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煤矿井下探测机器人防爆电机与动力电源研究

毛杨明  
【摘要】:煤矿井下环境复杂多变,极易发生险情,利用遥控式机器人进行井下环境探测是开展煤矿安全生产及救灾救援的迫切需要。移动式煤矿井下探测机器人多采用高速内转子式直流无刷电机作为动力元件,依据煤矿井下电气产品的防爆设计要求,电机多被安放于隔爆壳体内部,电机的动力从转轴式隔爆接合面输出。然而电机与隔爆壳体共同构成的叠套结构易导致电机散热困难;高速内转子式直流无刷电机的扭矩较小,需使用减速机构放大电机的扭矩,但减速机构存在功率损耗,降低了机器人动力系统的有效功率。低速外转子式直流无刷电机是一种直驱式电机,具有安装结构简单、调速方便、运行效率高的优点,已成功应用于轻型民用车辆的动力系统。本文从煤矿煤矿井下探测机器人的动力模块和电源模块展开研究,设计了可应用于煤矿井下探测机器人的低速外转子式防爆轮毂电机和配套动力电源,开展了相关研制工作。基于现行防爆国家标准GB 3836-2010,研究了复合型防爆理论及其应用条件,设计了低速外转子式轮毂电机的隔爆型防爆方案,提出了一种以螺纹接合面固定防爆轮毂电机的安装结构,并分析了防爆轮毂电机的应用优势。依据矿用探测机器人的试行标准,设计了防爆轮毂电机的基本性能参数;试制了该款电机的定子绕组,对其性能进行了测试;为防爆轮毂电机设计并加工了低压大功率电机驱动器;设计并构建了防爆轮毂电机的运动控制系统,对该运动控制系统进行了场地测试。按照轮毂电机定子绕组的外形尺寸,对防爆轮毂电机的隔爆接合面进行了详细设计,对隔爆壳体进行了应力分析和基本尺寸计算,并完成了隔爆壳体的零部件设计,构建了隔爆壳体的CAD三维模型,并将其将导入ANSYS Workbench软件中,生成了隔爆壳体的CAE工程模型;定义了该工程模型的材料属性及边界条件,实现了模型的网格划分,从该工程模型内部施加1.5 Mpa的静态压力,得到了隔爆壳体的应力云图,对应力云图进行了分析。对试制的防爆轮毂电机样机进行了防爆性能检验,检测了样机的隔爆接合面;对样机分别进行了外壳耐压试验和内部点燃的不传爆试验。检验结果均“合格”,从而证明了轮毂电机防爆设计的正确性。为防爆轮毂电机设计并组建了配套的动力电源;依据矿用电源安全技术要求对该动力电源进行了检验,检验内容包括短路试验、过流试验、精度试验、过温试验等。检验结果均为“合格”,表明了动力电源设计的正确性。


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