刘宁

摘  要：煤矿井下环境复杂多变，利用遥控式机器人探测井下环境是开展煤矿安全生产的保证。井下探测机器人采用直流无刷电机为动力元件，电机安放于隔爆壳体内部，电机与隔爆壳体构成叠套结构导致电机散热困难，需使用减速机构放大电机扭矩，但降低机器人动力系统功率。低速外转子直流无刷电机具有安装结构简单，运行效率高等优点。研究煤矿井下探测机器人动力模块，设计低速外转子式防爆轮毂电机。提出螺纹接合面固定防爆轮毂电机安装结构，试制电机定子绕组，构建防爆轮毂电机运动控制系统。

关键词：煤矿井下机器人;防爆电机;动力电源

1.轮毂电机方案设计

国家防爆标准规定，煤矿井下环境使用电气设备必须完成防爆设计。研究选用煤矿井下探测机器人动力元件为低速外转子式无刷轮毂电机，分析煤矿井下环境机器人防爆水平，设计轮毂电机防爆结构，对轮毂电机安装结构设计【1】。危险环境分为爆炸性其他与可燃性粉尘环境，煤矿井下环境为爆炸性气体环境。煤矿井下不能消除危险气体，主要考虑消除点燃源采取措施。防爆类型包括介质隔离式、能量控制式等。

探测机器人需携带传感器探测设备，主腔体采用隔爆形式。探测机器人携带小型传感器具有功耗低等特点，煤矿井下探测机器人应采用隔爆兼本安防爆形式，煤矿井下探测机器人为复合型防爆电气设备，对轮毂电机防爆设计水平不低于煤矿井下探测机器人。防爆电机分为隔爆型与正压型等【2】。防爆轮毂电机电气单元需达到机器人整体防爆水平，煤矿井下探测机器人需工作于煤矿井下，机器人整机工作区域不低于1区标准。机器人外壳表面散热特性好，轮毂电机防爆处理后不低于1区，适合防爆形式有ia级本质安全型，本安型是通过控制设备能量水平，使其低于点燃爆炸性气体临界条件，不通过其他方式屏蔽防爆处理形式。点燃源通常为电火花。

轮毂电机隔爆型防爆处理，国家标准要求防爆电气设备运行中不产生火花，，电气设备额定功率不大于250W。现有煤矿井下探测机器人电气系统动力电机功率大于250W。设计煤矿井下探测机器人用防爆轮毂电机方案，利用外转子式直流无刷电机结构，电机外壳转子驱动负载工作，电气线路通过轴内空心结构与线圈绕组相连。防爆轮毂点击数设圆柱外壳，两侧设防爆盖板【3】。轴承安装在中心轴，圆柱外壳固定设永磁铁，中心轴两端有防爆螺纹，空心轴侧防爆螺纹连接到井下探测机器人隔爆壳体，平叉面外侧安装紧固用螺母。

2.轮毂电机电气部件设计

轮毂电机电气部件包括轮毂电机驱动器，外转子式电机转子为电机壳体，轮毂电机控制系统为机器人运动控制系统，软件部分包括电机控制程序。结合矿用机器人设计标准，电机性能参数包括额定电压等，定子绕组加工后检测其性能。煤矿井下探测机器人为遥操作设备，基于数字式电机驱动芯片设计防爆轮毂电机，为轮毂电机设计合理运动控制系统。外转子式直流无刷电机利用定子绕组产生磁场。机器人驱动电机经减速带动履带行走单元，可估算电机爬坡最大转矩【4】。

设计煤矿井下探测机器人整机质量不超过160kg，驱动轮最大外径为300mm，机器人所需驱动力矩达120N.m，轮毂电机所需提供最大持续扭矩不低于30N.m，目前永磁转子采用烧结型永磁体，电机内气隙圆周磁通量决定定子绕组外径。轮毂电机转速要求不高，选用46片永磁体配合结构，可减小轮毂电机运行中齿槽转矩，便于对轮毂电机定子绕组试制。电机旋转由于定子绕组产生交变磁场作用，驱动电路使用IGBT可解决电机定子绕组产生电磁场问题。旋转IGBT驱动芯片影响直流无刷驱动器性能，大功率容量环境宜选用集成控制驱动电路模块【5】。依据轮毂电机额定电压对IGBT驱动模块选型，选择SCM6716MF有霍尔型直流无刷电机芯片，具有较大驱动功率。

3.轮毂电机防爆部件设计

轮毂电机壳体应具有抗爆炸能力，防爆轮毂电机内可燃性混合物爆炸后隔爆壳体不损坏。对防爆轮毂电机防爆设计隔爆壳体有限元应力分析。防爆部件设计要结合隔爆参数进行，端盖接合面是防爆轮毂电机防爆盖板通过螺栓固定贴合成，旋转电机转轴隔爆接合面设计要采用不磨损旋转电机结构。曲路式接合面设计结构复杂，对电机使用环境要求高。旋转圆筒形接合面为防爆轮毂电机出轴接合面。

分析防爆壳体受应力情况，对隔爆壳体零部件设计。隔爆壳体内部爆炸承受巨大突变应力，爆炸气体向四周扩展燃烧，隔爆壳体成熟爆炸压力值发生改变。圆筒形方包轮毂电机隔爆壳体比球形课题具有较低爆炸压力。防爆轮毂电机隔爆壳体由防爆盖板，电机中心轴等组成。设计防爆轮毂电机壳体强度，对防爆轮毂隔爆壳体抽象建模，以力学原理对数学模型公式推导。将防爆轮毂壳体抽象为简单中空圆柱体，圆通壁厚平均直径比小于0.1为薄壁圆通，设计防爆轮毂电机壁厚小于20mm为保密圆通，薄壁容器仅受拉伸变形。设计考虑引入安全余量，隔爆壳体圆柱壳体设计厚度选取3mm。

4.动力电源系统设计

防爆轮毂电机工作电流较大，需单独设计动力电源，防爆轮毂电机动力电源需满足矿用产品相关表护岸。对电力电源电池类型选择，为动力电源你设计合适的管理系统，设计符合防爆轮毂电机功能需要的电池管理策略，确定动力电池组后绘制动力电源明细表。动力电源组建后测试动力电源，检测内容包括短路试验等。我国对矿井电池使用管理严格，允许井下使用电池有铅酸电池，锂电池具有更高稳定性，矿用电源应包含电池管理系统，实现对电源电池电压测量。

动力电池选择要素包括电池容量等，磷酸铁锂电池具有优良抗爆特性，成为井下动力首选电池。电池组只允许串联，电池组负荷电流约16A，探测机器人最低工作环境温度为0℃，0.5m/s下上位机可获得清晰视觉图像，探测机器人行使时间超过2h，计算所需电池容量QD为64An。磷酸铁锂电池具有较好工作特性，电池容量有效利用范围较大。选用动力电池容量为60An，矿井下探测机器人使用防爆轮毂电机采用对称安裝形式。动力电池选型应关注1C放电曲线。收集部分适合动力电池参数信息研究适合动力电池，IFPE60动力电池具有较小尺寸，选用动力电池组容量为60An。

动力电源检验机构具有公正性，防爆轮毂电机动力电源检验标准是设计标准，动力电源检验项目包括过流试验等。设计防爆轮毂电机动力电源为中低压电源，充放电试验仪电路动作由主控计算机控制，从充放电试验仪数据检测端引出温度检测连接到动力电源，上半部分为状态检测栏，下半部分用于充放电试验仪进行监控程序设计。动力电源短路保护时间为31.24ms，电池检测中心判定符合矿用动力电源试行标准，设计短路保护为一次有效保护，需将防爆轮毂电机运回地面拆盖修复自毁后动力电源。

结语

本文研究矿井下探测机器人轮毂电机技术，分析方包轮毂电机运用优势，设计轮毂电机性能参数，获得轮毂电机性能曲线，试制轮毂电机驱动器;计算隔爆壳体受压参数，建立防爆壳体CAD模型，生成CAE模型，分析模型在1.5MPa压力下的应力云图。完成样机隔爆壳体耐压试验，对动力电源进行检验。研究对低速外转子式轮毂电机进行防爆设计，设计独特安装结构，判断电机在矿井下探测机器人适用隔爆型，实现防爆电机电器线缆不对危险环境引出。本文设计轮毂防爆电机取得初步成果，但电机未经长期实践检验，涉及部分问题有待深入研究。

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