本质安全型防爆驱动关节模块热分析及电路设计

摘要

本质安全型防爆设备是指设备内部的所有电路在正常工作或者规定的故障条件下，产生的所有电火花以及热效应都不会点燃规定的可燃性气体的本质安全型设备。
　　本文对一台六关节机械臂进行了研究，选取六关节机械臂的第三个关节模块，对它进行了本质安全防爆性能的分析。机械臂的关节模块包括一台小功率的无刷直流电机和一台谐波减速器。首先对驱动关节模块进行了热源分析，利用经验公式计算了驱动关节模块各部分的损耗，计算可以得到额定工况和空载条件下的基本铜耗分别为11.73W和1.30W，单个功率管的损耗分别为1.47W和0.51W。定子损耗为21.79W，减速器损耗为43.50W。
　　利用计算得到的损耗，通过Ansys Workbench中的稳态热分析模块对驱动关节模块进行了热仿真和热测试，对驱动关节模块额定工况和空载条件下外表面的温升进行了计算分析。从得到的结果可以看出，在空载条件下，驱动关节模块各表面温度低于温度组别所要求的温度，最高只有50.37℃。在额定工况的条件下，驱动关节模块大部分零部件最高表面温度都不超过53.22℃，但PCB板上的最高表面温度较高，大约为93.73℃。
　　本文还对产生损耗的定转子、减速器和控制电路单独进行了计算分析，其中定转子和减速器的最高表面温度不超过63.91℃，但PCB板最高表面温度达到了97.69℃。为了使驱动关节模块和电路中的各元器件具有更长的寿命以及更高的可靠性。本文还对驱动关节模块的散热性能进行了优化设计。首先对部分零部件的材料进行了优化设计，比如外壳和连接法兰等零件改用了7050这种导热性能更好的铝合金。由于减速器、定予以及PCB板是驱动关节模块的主要发热源，所以本文在跟减速器和转子接触的电机轴的表面设计了散热孔结构，加快了驱动关节模块的散热速度。从计算得到的结果来看，空载时，驱动关节模块各零部件的最高表面温度稍有降低，最高降低了2.05℃。同样，在额定工况下改进后的各零部件的最高表面温度也有所下降，最高下降了2.21℃。
　　根据《GB3836.4-2010爆炸性环境第4部分:由本质安全型“i”保护的设备》对本质安全电路的要求，给电路的外接电源添加了保护，利用35A保险丝给48V外接电源添加了过流保护。利用电火花能量计算公式，分别计算了电感性电路、电容性电路和电阻性电路中可能产生的火花能量的大小。对于不符合要求的电容，本文使用了串接电阻并浇封的方法，调整了有效电容的大小达到了限制能量的目的，电阻的阻值分别为5Ω、10Ω以及50Ω。对于不符合要求的电感线圈，在两端并联了两只续流二极管作为保护电路。通过上述措施尽可能的减小了可能产生的电火花的能量大小，使其不会点燃矿井下的爆炸性气体混合物。
　　控制电路产生的电火花以及驱动关节模块的热效应是点燃爆炸性气体混合物的主要因素。因此本文通过对驱动关节模块的热效应和电火花的形成机制的研究，对驱动关节模块进行了防爆性能分析和优化设计，使其安全性能大大提高，对本质安全驱动关节模块的防爆有着重要的意义。

目录

声明

致谢

摘要

1．1研究背景

1．2国内外研究现状

1．2．1 本质安全理论发展历程

1．2．2本质安全电气设备热效应研究现状

1．2．3 本质安全电路电火花研究现状

1．2．4 防爆机械臂的研究现状

1．3本安防爆概述

1．3．1危险场所分类

1．3．2电气设备分类

1．3．3温度组别划分

1．4研究目的

1．5研究内容

1．6本章小结

2驱动关节模块温度场计算

2．1 驱动关节模块的介绍

2．2铁芯的基本损耗计算

2．2．1轭部铁芯的基本损耗计算

2．2．2齿部铁芯的基本损耗计算

2．2．3铁芯中的附加损耗计算

2．3基本铜损耗计算

2．4控制电路损耗计算

2．5机械损耗计算

2．6传热方程与边界条件

2．6．1传热基本方程

2．6．2驱动关节模块的边界条件

2．6．3对流边界条件的求取

2．7参数获取

2．8驱动关节模块整体仿真分析

2．8．1模型导入

2．8．2网格划分

2．8．3边界条件和载荷施加

2．8．4空载条件下的温度场计算

2．8．5额定工况条件下的温度场计算

2．9本章小结

3 散热性能改进的必要性及可行性分析

3．1 主要发热源的单独仿真分析

3．1．1定转子温度场计算

3．1．2控制电路温度场计算

3．1．3谐波减速器温度场计算

3．2散热性能优化设计

3．2．1提高导热系数

3．2．2改进驱动关节模块结构

3．3 改进后驱动关节模块温度场计算

3．4本章小结

4无刷直流电机控制电路分析

4．1控制电路的分析

4．1．1系统控制电路分析

4．1．2全桥驱动电路分析

4．1．3 CAN通讯电路分析

4．1．4电源电路分析

4．1．5 PCB板绘制加工

4．2控制电路调试以及数据测量

4．2．1实验系统

4．2．2数据测量

4．3本章小结

5电路防火花设计

5．1 电源电路防火花设计

5．1．1 48V外接电源

5．1．2 3．6V编码器电池

5．2电容性电路防火花设计

5．3电感性电路防火花设计

5．4电阻性电路防火花设计

5．5本章小结

6．1主要工作与结论

6．2问题与展望

参考文献

作者简历及攻读硕士／博士学位期间取得的研究成果

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