对无轨胶轮车用防爆开关磁阻电动机系统的设计探讨

余倩倩

摘要：文章简述无轨胶轮车在煤矿生产中的应用特点和适用条件，进一步探讨防爆开关磁阻电动机系统在无轨胶轮车上的设计问题，分别从电动机系统及其结构和控制机制等角度着手进行探讨设计，该系统具有良好的适用性和实用性，以满足煤矿井下复杂工作环境中使用。

关键词：无轨胶轮车;电动机系统;控制装置

引言：无轨胶轮车从其运用到煤矿生产活动至今，已历经数十年，因为其无轨道的限制，使得其工况适应力高，应用灵活性突出，为相关生产活动的应用和发展提供有利条件。迄今为止，无轨胶轮车在国内煤矿安全生产活动中，在人员运输、物料运输、实地指挥、救援等工作中，逐渐发展成煤矿内重要的运输方式之一。而原本所用的柴油机，不仅成本高，还会形成污染问题。

一、无轨胶轮车应用特点及适用条件

（一）应用特点

无轨胶轮车是当代煤矿生产中重要的运输工具之一，对于实现矿井机械化、自动化及智能化生产，有着关键作用。其不仅能运送人员，还能输送设备及生产物料。无轨胶轮车的特点，概括为：无轨胶轮车没有轨道的限制，机动灵活，承载性好，支持运送人员、设备及生产物料，整个过程不必人工过多干涉，便可实现从地面到井下工作位置的“点对点”直达式连续化运输，和其他辅助运输方式相比，可大大提高运输效率和减少人工劳动量;无轨胶轮车操作便捷、性能优良，车身整体较短、灵活性强，可实现曲率半径在3m～6m空间的转弯移动;再加之，无轨胶轮车离地间隙高，工况适用性强，即使在起伏巷道也具有良好的工作表现性，并且车辆工作可靠、安全性高，在当代煤矿生产辅助运输系统中有着明显优势[1]。

（二）适用条件

无轨胶轮车现有种类较多，以下从巷道要求、溫度环境、路面条件等几个基本方面简述其适用条件。（1）运输巷宽度和高度要求：运输巷的高度及宽度，必须能够满足无轨胶轮车的安全行驶要求。根据《煤矿安全规程》（2016版）的相关标准，对无轨胶轮车的车身和运输巷之间的最小距离，有明确要求，顶部和两侧均要至少达到500mm;双车道行驶，会车时两车间隔不得小于500mm;曲线巷道段，应当在直线巷道允许的安全间隙基础上，按照车辆内外轮曲率半径，加大巷道宽度。为满足车辆安全运输要求，运输巷道宜采用无棚腿支护形式。（2）运输巷道坡度要求：大巷及工作面巷道纵向坡度不大于6°，横向坡度不大于5°，局部纵向最大坡度不大于14°，且在适当区域设置行车安全指示标识牌。（3）运输巷路面要求：无轨胶轮车的主要行驶路段，需采用混凝土、铺钢板等方式进行硬化处理，路面不平度需在150mm及其以下，保证路面平整。对此，通常会采用C20及以上强度的混凝土进行铺设，且铺底厚度不宜小于150mm。（4）通风要求：无轨胶轮车配风必须符合相关要求。按单位功率的需风量指标计算，根据相关规定，行驶车辆的巷道，应按同时运行的最多车辆数量增加巷道配风，配风量应不小于4m3/min·kW，采用电动型无轨胶轮车，可适当减少矿井风量输送。（5）温度环境：无轨胶轮车能在-20℃至+40℃、湿度不超过95%的环境中适用。

二、无轨胶轮车的防爆开关磁阻电动机系统

（一）系统概述

如今在煤矿行业中，磁阻电动机系统的应用较多，不仅有无轨胶轮车，还有采煤设备、皮带机等，其能够有效提升电动机系统的运行效率，缩短作业时间，同时，因其工作特性，还能避免部分安全事故的出现。其中，此类电动机系统运用于无轨胶轮车上，表现出的运行特征为：电动机构成并不复杂，日常应用中一般无需进行维护，仅需冷却定子即可，并且在转子上没有设定绕组，整体制作性价比高、运算速率快、机械性强。防爆开关磁阻电动机系统，额定转速之上属于恒功率，之下则是恒转矩，以此实现无轨胶轮车工作速度的可持续性和可调性，并避免改变速度的瞬间，形成冲击力。此外，电动机内部属于相互独立的运转状态，其中某处出现问题，不会干扰其他部分，并且不会对电动机整体造成影响，仅是实际输出功率下降，可保证无轨胶轮车使用的可靠性。系统实际运行中，倘若转速转矩出现较大幅度调整，也能使系统维持原本九成以上的效率状态，所以，无轨胶轮车处于任何工况中，均能拥有较佳的工作状态。同时，此类电动机系统，可按照无轨胶轮车具体使用需求，选择控制模式，让其一直在最优状态下工作，而且支持多种功能和特性曲线，具有极佳的可调试能力。

（二）系统结构

对于无轨胶轮车用防爆开关磁阻电动机的设计，可选择双凸极架构，该架构磁场变化较为复杂，控制比较灵活、动态响应较好，同时具有非线性的特点。在系统设计中需按照设计技术标准，根据车辆性能特点，确定电动机的技术参数，如额定的功率、转速、效率、电压，还有整体的规格等，再经过仿真模拟等方式，确定其余的技术参数。系统外壳选择防爆结构，正常情况下，可承受住从外部环境渗入壳体内的可燃混合物，即使出现爆炸，也不会对设备造成损伤，且在相关气体及蒸汽构成的易爆炸条件下，也具有防爆性能。而且防爆外壳衔接处的缝隙、公差等规格，均需符合相关规定标准。

（三）控制机制

防爆开关磁阻电动机控制装置需安设于无轨胶轮车上的防爆接线盒内。此类控制装置可选择具有功率、驱动、接口、控制的电路，还包括控制电源。其中，控制电路可选择高性能的DSP，确保应用便利稳定，同时功率电路选用双开关的形式，可起到保证系统使用稳定性的作用。驱动电路则可选择集成化的单元，支持保护、警报、软关断等。接口电路连接CAN总线，能保证数据传输稳定，速率高，最后的控制电源，可选择隔离结构的斩波器，以获取弱电电源。以控制电路来说，可选择C28内核的DSP，经过有效认证后，解算速率可至150MHz，在搭配若干外设，应用简单稳定。DSP借助CAP采集到电动机的角位置数据，分析设备转速，用于反馈输入，并得到开通角与关断角的数值。并可利用A/D转换器，获得绕组电流数据，同样用于反馈输入，完成过流保护的分析工作。在速度环与电流环一同运作的条件下，控制两个角以及PWM脉宽，继而把控电流，使整机设备得以稳定工作，在出现故障后，DSP能借助中断处理，确保无轨胶轮车能维持安全状态。功率电路中，单个相可分别设置IGBT与续流二极管各两个，前者与连接设备绕组，但不会直通，以维护控制装置的稳定。在单相的IGBT全部开启，会通过电源往设备绕组输送电量，而在断开后，相电流会经过二极管反压，进行续流，保障磁场储能可快速完成回馈，达到换相的目的。在仅有一个IGBT开启时，会通过开启的IGBT与二极管，支持续流，保证设备运行效率，降低转矩脉动。

设备装置可选择电流斩波、电压斩波与单脉冲三类控制方法。无轨胶轮车装配的电动机系统，要求转速及负载变化区间较宽，以求能在各类工况环境中能保持良好的工作性能，因此可选择综合控制法。具体来说，低速段对应电流斩波，可控制电流峰值，以稳定输出转矩;中速度对应电压斩波，能避免负载带来的问题，响应速率佳;高速度对应单脉冲，支持大幅度的转矩调整，保障设备效率。在不同控制方法综合应用下，对应转换操作中，如果设置不适宜的参数，会导致输出转矩波动，对此一般会把升速与降速的回差幅度控制在5%左右，以避免出现频繁调整的现象。

综合总体设计分析来看，选择双凸极结构的防爆开关磁阻电动机，使得无轨胶轮车电动机系统整体简单稳定，并且工作性能良好，加之选择综合法的控制装置，使得电动机在各类工况环境中能始终保持优良的性能，以满足车辆在各种工作环境使用。此外，经研究，此类电动机装置的温升小，能够适应大负荷作业状态的平稳运行要求。

结束语：总之，具备矿用产品性能要求的开关磁阻电动机系统，运用在无轨胶轮车上，具备良好运行性能和工况适用性，同时该系统环保节能，无尾气排放，利于改善工作环境、控制生产成本和避免相关污染问题。借助装配此种电动机系统，能提高此无轨胶轮车的辅助运输效果，值得大范围推广运用。

参考文献：

[1]王仁群，李海霞，张甲瑞.12座电动防爆无轨胶轮车电驱动系统的设计[J].科技视界，2019，（11）：11-12+23.

[2]吴红星.开关磁阻电机系统理论与控制技术[M].北京：中国电力出版社，2010.