1. 서론

광산 운송 시스템의 핵심 장비인 광산 호이스트는 인력, 광석, 자재 등을 들어올리고 내리는 역할을 합니다. 광산 호이스트의 작동 안전성, 신뢰성, 효율성은 광산의 생산 효율성과 인력의 생명과 재산의 안전에 직접적으로 관련됩니다. 현대 과학과 기술의 지속적인 발전으로 광산 호이스트 분야에서 영구 자석 기술의 응용이 점차 연구 핫스팟이 되었습니다.

영구자석 모터는 높은 전력 밀도, 고효율, 저소음 등 많은 장점을 가지고 있습니다. 광산 호이스트에 영구자석 모터를 적용하면 장비 성능이 크게 향상될 것으로 예상되며, 안전 확보 측면에서도 새로운 기회와 과제를 제시할 것입니다.

2. 광산 호이스트 구동 시스템에 영구자석 기술 적용

(1) 영구자석 동기전동기 작동원리

영구자석 동기 모터는 전자기 유도 법칙에 따라 작동합니다. 핵심 원리는 3상 교류 전류가 고정자 권선을 통과할 때 회전 자기장이 생성되고, 이 자기장이 회전자 영구자석의 자기장과 상호 작용하여 전자기 토크를 발생시켜 모터를 회전시키는 것입니다. 회전자의 영구자석은 추가적인 여자 전류 없이도 안정적인 자기장 소스를 제공하므로 모터 구조가 비교적 단순해지고 에너지 변환 효율이 향상됩니다. 광산 호이스트 적용 시나리오에서 모터는 고부하, 저속, 경부하, 고속 등 다양한 작동 조건 사이를 빈번하게 전환해야 합니다. 영구자석 동기 모터는 뛰어난 토크 특성으로 신속하게 응답하여 호이스트의 원활한 작동을 보장합니다.

(2) 기존 구동 시스템과 비교한 기술적 진보

1. 효율성 비교 분석

기존 광산 호이스트는 대부분 효율이 상대적으로 낮은 권선형 로터 비동기 모터로 구동됩니다.비동기 모터의 손실은 주로 고정자 구리 손실, 로터 구리 손실, 철 손실, 기계적 손실 및 표유 손실이 포함됩니다.영구 자석 동기 모터에는 여자 전류가 없으므로 로터 구리 손실이 거의 0이며 비교적 안정적인 자기장 특성으로 인해 철 손실도 감소합니다.실제 테스트 데이터(그림 1 참조)를 비교하면 다양한 부하율에서 영구 자석 동기 모터의 효율이 권선형 로터 비동기 모터보다 상당히 높습니다.부하율 범위가 50%~100%일 때 영구 자석 동기 모터의 효율은 권선형 로터 비동기 모터보다 약 10%~20% 더 높을 수 있어 광산 호이스트의 장기 작동에 필요한 에너지 소비 비용을 상당히 줄일 수 있습니다.

그림 1: 영구자석 동기전동기와 권선형 비동기전동기의 효율 비교 곡선

2. 역률 개선

권선형 비동기 전동기가 작동할 때 역률은 일반적으로 0.7에서 0.85 사이이며, 계통 요건을 충족하기 위해 추가적인 무효 전력 보상 장치가 필요합니다. 영구자석 동기 전동기의 역률은 최대 0.96 이상, 1에 가까울 수 있습니다. 이는 영구자석에서 생성되는 자기장이 전동기 작동 중 무효 전력 수요를 크게 감소시키기 때문입니다. 높은 역률은 전력망의 무효 전력 부담을 줄이고 전력망의 전력 품질을 향상시킬 뿐만 아니라, 광산 기업의 전기 요금을 절감하고 무효 전력 보상 장비의 투자 및 유지보수 비용도 절감합니다.

(3) 광산 호이스트의 안전 운영에 미치는 영향

1. 시동 및 제동 특성

영구자석 동기 전동기의 기동 토크는 부드럽고 정밀하게 제어됩니다. 광산 호이스트 기동 시, 기존 전동기 기동 시 발생하는 과도한 토크 충격으로 인한 와이어 로프 흔들림이나 시브 마모 증가와 같은 문제를 방지할 수 있습니다. 기동 전류가 작아 전력망에 큰 전압 변동을 일으키지 않아 광산 내 다른 전기 장비의 정상적인 작동을 보장합니다.

제동 측면에서 영구 자석 동기 모터는 고급 벡터 제어 기술과 결합하여 정밀한 제동 토크 조절을 달성할 수 있습니다. 예를 들어, 호이스트 감속 단계에서 고정자 전류의 크기와 위상을 제어함으로써 모터는 발전 제동 상태로 전환되어 호이스트의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력망으로 되돌려 보내 에너지 절감형 제동을 구현합니다. 기존 제동 방식과 비교하여 이 제동 방식은 기계식 브레이크 부품의 마모를 줄이고, 제동 시스템의 수명을 연장하며, 브레이크 과열로 인한 브레이크 고장 위험을 줄이고, 호이스트 제동의 안전성과 신뢰성을 향상시킵니다.

2. 오류 중복성 및 오류 허용성

일부 영구 자석 동기 모터는 6상 영구 자석 동기 모터와 같이 다상 권선 설계를 사용합니다. 모터의 위상 권선이 고장나면 나머지 위상 권선은 모터의 기본 작동을 유지할 수 있지만 출력 전력은 그에 따라 감소합니다. 이러한 오류 중복 설계는 모터가 부분적으로 고장난 경우에도 광산 호이스트가 호이스트 컨테이너를 웰헤드 또는 웰 바닥으로 안전하게 들어 올릴 수 있도록 하여 모터 고장으로 인해 호이스트가 샤프트 중앙에서 떠 있는 것을 방지하여 인력과 장비의 안전을 보장합니다. 6상 영구 자석 동기 모터를 예로 들어, 위상 권선 중 하나가 개방되었다고 가정하면 모터의 토크 분포 이론에 따라 나머지 5상 권선은 정격 토크의 약 80%를 제공할 수 있습니다(구체적인 값은 모터 매개변수와 관련됨). 이는 엘리베이터의 느린 작동을 유지하고 안전을 보장하기에 충분합니다.

3. 실제 사례 분석

(1) 금속광산 적용사례

한 대형 금속 광산에서는 정격 출력 P=3000kW의 영구자석 동기 전동기를 구동하기 위해 영구자석 동기 전동기를 사용하고 있습니다. 이 전동기를 사용한 후, 동일한 리프팅 작업에서 기존 권선 비동기 전동기와 비교했을 때 연간 전력 소비량이 약 18% 감소했습니다.

모터 작동 데이터의 모니터링 및 분석을 통해 영구 자석 동기 모터의 효율성은 다양한 작동 조건에서 높은 수준으로 유지되며, 특히 중간 및 높은 부하율에서 효율성 이점이 더욱 분명하게 나타납니다.

(2) 석탄광산 적용 사례

한 탄광에 영구자석 기술을 이용한 광산 호이스트가 설치되었습니다. 800kW의 영구자석 동기 전동기는 주로 인력과 석탄을 들어 올리고 운반하는 데 사용됩니다. 탄광의 전력망 용량이 제한되어 있기 때문에, 영구자석 동기 전동기의 높은 역률은 전력망의 부하를 효과적으로 줄여줍니다. 운영 중에는 호이스트의 시동이나 작동으로 인한 전력망 전압의 큰 변동이 없었으며, 이는 탄광 내 다른 전기 장비의 정상적인 작동을 보장했습니다.

4. 광산 호이스트용 영구자석 모터의 미래 개발 동향

(1) 고성능 영구자석 소재의 연구개발 및 응용

재료 과학의 지속적인 발전에 따라 새로운 고성능 영구 자석 재료에 대한 연구 개발은 광산 호이스트용 영구 자석 기술 개발의 중요한 방향이 되었습니다. 예를 들어, 차세대 희토류 영구 자석 재료는 자기 에너지 제품, 보자력, 온도 안정성 등에서 획기적인 발전을 이룰 것으로 기대됩니다. 더 높은 자기 에너지 제품은 영구 자석 모터가 더 작은 부피와 무게로 더 큰 전력을 출력할 수 있게 하여 광산 호이스트의 전력 밀도를 더욱 개선합니다. 더 나은 온도 안정성은 영구 자석 모터가 고온 심부 광산과 같은 더 가혹한 광산 환경에 적응할 수 있게 합니다. 더 강한 보자력은 영구 자석의 자기 소거 방지 능력을 향상시키고 모터의 신뢰성과 수명을 개선합니다.

(2) 지능형 제어기술의 통합

앞으로 광산 호이스트의 영구자석 기술은 지능형 제어 기술과 긴밀하게 통합될 것입니다. 인공지능, 빅데이터, 사물 인터넷 등 첨단 기술을 활용하여 호이스트의 지능형 운영 및 유지보수가 실현될 것입니다. 예를 들어, 영구자석 모터와 호이스트의 핵심 부품에 다수의 센서를 설치하면 운영 데이터를 실시간으로 수집하고, 인공지능 알고리즘을 통해 데이터를 분석 및 처리하여 장비 고장을 조기에 예측 및 진단하고, 유지보수 계획을 사전에 수립하며, 장비 고장률을 줄이고 운영 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다. 동시에 지능형 제어 시스템은 광산의 실제 생산 요구와 호이스트의 작동 상태에 따라 속도, 토크 등 모터의 작동 매개변수를 자동으로 최적화하여 에너지 절감 및 효율 향상이라는 목표를 달성하고 광산의 생산 효율과 경제적 이익을 향상시킵니다.

(3) 시스템 통합 및 모듈형 설계

광산 호이스트에 영구 자석 기술을 적용하는 편의성과 유지보수성을 향상시키기 위해 시스템 통합 및 모듈형 설계가 개발 추세가 될 것입니다. 영구 자석 모터, 제동 시스템, 안전 모니터링 시스템과 같은 다양한 하위 시스템은 고도로 통합되어 표준화된 기능 모듈을 형성합니다. 광산 건설 또는 장비 개조 시, 실제 필요에 따라 조립 및 설치에 적합한 모듈만 선택하면 되므로 장비 설치 및 시운전 주기가 크게 단축되고 엔지니어링 건설 비용이 절감됩니다. 또한, 모듈형 설계는 장비 유지보수 및 업그레이드를 용이하게 합니다. 모듈에 장애가 발생할 경우 신속하게 교체할 수 있어 가동 중단 시간을 줄이고 광산의 생산 연속성을 향상시킵니다.

5. 안후이 밍텅 영구자석 모터의 기술적 장점

안후이 밍텅 영구자석 기계 및 전기 설비 유한회사（https://www.mingtengmotor.com/2007년에 설립된 Mingteng은 현재 50명 이상의 전문 기술 인력을 포함하여 280명 이상의 직원을 보유하고 있습니다. Mingteng은 초고효율 영구자석 동기 전동기의 연구 개발, 생산 및 판매를 전문으로 합니다. 고전압, 저전압, 정주파, 가변 주파수, 일반형, 방폭형, 직접 구동형, 전기 롤러, 일체형 기계 등 다양한 제품을 생산합니다. 17년간의 기술 축적을 통해 다양한 영구자석 전동기를 개발할 수 있는 역량을 갖추고 있습니다. Mingteng의 제품은 철강, 시멘트, 광산 등 다양한 산업 분야에 적용되며, 다양한 작업 조건 및 장비의 요구를 충족할 수 있습니다.

명등은 현대 모터 설계 이론, 전문적인 설계 소프트웨어 및 자체 개발한 영구자석 모터 설계 프로그램을 사용하여 영구자석 모터의 전자기장, 유체장, 온도장, 응력장 등을 시뮬레이션하고, 자기 회로 구조를 최적화하며, 모터의 에너지 효율을 향상시키고, 대형 영구자석 모터의 현장 베어링 교체의 어려움과 영구자석 자기소실 문제를 해결하여 영구자석 모터의 안정적인 사용을 근본적으로 보장합니다.

6. 결론

광산 호이스트에 영구자석 모터를 적용함으로써 안전성과 기술 발전 측면에서 탁월한 성능을 입증했습니다. 구동 시스템에서 영구자석 동기 모터의 고효율, 고역률, 그리고 우수한 토크 특성은 호이스트의 안전하고 안정적인 작동을 위한 견고한 기반을 제공합니다.

실제 사례 분석을 통해 영구 자석 모터는 다양한 유형의 광산에서 광산 호이스트를 적용하여 에너지 소비 절감, 유지보수 비용 절감, 인력 및 장비 안전 확보 등에서 놀라운 성과를 거두었음을 알 수 있습니다. 앞으로 고성능 영구 자석 소재의 개발, 지능형 제어 기술의 통합, 시스템 통합 및 모듈형 설계의 발전으로 광산 호이스트용 영구 자석 모터는 더욱 폭넓은 발전 전망을 제시하고, 광산 산업의 안전한 생산과 효율적인 운영에 강력한 동력을 불어넣을 것입니다. 호이스트 기술 업그레이드 또는 신규 장비 구매를 고려할 때, 광산 고객은 영구 자석 모터의 막대한 잠재력을 충분히 인지하고, 광산의 실제 작업 조건, 생산 수요, 그리고 경제성을 고려하여 영구 자석 모터를 합리적으로 적용하여 광산 기업의 지속 가능한 발전을 달성해야 합니다.

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