12立方电铲用交流异步变频电机的研制

张春红，姜 辉，滕 强，赵 丹，于 娜

(大连日牵电机有限公司，辽宁大连 116036)

1 技术背景

电铲是千万吨级露天矿山主要采掘设备之一，具有生产率高、作业率高、操作成本低等特点，是目前采矿业公认的先进机型[1]。在我国各大矿区均能见到它的身影，特别是在千万吨级的大型露天煤矿、铁矿中，电铲已成为矿山挖掘设备的主力军。

矿山机电的先进性与现代化，在一定程度上反映了一个国家的工业化水平[2]。目前，在国内服役的各类电铲，绝大多数都来自国外。长期的依赖进口，使国内本就起步较晚的电铲制造厂发展空间严重受限。当前，国内有能力设计并生产该产品的厂家屈指可数。有能力批量配套驱动电机的生产商也寥寥无几。

在运行的国产电铲中，4 m3、5 m3、10 m3斗容的中型电铲产品居多，我公司已为该类电铲批量配套直流和交流型驱动电机。直流驱动系统控制原理简单、运行特性好，在中小型电铲中已成熟应用多年。但在大型电铲中，交流驱动控制系统的节能、免维护特性使得其综合性能较直流电铲更胜一筹。

交流电铲驱动电机采用三相交流变频电动机，但又不同于普通的变频电机。分别用于驱动不同机构的提升、推压、行走、回转四种电机需要根据各自的安装尺寸、运行特性进行量身定制。在有限的空间条件下，开发出既能满足性能需要，又能在恶劣使用环境下长期可靠运行的产品是电机生产厂必须要考虑的问题。

2 设计要求

矿用电铲工作过程中负载变化大，车体振动大，电机运行时频繁启停，正反转，特别是推压电机，负载冲击大，过载频繁。无论是结构设计还是性能设计都必须留有充足的余量，保证其长期可靠运行。

在消化和总结已有成熟技术和经验基础上，我公司开发出一套电铲用交流异步变频电动机，可配套铲斗容量为12 m3的矿用电铲挖掘机。

2.1 电磁设计

一台电铲机组配有四种规格的电机，各自驱动不同的部件，具有不同的负载特性。需要依据各自的负载特性分别进行电磁设计。特别是恒转矩点、恒功率点和热负荷的选取尤为重要，它们直接影响电铲运行的可靠性和经济性。除行走电机工作制为S2外，提升电机、推压电机、回转电机工作制皆为S1。根据四种电机的负载特性分别绘制的转速转矩曲线，如图1～4所示。

回转电机与提升电机安装在电铲机舱内部，同为强迫通风冷却，防护等级采用IP21。推压电机安装在机舱外部，防护等级为IP23，并通过风管将冷却风从风机输送给电机。行走电机安装于车辆履带附近，环境条件最恶劣，采用IP54的结构，自然冷却。经计算，在额定载荷和额定转速下四种电机的热负荷分别为：提升电机3 800，推压电机3 100，回转电机3 600，行走电机2 300[3]。电机额定点参数如表1所示。

图1 提升电机转速转矩曲线

图2 推压电机转速转矩曲线

图3 回转电机转速转矩曲线

图4 行走电机转速转矩曲线

电机名称提升电机推压电机回转电机行走电机额定功率/kW710260170170额定电压/V690690690690额定频率/Hz37.537.535.535.5额定电流/A702260174174额定转速/(r·min-1)746743704704额定转矩/N·m9089334123062306额定效率/%0.950.950.950.95功率因数0.890.880.860.86

2.2 结构设计

电铲电机使用环境恶劣，负载波动大，冲击快，过载频繁，电铲运行时振动大。普通电机无法承受这样的工作环境，这就要求电铲电机在结构上进行针对性的改进。

该套电机定子绕组全部采用成型线圈形式，导线绝缘为双层耐电晕聚酰亚胺-氟46复合绕包，耐温可达200°。对地绝缘为耐电晕聚酰亚胺薄膜补强少胶云母带配合H级复合材料槽绝缘。这种绝缘结构耐温高、导热快、绝缘可靠性好。绕组的绑扎数量也比常规电机多一倍，绕组定子铁心完成后，浸两次C级绝缘漆。这样做不仅可以修复绕组嵌线过程的微小损伤，也在绝缘结构外面形成一层致密漆膜，减小外部环境对绕组的影响，而且能增加机械强度，并有一定的防电晕作用。

电机转子采用焊接铜条式，铜条为高强度合金铜，机械强度较紫铜至少高1.4倍。安置于转子铁心内，通过中频银焊将其与锻制紫铜端环连接。

为阻隔轴电流，保护轴承，该套电机端盖均采用一侧绝缘结构，另一侧安装接地碳刷。提升电机和推压电机制动器端安装了一个速度传感器和一个编码器，速度传感器用于控制电机运行转速，编码器用于计算位置和距离。

除立式的回转电机外，其余电机两侧轴承都采用NJ系列轴承，可承受的径向负荷约为同规格深沟球轴承的4倍。为减小电铲运行时电机机壳、端盖的变形和断裂，电铲电机关键部件采用Q345钢板，并进行了加强设计。转轴也采用高强度合金材质40CrNiMo。这些措施的目的都是为了提高电机的机械强度，保证电机运行的可靠性。

提升电机、推压电机、回转电机、行走电机的结构图分别如图5～8所示。

图5 提升电机结构图

图6 推压电机结构图

图7 回转电机结构图

图8 行走电机结构图

3 结语

本文介绍了一套可与12立方电铲配套使用的交流异步变频电动机。该套电机通过电磁设计，在空间体积受限的情况下，保证额定转矩输出和过载能力，并留有一定余量。通过结构设计，在各种恶劣运行情况下，各部件均能保证电机整机强度可靠，抗冲击能力强。通过热负荷计算，在最严酷使用条件下，电机的绝缘系统仍可保证电机长期可靠运行。

该套电机厂内试验通过后装机运行多年，目前运行情况良好。这为12 m3矿用电铲挖掘机的批量化打下了良好的基础。

[1] 齐凯，韩维国.大型矿用挖掘机——电铲概述[J].一重技术，2008(1)：5-6.

[2] 梁建义，赵也凝.论矿山机电业的发展现状及未来发展趋势[J].露天采矿技术，2005(s1)：36-38.

[3] 陈世坤．电机设计[M].北京：机械工业出版社，1990.