缠绕式永磁外转子提升机动态特性研究.pdf

ADissertation ted to Taiyuan University of Technology In partial fulfillment of the requirement For the degree of Master Research on Dynamic Characteristics of Winding Permanent Magnet Outer Rotor Hoist By Lipeng Zhu College of Mechanical and Vehicle Engineering June 2021 学位论文答辩信息表 论文题目缠绕式永磁外转子提升机动态特性研究 答辩日期2021.06.13答辩秘书王彦栋 学位论文答辩委员会成员 姓名职称工作单位备注 寇子明教授太原理工大学主席 李军霞教授太原理工大学委员 崔功军教授太原理工大学委员 摘要 I 摘要 永磁外转子提升机作为新一代矿井提升机，以低转速、大扭矩、能耗低、基建少等 优点逐步运用于矿井提升系统， 其高效性与可靠性直接关系到矿山的生产效率及生产安 全。矿山实际生产中，缠绕式永磁外转子提升机提升负载具有吨位大、时变特性，外转 子滚筒作为直驱机构，负载将直接作用于滚筒上，因此其受载为一种非线性、强耦合、 多目标的复杂受力问题，时变负载引起外转子滚筒等关键承载体受载特性发生变化，对 其安全性与可靠性造成一定影响。针对上述问题，本文综合运用理论分析、数值模拟和 试验的方法，对缠绕式永磁外转子提升机动态特性进行研究与分析。 首先，针对单绳缠绕式永磁外转子提升机展开结构与受载分析，阐述了永磁外转子 提升机的矢量控制驱动系统原理及组成。结合矿井提升实际工况，对永磁外转子滚筒及 定子主轴承载特点进行理论分析。 其次，研究了不同负载下永磁外转子提升机动态运行特性。基于矿井提升系统动力 学理论与矢量控制原理，利用机电液联合仿真软件 SimulationX 搭建了永磁外转子提升 机电控-机械联合仿真模型，研究了空载-重载实际工况下永磁外转子提升机转速、电磁 转矩、钢丝绳动态张力、三相电流等动态变化。研究表明基于矢量控制系统下大功率 永磁外转子提升机的转速、电磁转矩等可快速实现闭环，电流响应平滑，提升机起动扭 矩大，运行平稳。 然后，针对永磁外转子滚筒运行时非线性、强耦合等复杂受力，综合考虑了重载上 提工况下钢丝绳端动态载荷、拉力降低系数、多层缠绕系数、电磁转矩等因素，构建永 磁外转子滚筒瞬态动力学分析模型， 通过数值模拟获得了外转子滚筒应力及变形变化规 律；再结合筒壁径向变形，利用 Ansoft 建立永磁外转子提升机电磁模型，通过气隙参数 化，研究不同气隙变形下的电磁转矩变化；采用隔离环或加强筋将钢丝绳缠绕滚筒与转 子轭分离，完成其结构改进。研究表明整个重载上提工况下，外转子滚筒壁最大等效 应力及变形呈现非线性增加，最大应力与变形发生在转子轭两侧的滚筒区域。变形所引 起的气隙变形对电磁转矩有一定影响，分离处理的优化方式可有效减小气隙变形。 最后，对永磁外转子提升机动力学特性进行研究，通过数值模拟对永磁外转子提升 机进行模态及谐响应分析， 确定永磁提升机整体结构在承受不同频率范围内载荷时的幅 频响应，并完成永磁外转子提升机振动特性试验。研究表明永磁外转子提升机的敏感 频率范围在 14Hz，83Hz 附近；在加减速运行阶段，其振动信号波动较大，匀速阶段振 动信号较为稳定。 关键词关键词永磁提升机；外转子滚筒；动态张力；电磁转矩；动态特性 太原理工大学硕士学位论文 II ABSTRACT III ABSTRACT As a new generation of mine hoists, permanent magnet outer rotor hoists are gradually used in mine hoisting systems with the advantages of low speed, large torque, low energy consumption and less infrastructure construction. Its efficiency and reliability are directly related to the production efficiency and safety of mines. In the actual production of mines, the hoisting load of the winding permanent magnet outer rotor hoist has the characteristics of large tonnage and time-varying. As a direct drive mechanism, the load of the outer rotor drum will act directly on the drum, so its load is a nonlinear, strong coupling, multi-objective complex stress problem. The time-varying load causes the load characteristics of the key bearing bodies such as the outer rotor drum to change, which has a certain impact on its safety and reliability. In view of the above problems, this dissertation comprehensively uses theoretical analysis, numerical simulation and experimental s to study and analyze the dynamic characteristics of the winding permanent magnet outer rotor hoist. Firstly, according to the deployment structure and load analysis of the single rope winding permanent magnet outer rotor hoist, the principle and composition of the vector control drive system of the permanent magnet outer rotor hoist are analyzed. Combined with the actual working conditions of mine hoisting, the bearing characteristics of permanent magnet outer rotor drum and stator spindle are analyzed theoretically. Secondly, the dynamic operation characteristics of the permanent magnet outer rotor hoist under different loads are studied. Based on the mine hoisting system dynamics theory and vector control principle, the electric control-mechanical co-simulation model of the permanent magnet outer rotor hoist was established by using the electromechanical hydraulic co-simulation software SimulationX, and the dynamic changes of the permanent magnet outer rotor hoist speed, electromagnetic torque, dynamic tension of wire rope and three-phase current under the actual working conditions of no-load and heavy load were studied. The research shows that the speed and electromagnetic torque of the high-power permanent magnet outer rotor hoist based on vector control system can quickly realize closed loop, with smooth current response, large starting torque and stable operation. Then, aiming at the nonlinear, strong coupling and other complex forces of the permanent magnet outer rotor drum in operation, the transient dynamic analysis model of the permanent magnet outer rotor drum was established by comprehensively considering the dynamic load of the wire rope end, the pull reduction factor, the multi-layer winding factor, 太原理工大学硕士学位论文 IV the electromagnetic torque and other factors under the heavy lifting condition; Combined with the radial deation of the cylinder wall, the electromagnetic model of the permanent magnet outer rotor hoist is established by Ansoft, and the electromagnetic torque variation under different air gap deation is studied through air gap parameterization; The isolation ring or reinforcing rib is used to separate the steel wire rope winding drum from the rotor yoke to complete the structural improvement. The results show that the maximum equivalent stress and deation of the outer rotor drum wall increase nonlinearly under the whole heavy lifting condition, and the maximum stress and deation occur in the drum area on both sides of the rotor yoke. The air gap deation caused by the deation has a certain influence on the electromagnetic torque, and the optimization of separation treatment can effectively reduce the air gap deation. Finally, the dynamic characteristics of the permanent magnet outer rotor hoist are studied. The modal and harmonic response of the permanent magnet outer rotor hoist are analyzed by numerical simulation. The amplitude frequency response of the whole structure of the permanent magnet hoist under different frequency ranges is determined, and the vibration characteristic test of the permanent magnet outer rotor hoist is completed. The results show that the sensitive frequency range of permanent magnet external rotor hoist is about 14Hz and 83hz; In the acceleration and deceleration stage, the vibration signal fluctuates greatly, and in the constant speed stage, the vibration signal is relatively stable. KeyWordsPermanent magnet hoist; Outer rotor drum; Dynamic tension; Electromagnetic torque; Dynamic characteristics 目录 V 目录 摘要......................................................................................................................................... I ABSTRACT..............................................................................................................................III 第 1 章绪论.............................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义...........................................................................................................1 1.2 国内外研究现状...........................................................................................................2 1.2.1 国内外矿井提升机发展与研究现状.................................................................2 1.2.2 矿井提升机动力学建模研究现状.....................................................................4 1.2.3 矿井提升机滚筒及电机转子动态特性研究现状.............................................5 1.3 研究内容及技术路线...................................................................................................7 1.3.1 研究内容.............................................................................................................7 1.3.2 技术路线.............................................................................................................7 第 2 章缠绕式永磁外转子提升机工作原理与受载分析.....................................................9 2.1 缠绕式永磁外转子提升机工作原理...........................................................................9 2.1.1 缠绕式永磁外转子提升机结构.........................................................................9 2.2.2 永磁变频调速控制系统原理及驱动特点.......................................................10 2.2 单绳缠绕式永磁外转子提升机受载分析.................................................................13 2.2.1 永磁外转子滚筒受载分析...............................................................................13 2.2.2 定子主轴受载分析...........................................................................................18 2.3 本章小结.....................................................................................................................19 第 3 章缠绕式永磁外转子提升机机电联合仿真建模及运行特性分析与研究...............21 3.1 永磁外转子驱动调速系统仿真建模.........................................................................21 3.2 不同负载提升工况下起动特性分析.........................................................................23 3.2.1 空载起动运行特性分析...................................................................................23 3.2.2 永磁同步电机空载运行试验...........................................................................26 3.2.3 重载起动运行特性分析...................................................................................29 3.2.4 永磁外转子提升机带载起动试验...................................................................31 3.3 永磁外转子提升机重载提升全过程运行动态特性研究.........................................32 3.3.1 永磁外转子提升机 SimulationX 机电联合仿真模型构建............................33 3.3.2 全过程运行动态结果分析...............................................................................35 太原理工大学硕士学位论文 VI 3.3.3 钢丝绳动态张力结果分析...............................................................................37 3.4 不同转速-转矩下功率分析.......................................................................................39 3.5 本章小结.....................................................................................................................41 第 4 章缠绕式永磁外转子滚筒动态受载变形分析与研究...............................................43 4.1 永磁外转子滚筒瞬态动力学模型建立.....................................................................43 4.1.1 物理模型...........................................................................................................43 4.1.2 网格划分及数值计算方法...............................................................................44 4.2 重载上提工况下永磁外转子滚筒有限元数值模拟.................................................46 4.2.1 外转子滚筒应力-变形数值模拟分析.............................................................46 4.2.2 外转子滚筒绕绳区径向变形变化规律...........................................................48 4.3 外转子滚筒变形下电磁转矩特性的研究.................................................................51 4.3.1 电磁仿真模型的建立.......................................................................................52 4.3.2 径向变形对电磁转矩波动的影响...................................................................53 4.4 永磁外转子滚筒结构改进方案及对比分析.............................................................54 4.4.1 外转子滚筒结构改进方案...............................................................................54 4.4.2 数值模拟结果对比分析...................................................................................54 4.5 本章小结.....................................................................................................................57 第 5 章缠绕式永磁外转子提升机动力学特性研究...........................................................59 5.1 永磁外转子提升机模态分析.....................................................................................59 5.1.1 模态分析理论...................................................................................................59 5.1.2 整体模态特性分析...........................................................................................60 5.2 永磁外转子提升机谐响应分析.................................................................................62 5.2.1 谐响应分析原理及载荷施加...........................................................................62 5.2.2 谐响应结果分析...............................................................................................63 5.3 永磁外转子提升机振动特性试验研究.....................................................................65 5.3.1 永磁外转子提升机振动试验方案...................................................................65 5.3.2 实验结果分析...................................................................................................67 5.4 本章小结.....................................................................................................................67 第 6 章结论与展望...............................................................................................................69 6.1 结论.............................................................................................................................69 6.2 展望.............................................................................................................................70 参考文献...................................................................................................................................71 目录 VII 攻读学位期间取得的科研成果...............................................................................................75 致谢...........................................................................................................................................77 太原理工大学硕士学位论文 VIII 第 1 章绪论 1 第 1 章绪论 1.1 研究背景及意义 本课题来源于山西省重点研发计划项目 “永磁内装式提升机模块化设计与优化”（项 目编号201903D121078） 。 我国是煤炭资源大国，煤矿产业在我国国民经济发展中具有举足轻重的地位。在未 来较长一段发展时期内，其作为我国主体能源的地位不会改变。缠绕式矿井提升机作为 煤矿开采与运输中必不可少的提升设备，承担着人员、煤炭及设备提升和运输的任务， 直接关系到矿山的生产效率及生产安全[1]。 目前，我国大多数采矿企业矿井提升机仍旧采用传统异步电机驱动，即电机-减速 器的驱动模式，其中减速器、联轴器、润滑站等的存在，使传动链变长，故障源增多， 传动效率降低。 因此， 采用低速大转矩电机直接驱动负载， 将电机与机械负载融为一体， 已经成为该技术领中主要发展方向。永磁外转子提升机的出现使上述问题得已解决（图 1-1） 。其采用永磁同步电机，将电机外转子直接作为提升机滚筒，提升机主轴作内定子， 利用电磁转矩驱动滚筒转动完成提升任务。 图 1-1 缠绕式永磁外转子提升机示意图 Fig. 1-1 Schematic diagram of winding permanent magnet outer rotor hoist 虽然在 2017 年第一台缠绕式永磁外转子提升机正式投产使用，但部分关键性问题 任未得到充分研究。 外转子滚筒在实际运行时由电磁驱动系统进行直接驱动， 工况恶劣， 频繁起动，不仅承受外部钢丝绳端对其随时间和空间变化的径向力和冲击载荷，还受到 滚筒内部电磁转矩，其受载是一种非线性、强耦合、多目标的复杂问题。外转子滚筒作 为直驱传动机构，复杂动态负载将会直接作用于滚筒上，严重时将可能导致定转子间气 太原理工大学硕士学位论文 2 隙长度发生变化，产生不平衡磁拉力，引起外转子滚筒受载不均而使振动加剧，将可能 会影响到永磁外转子提升机工作效率和使用安全性。 因此，本文将以缠绕式永磁外转子提升机关键承载体-滚筒为研究对象，对其在驱 动系统作用下的动态承载特性及相关振动特性展开研究， 并对其外转子滚筒进行结构分 析和优化设计，为永磁外转子提升机传动性能的安全性与可靠性提供理论和技术支撑， 对保证永磁外转子提升机在矿山设备制造生产以及保障井下工作人员和设备都具有重 要意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国内外矿井提升机发展与研究现状 近几十年来，国内外矿井提升机不仅在机械传动结构上不断进步，在电气控制方面 更是获得巨大的突破，且二者优势技术的相互融合，使矿井提升机在近几十年来取得飞 速的发展。起初的提升机是电动机通过减速器传动卷筒的系统，后来出现了直流慢速电 动机和直流电动机悬臂安装直接传动的提升机。 上世纪七十年代西门子发明矢量控制的 交-直-交变频调速系统后，标志着用同步电动机来代替直流电机实现调速的技术时代已 经到来。 在国外，矿井提升机的发展已有 150 余年的历史。起初，由西方国家发明了蒸汽式 提升机， 但由于电力电子技术的快速发展， 1905 年制造了第一台电力驱动的矿井提升机 [2]，标志着矿井提升电气化工业化时代的到来；1938 年，第一台多绳摩擦式矿井提升机 在瑞典问世；二十世纪 80 年代，为了改善传统提升机传动效率低、占地面积大、故障 率高等缺点，德国的 GHH 公司和西门子公司合作研发并制造了将机械和电气部分融为 一体，滚筒作为电机的外转子，主轴作为内定子的内装式提升机。1988 年，世界上第一 台电励磁内装式提升机在德国问世，如图 1-2（a）所示，该提升机是高度机电一体化集 成装备，代表着当时矿井提升技术的最高水平，引起了国内外同行的关注，但由于价格 昂贵，并未在国际市场上得到广泛应用。 近年来， 随着全球资源和能源的日益紧缺和经济社会发展对矿物资源的需求快速上 升，向地球更深处寻找矿物资源、在更大范围内展开地球深部矿物的勘探开发，已成为 包括我国在内的许多国家发展的重要战略选择。 多绳缠绕式提升机虽然很早就被瑞典设 计制造，但由于矿井深度的增加，给矿井提升机、提升钢丝绳、安全制动系统都带来巨 大的技术难题，此外，超深井矿山数量有限，多绳缠绕式提升机还并未大规模使用，但 于近几年开始逐步进入市场，其中南非超 3000m 深井-Moab Khotsong 矿采用直径超过 5m、提升速度 19m/s 的两台双绳缠绕式提升机进行提升及下放作业。如下图 1-2（b） 所示。 第 1 章绪论 3 a 电励磁内装式提升机b 多绳缠绕式提升机 a Electric excitation built-in hoistb Multi-rope winding hoist 图 1-2 国外矿井提升机 Fig. 1-2 Foreign mine hoists 在国内，提升机发展直至新中国成立之后才正式起步，1953 年，抚顺重型机器厂制 造了国内第一台单绳缠绕式双筒提升机； 1958 年， 洛阳矿山机器厂研发并制造了我国第 一台井塔式 JKM-24 多绳摩擦式提升机，标志着我国逐步具有自主生产矿井提升机的 能力；在长期发展中，由于井塔式提升机使用的局限性，洛阳矿山机器厂经过不断的创 新改进，1977 年，设计并制造了我国第一台落地式 JKMD-22 多绳摩擦式提升机，使 我国初步具备了制定单绳缠绕式和多绳摩擦式提升机国家标准的能力。 20 世纪末， 随着国内大型煤矿不断向集约化和高产化发展， 对矿井提升能力提出更 高的要求与挑战。中信重工机械股份有限责任公司于 2001 年成功制造了国内最大规格 的双电动机直联落地式多绳摩擦式提升机（JK