煤礦井下機器人防爆電機和動力電源的設計

劉寧

摘 ?要：煤礦井下環境復雜多變，利用遙控式機器人探測井下環境是開展煤礦安全生產的保證。井下探測機器人采用直流無刷電機為動力元件，電機安放于隔爆殼體內部，電機與隔爆殼體構成疊套結構導致電機散熱困難，需使用減速機構放大電機扭矩，但降低機器人動力系統功率。低速外轉子直流無刷電機具有安裝結構簡單，運行效率高等優點。研究煤礦井下探測機器人動力模塊，設計低速外轉子式防爆輪轂電機。提出螺紋接合面固定防爆輪轂電機安裝結構，試制電機定子繞組，構建防爆輪轂電機運動控制系統。

關鍵詞：煤礦井下機器人;防爆電機;動力電源

1.輪轂電機方案設計

國家防爆標準規定，煤礦井下環境使用電氣設備必須完成防爆設計。研究選用煤礦井下探測機器人動力元件為低速外轉子式無刷輪轂電機，分析煤礦井下環境機器人防爆水平，設計輪轂電機防爆結構，對輪轂電機安裝結構設計【1】。危險環境分為爆炸性其他與可燃性粉塵環境，煤礦井下環境為爆炸性氣體環境。煤礦井下不能消除危險氣體，主要考慮消除點燃源采取措施。防爆類型包括介質隔離式、能量控制式等。

探測機器人需攜帶傳感器探測設備，主腔體采用隔爆形式。探測機器人攜帶小型傳感器具有功耗低等特點，煤礦井下探測機器人應采用隔爆兼本安防爆形式，煤礦井下探測機器人為復合型防爆電氣設備，對輪轂電機防爆設計水平不低于煤礦井下探測機器人。防爆電機分為隔爆型與正壓型等【2】。防爆輪轂電機電氣單元需達到機器人整體防爆水平，煤礦井下探測機器人需工作于煤礦井下，機器人整機工作區域不低于1區標準。機器人外殼表面散熱特性好，輪轂電機防爆處理后不低于1區，適合防爆形式有ia級本質安全型，本安型是通過控制設備能量水平，使其低于點燃爆炸性氣體臨界條件，不通過其他方式屏蔽防爆處理形式。點燃源通常為電火花。

輪轂電機隔爆型防爆處理，國家標準要求防爆電氣設備運行中不產生火花，，電氣設備額定功率不大于250W。現有煤礦井下探測機器人電氣系統動力電機功率大于250W。設計煤礦井下探測機器人用防爆輪轂電機方案，利用外轉子式直流無刷電機結構，電機外殼轉子驅動負載工作，電氣線路通過軸內空心結構與線圈繞組相連。防爆輪轂點擊數設圓柱外殼，兩側設防爆蓋板【3】。軸承安裝在中心軸，圓柱外殼固定設永磁鐵，中心軸兩端有防爆螺紋，空心軸側防爆螺紋連接到井下探測機器人隔爆殼體，平叉面外側安裝緊固用螺母。

2.輪轂電機電氣部件設計

輪轂電機電氣部件包括輪轂電機驅動器，外轉子式電機轉子為電機殼體，輪轂電機控制系統為機器人運動控制系統，軟件部分包括電機控制程序。結合礦用機器人設計標準，電機性能參數包括額定電壓等，定子繞組加工后檢測其性能。煤礦井下探測機器人為遙操作設備，基于數字式電機驅動芯片設計防爆輪轂電機，為輪轂電機設計合理運動控制系統。外轉子式直流無刷電機利用定子繞組產生磁場。機器人驅動電機經減速帶動履帶行走單元，可估算電機爬坡最大轉矩【4】。

設計煤礦井下探測機器人整機質量不超過160kg，驅動輪最大外徑為300mm，機器人所需驅動力矩達120N.m，輪轂電機所需提供最大持續扭矩不低于30N.m，目前永磁轉子采用燒結型永磁體，電機內氣隙圓周磁通量決定定子繞組外徑。輪轂電機轉速要求不高，選用46片永磁體配合結構，可減小輪轂電機運行中齒槽轉矩，便于對輪轂電機定子繞組試制。電機旋轉由于定子繞組產生交變磁場作用，驅動電路使用IGBT可解決電機定子繞組產生電磁場問題。旋轉IGBT驅動芯片影響直流無刷驅動器性能，大功率容量環境宜選用集成控制驅動電路模塊【5】。依據輪轂電機額定電壓對IGBT驅動模塊選型，選擇SCM6716MF有霍爾型直流無刷電機芯片，具有較大驅動功率。

3.輪轂電機防爆部件設計

輪轂電機殼體應具有抗爆炸能力，防爆輪轂電機內可燃性混合物爆炸后隔爆殼體不損壞。對防爆輪轂電機防爆設計隔爆殼體有限元應力分析。防爆部件設計要結合隔爆參數進行，端蓋接合面是防爆輪轂電機防爆蓋板通過螺栓固定貼合成，旋轉電機轉軸隔爆接合面設計要采用不磨損旋轉電機結構。曲路式接合面設計結構復雜，對電機使用環境要求高。旋轉圓筒形接合面為防爆輪轂電機出軸接合面。

分析防爆殼體受應力情況，對隔爆殼體零部件設計。隔爆殼體內部爆炸承受巨大突變應力，爆炸氣體向四周擴展燃燒，隔爆殼體成熟爆炸壓力值發生改變。圓筒形方包輪轂電機隔爆殼體比球形課題具有較低爆炸壓力。防爆輪轂電機隔爆殼體由防爆蓋板，電機中心軸等組成。設計防爆輪轂電機殼體強度，對防爆輪轂隔爆殼體抽象建模，以力學原理對數學模型公式推導。將防爆輪轂殼體抽象為簡單中空圓柱體，圓通壁厚平均直徑比小于0.1為薄壁圓通，設計防爆輪轂電機壁厚小于20mm為保密圓通，薄壁容器僅受拉伸變形。設計考慮引入安全余量，隔爆殼體圓柱殼體設計厚度選取3mm。

4.動力電源系統設計

防爆輪轂電機工作電流較大，需單獨設計動力電源，防爆輪轂電機動力電源需滿足礦用產品相關表護岸。對電力電源電池類型選擇，為動力電源你設計合適的管理系統，設計符合防爆輪轂電機功能需要的電池管理策略，確定動力電池組后繪制動力電源明細表。動力電源組建后測試動力電源，檢測內容包括短路試驗等。我國對礦井電池使用管理嚴格，允許井下使用電池有鉛酸電池，鋰電池具有更高穩定性，礦用電源應包含電池管理系統，實現對電源電池電壓測量。

動力電池選擇要素包括電池容量等，磷酸鐵鋰電池具有優良抗爆特性，成為井下動力首選電池。電池組只允許串聯，電池組負荷電流約16A，探測機器人最低工作環境溫度為0℃，0.5m/s下上位機可獲得清晰視覺圖像，探測機器人行使時間超過2h，計算所需電池容量QD為64An。磷酸鐵鋰電池具有較好工作特性，電池容量有效利用范圍較大。選用動力電池容量為60An，礦井下探測機器人使用防爆輪轂電機采用對稱安裝形式。動力電池選型應關注1C放電曲線。收集部分適合動力電池參數信息研究適合動力電池，IFPE60動力電池具有較小尺寸，選用動力電池組容量為60An。

動力電源檢驗機構具有公正性，防爆輪轂電機動力電源檢驗標準是設計標準，動力電源檢驗項目包括過流試驗等。設計防爆輪轂電機動力電源為中低壓電源，充放電試驗儀電路動作由主控計算機控制，從充放電試驗儀數據檢測端引出溫度檢測連接到動力電源，上半部分為狀態檢測欄，下半部分用于充放電試驗儀進行監控程序設計。動力電源短路保護時間為31.24ms，電池檢測中心判定符合礦用動力電源試行標準，設計短路保護為一次有效保護，需將防爆輪轂電機運回地面拆蓋修復自毀后動力電源。

結語

本文研究礦井下探測機器人輪轂電機技術，分析方包輪轂電機運用優勢，設計輪轂電機性能參數，獲得輪轂電機性能曲線，試制輪轂電機驅動器;計算隔爆殼體受壓參數，建立防爆殼體CAD模型，生成CAE模型，分析模型在1.5MPa壓力下的應力云圖。完成樣機隔爆殼體耐壓試驗，對動力電源進行檢驗。研究對低速外轉子式輪轂電機進行防爆設計，設計獨特安裝結構，判斷電機在礦井下探測機器人適用隔爆型，實現防爆電機電器線纜不對危險環境引出。本文設計輪轂防爆電機取得初步成果，但電機未經長期實踐檢驗，涉及部分問題有待深入研究。

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