特大型箕斗的永磁直线电机辅助提升系统设计研究

摘要

随着国家煤炭资源战略调整，煤矿开采正朝着大型化、深度化和智能化方向发展，特大型箕斗应用于煤矿主井提升具有提升量大和效率高的优点，但是受限于传统提升钢丝绳本身的物理特性，箕斗容量不能持续增大，尤其是在超深井、超大载荷的情况下其使用寿命和安全性能将极大的降低。针对当前研究不足和技术需求，本文提出了利用永磁直线电机对超大型箕斗进行辅助驱动的创新性设计方案，并进行了详细的设计计算与分析研究，研究结果对于进一步增加大型箕斗提升系统的提升载荷、提升深度和使用寿命具有重要理论意义和实用价值，同时对于未来发展超深矿井新型提升技术亦具有一定前瞻性指导价值。 本文以1000m深矿井作为工程背景，针对目前国内50t特大型提煤箕斗，以箕斗再增载20%为设计目标，对其永磁直线电机辅助提升系统进行了方案论证、设计计算和仿真试验研究。首先，基于对永磁直线电机驱动原理的分析研究，根据增加10t额外提煤能力的设计要求，对箕斗直线电机辅助提升系统的矿井布置、分段式供电、直线导轨选用和防爆结构等系统方案进行了总体设计；其次，根据辅助提升方案，采用双侧共40个直线电机同步驱动，设计出单机推力为5500N的大气隙永磁直线电机，并运用Ansys Maxwell进行电磁学静态和瞬态仿真，对电机结构参数进行了优化；再次，研究了辅助驱动系统单、多电机控制策略，选用单元电机id=0的矢量控制，多电机速度跟随主从控制策略，对坐标变换、SVPWM控制、PMLSM等进行研究并建立了数学模型；最后，使用Matlab Simulink建立辅助提升系统单元电机仿真模型，分别进行空载和负载突变下的仿真试验。为验证主从控制方案，以3个单元电机建立电机辅助提升系统的主从控制仿真模型，并对系统速度跟随、负载稳定、速度突变和辅助制动等性能指标进行了仿真试验。结果表明，辅助提升系统主从控制下速度跟随延迟0.16s，推力滞后0.08s，稳定后速度误差0.96%，推力波动0.2%，速度突变后稳定时间0.19s，电机跟随滞后0.05s，且辅助制动、调速效果良好，表明该控制策略具有优良的同步跟随性和控制稳定性。根据仿真结果结合实际提升方案设计，主从控制下选用稳定后永磁直线电机跨越2个不稳定电机进行下一电机速度进行传递可满足辅助提升系统多电机控制使用要求。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2.1 矿用箕斗提升设备的研究现状

1.2.2 直线电机的研究现状

1.3 当前研究不足

1.4 主要研究内容

1.5 本章小结

2 特大型箕斗永磁直线电机辅助提升原理与方案设计

2.1 永磁直线电机辅助提升原理

2.2 永磁直线电机辅助提升系统方案设计

2.3 箕斗的结构设计及增额提升量计算

2.3.1 箕斗的类型对比及选型

2.3.2 辅助提升系统的箕斗结构设计

2.3.3 箕斗提升量的计算及增额提升量确定

2.4 本章小结

3 特大型箕斗永磁直线电机辅助提升系统结构设计

3.1 辅助提升永磁直线电机整体结构参数确定

3.2 辅助提升永磁直线电机的结构设计

3.2.1 初级尺寸的设计

3.2.2 次级尺寸的设计

3.2.3 气隙长度的选择

3.2.4 槽型及尺寸的设计

3.2.5 初级绕组设计

3.2.6 初步参数的确定

3.3 辅助提升永磁直线电机的电磁仿真

3.3.1 Ansys Maxwell软件简介及仿真流程

3.3.2 Ansys Maxwell参数化模型建立及网格划分

3.3.3 初步仿真结果计算与分析

3.4 辅助提升永磁直线电机的结构优化

3.4.1 齿槽结构的优化

3.4.2 永磁体宽度和其他参数的优化

3.4.3 最终优化的结果分析

3.5 本章小结

4 特大型箕斗辅助提升永磁直线电机控制方案和模型

4.1 永磁直线电机控制策略和矢量控制原理

4.1.1 永磁直线电机的控制策略分析及选定

4.1.2 永磁直线电机矢量控制原理和控制系统方案

4.2 辅助提升系统多电机同步控制策略和控制方案

4.2.1多电机同步控制策略

4.2.2 辅助提升系统多电机同步控制方案

4.3 辅助提升永磁直线电机的矢量控制算法模型

4.3.1 坐标变换

4.3.2 SVPWM原理及模型建立

4.4 辅助提升永磁直线电机的数学模型

4.5 本章小结

5 特大型箕斗永磁直线电机辅助提升系统仿真试验

5.1 辅助提升系统永磁直线电机的仿真模型建立

5.1.1 坐标变换

5.1.2 SVPWM矢量控制模块的仿真及验证

5.1.3 PMLSM模块的仿真

5.1.4 电机整体矢量控制模型的建立

5.2 辅助提升永磁直线电机系统单元仿真试验

5.2.1 仿真试验三闭环PI调节器设计

5.2.2 仿真参数输入

5.2.3 单元电机系统仿真试验结果与分析

5.3.1 永磁直线电机多电机速度跟随同步辅助提升控制系统仿真

5.3.2 仿真结果分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 主要结论

6.2 工作展望

参考文献

作者简历

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