大型矿用自卸车牵引电机设计和研究

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摘要:本文从大型矿用自卸车牵引电机的重要性出发，系统阐述了自卸车的电传动控制系统，接着研究了大型矿用自卸车牵引电机设计和研发。

关键词:矿用自卸; 牵引电机;设计研发

中图分类号：U272.6+4文献标识码： A

一、前言

随着当今社会生产技术水平的不断提高，在矿业生产对个大型矿用自卸车牵引电机设计和研发的要求也日益渐高。因此，积极采用科学的设计方法，不断完善大型矿用自卸车牵引电机设计和研发就成为当前一项十分紧迫的问题。

二、大型矿用自卸车牵引电机的重要性

电传动矿用自卸汽车由于其具有底盘结构简单、操作轻便灵活、可靠性高、运行经济性好，在大型露天矿山开采运输中得到广泛应用。我国目前大型矿用自卸车电传动技术大量采用的仍然是直流传动技术，直流传动牵引电机结构复杂、高压大功率时换向困难、维修困难等缺点，而交流牵引电机具有结构简单、牢固、体积小、质量轻、少维修等一系列优点，交流传动替代直流传动是一个技术发展趋势。大型矿用自卸车交流传动系统是一个高技术含量、高技术壁垒的系统，核心技术都为国外厂商垄断，造成我国大型交流传动矿用自卸车造价普遍偏高，这样为我国露天矿业和大型矿用自卸车的发展带来困难。因此亟待开发具有自主知识产权的大型矿用自卸车交流传动技术。

三、自卸车的电传动控制系统

1、励磁控制硬件系统

运用高性能的DSP芯片作为硬件系统的高速处理器。整个电路板分为五个模块，即DSP及模块、电源模块、开关量模块、模拟量模块和同步信号处理模块。硬件内外采用全隔离设计，在开关量输入输出通道设置了光电隔离，在模拟量输入通道通过运算放大器将模拟信号转换为标准电压信号。在电路印制板上进行了抗干扰设计，将数字地、模拟地和电源地通过电感进行隔离；在各个电路模块的布置中，尽量将模拟部分和数字部分在空间上分开，以达到抗干扰的目的。

2、自卸车的电气控制系统是一个复杂的系统

在现场的整车联机调试过程中，我们发现硬件和软件控制都存在一定的不足。譬如，在硬件方面，由于考虑到限制开关量输入的电压范围，致使一些电压较低的信号不能打开光电隔离开关；另外，一些高电压信号容易击穿光电隔离开关；一些模拟量的输入模块在放大环节总是出现一些偏差等等。控制算法在联机调试过程中显得反应比较慢，分析原因我们发现，理想的励磁系统是一个惯性环节，而实际的整车励磁控制系统则需要加一个很小的延时来反映实际的微机运算、电气元件物理延迟等。

四、大型矿用自卸车牵引电机设计和研发

1、电机的设计、计算和校核

（一）、电机主要参数确定

电机的设计理念是从降低模具投入和产品工艺性角度出发，完成本电机设计。本次电机设计从采取工厂现有的电枢冲片和电枢绕组导线为切入点，考虑到电机运行过程中大转矩、大电流等特点，增加补偿绕组。

（二）、电磁计算

各表针对电机线负荷和磁密的计算，通过初步估计新电机的温升，我们可确定合适的电机结构和绕组形式，满足本电机设计要求。通过本章计算，电机绕组形式和规格、机座、主附极铁心的尺寸都得到了确定。

2、电机换向性能、机械性能和换向极计算

（一）、换向区域宽度占极间中心区域宽度的百分率

电枢某一槽中从第一元件开始换向到最后一个元件换向结束的过程中，该槽在电枢表面所经过的距离称为bk。任何槽在经过换向区域时，槽内始终有元件在换向。为了防止换向区域中的换向元件切割主磁场而产生附加电势引起换向性能恶化，要求换向区域小于极间中性区域。换向区域的位置在磁极的几何中性线附近。

（二）、换向器装配性能分析

为保证换向器在规定的任何运行情况下，都能严格保持圆柱形表面和不发生破坏，除在结构和工艺上采取措施外，在机械计算方面，换向器中各有关零件在换向片的片间压力不低于规定数值以及离心力和温度应力作用下，应具有足够的强度和刚。度。换向器的各种零件是由物理性质不同的材料所制成，其中云母制品的机械性能，特别是其弹性模量，又随制造时所用的工艺参数(温度、压力、时间)而变，一般不很稳定。下述计算方法带有一定的近似性，但能满足工程要求。本电机的换向器结构是采用具有一定代表性的拉紧螺杆式拱形换向器的机械计算，计算内容主要包括拉紧螺杆、换向片中部和鸪尾根部、V形绝缘环、压圈和磨损后换向片伸出端等处的应力。拱压力为了防止运行时换向器松弛或凸片，而在片间保持足够摩擦力所需的拱压力，它作用在换向片的侧面上。离心力由各零件产生的离心力，它作用在相应的构件上。温度应力由于换向片及其紧固件(例如拉紧螺杆)由不同材料制成，线膨胀系数各异，运行时它们通常又具有不同的温度，因此膨胀情况存在差别，从而使它们在轴向和径向受到附加的拉力或压力。

3、电机配件机械性能分析与优化

在电机高速旋转下，各配件需谨慎挑选材质和规格、严格控制工艺过程，才能产生装配的应力、拉力等，满足电机使用要求。上述各配件根据所选材质或规格进行机械性能校核，从理论上来说，已经达到高转速、大转矩的性能要求，满足电机性能，但仍需通过最终试验数据来检测。

（一）、转轴的机械计算、校核和优化

转轴是电机中最重要的零件之一。由于其损坏大多具有疲劳性质，因此对一般电机转轴材料的要求是:应有足够高的强度、对应力集中敏感性小和加工性能良好。电机对转轴的要求是承受冲击性载荷和传递转矩，转轴材质的选择尤为重要，故采用合金钢锻件。运行时，转轴所受的应力形式因电机类型和传动机构的不同而异。在传递转矩的卧式电机中，转轴承受转子重量、单边磁拉力和作用在轴身上的外力所引起的弯曲应力以及转矩产生的剪应力。

（二）、换向器套筒与转轴配合机械计算和优化

电机工作状态下，换向器套筒与转轴的配合是通过键和轴面配合来实现同步旋转的。考虑电机最高速度远远超过所借用的参考电机，故作为借用配件换向器套筒需进行基本数据、换向器套筒与转轴配合应力计算、换向器套筒与转轴配合的压装力计算的校核。通过计算我们可得出原有的换向器套筒不能满足本次设计要求，以上计算是进行优化后的方案。本次优化方案可通过提高配合精度和增加配合面长度两种方式。

（三）、高速旋转下电枢槽楔的受力分析

电枢绕组嵌入电枢槽后，用楔固定。当电枢旋转时，槽楔受到绕组离心力的作用。故，应对槽楔的机械强度进行校核。当受到离心力作用时，可以把槽楔堪称一个两端支持的梁，而离心力则作用于中点。

（四）、高速旋转下电枢端部绑扎的受力计算

电机运行时，电枢高速旋转。电枢绕组端部需要绑扎钢丝或无讳玻璃丝带进行固定，以防高速运转时端部因离心力作用而产生位移。本电机采用传统的无纬玻璃丝带进行绑扎，为确保绑扎的安全性，需对绑扎后的无讳玻璃丝带的安全性进行计算。

4、电机试验数据

为保证牵引电动机的质量，电动机牵引性能是非常关键的环节。因此，在电动机制造和检修过程中，每一个工序之后都要进行检性的测量和试验。电机组装就绪准备送出成品时，还要将电机置于专用试验设备上，按照国家对该类型电机的技术要求进行严格的试验，以评定该电机的装配质量和技术性能。

五、结束语

从实践出发对当前大型矿用自卸车牵引电机设计的相关知识，进行了粗略的分析和研究。综上分析，设计工作的主要任务是运用科学的方法，促进设计工作的开展。

参考文献

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