります。保磁力が強くなると、永久磁石の減磁防止能力が向上し、モーターの信頼性と耐用年数が向上します。

（2）インテリジェント制御技術の統合

将来、鉱山ホイストの永久磁石技術は、インテリジェント制御技術と深く融合し、人工知能、ビッグデータ、IoTなどの先進技術を活用して、ホイストのインテリジェントな運用とメンテナンスを実現します。例えば、永久磁石モーターとホイストの主要部品に多数のセンサーを設置することで、稼働データをリアルタイムで収集し、人工知能アルゴリズムを用いて分析・処理することで、設備故障の早期予測・診断、メンテナンス計画の事前策定、設備故障率の低減、運用信頼性の向上を実現します。同時に、インテリジェント制御システムは、鉱山の実際の生産ニーズとホイストの稼働状況に応じて、モーターの速度、トルクなどの運転パラメータを自動的に最適化し、省エネ・効率向上の目標を達成し、鉱山の生産効率と経済効果を高めます。

（3）システム統合とモジュール設計

鉱山ホイストにおける永久磁石技術の応用における利便性と保守性を向上させるため、システム統合とモジュール設計が開発トレンドとなるでしょう。永久磁石モーター、ブレーキシステム、安全監視システムなどの各種サブシステムは高度に統合され、標準化された機能モジュールを形成しています。鉱山の建設や設備の改修においては、実際のニーズに応じて適切なモジュールを選択して組み立て・設置するだけで済むため、設備の設置・試運転サイクルが大幅に短縮され、エンジニアリング建設コストが削減されます。さらに、モジュール設計は設備の保守とアップグレードを容易にします。モジュールが故障した場合でも、迅速に交​​換できるため、ダウンタイムが短縮され、鉱山の生産継続性が向上します。

5.安徽明騰永久磁石モーターの技術的優位性

安徽明騰永久磁石機械電機有限公司（https://www.mingtengmotor.com/明騰科技股份有限公司は2007年に設立されました。現在、50名以上の専門技術者を含む280名以上の従業員を擁し、超高効率永久磁石同期モーターの研究開発、生産、販売を専門としています。製品は、高圧、低圧、定周波、可変周波、従来型、防爆型、ダイレクトドライブ、電動ローラー、オールインワンマシンなど、幅広い分野を網羅しています。17年間の技術蓄積を経て、永久磁石モーターのフルラインナップを開発する能力を備えています。製品は鉄鋼、セメント、鉱業など、様々な業界に携わり、様々な作業条件や設備のニーズを満たすことができます。

明騰は、現代のモーター設計理論、専門的な設計ソフトウェア、自社開発の永久磁石モーター設計プログラムを採用し、永久磁石モーターの電磁場、流体場、温度場、応力場などをシミュレートし、磁気回路構造を最適化してモーターのエネルギー効率を向上させ、大型永久磁石モーターの現場でのベアリング交換の難しさや永久磁石の減磁の問題を解決し、永久磁石モーターの信頼性の高い使用を根本的に確保します。

6. 結論

鉱山ホイストにおける永久磁石モータの適用は、安全性と技術革新の面で優れた性能を発揮しています。駆動システムにおいては、永久磁石同期モータの高効率、高力率、優れたトルク特性が、ホイストの安全で安定した運転の確固たる基盤となります。

実際の事例分析から、永久磁石モータは、様々な鉱山における鉱山ホイストへの応用において、エネルギー消費量の削減、メンテナンスコストの削減、人員と設備の安全確保など、目覚ましい成果を上げていることがわかります。将来的には、高性能永久磁石材料の開発、インテリジェント制御技術の統合、システム統合とモジュール設計の進歩により、鉱山ホイスト用永久磁石モータはより広範な発展の展望を切り開き、鉱業の安全な生産と効率的な運営に強力な推進力を与えるでしょう。ホイスト技術のアップグレードや新規設備の購入を検討する際には、鉱山顧客は永久磁石モータの巨大な潜在能力を十分に認識し、自社の鉱山の実際の作業条件、生産ニーズ、経済力に合わせて永久磁石モータを合理的に適用することで、鉱山企業の持続可能な発展を実現する必要があります。

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