220 t矿用自卸车电动轮驱动电机风摩损耗研究

刘维维，宫海龙，王 亮

(哈电发电设备国家工程研究中心有限公司，哈尔滨 150028)

0 引言

大型矿用电动轮自卸车是大型露天矿山的主要运输工具。目前常见的百吨级矿用自卸车主要车型有130 t、170 t、190 t、220 t、240 t、300 t以及400 t等。电动轮及驱动系统是矿用自卸车的核心部件，一般由电动轮、车载变频器、柴油发电机组成。与传统内燃机机械驱动方式相比，电动轮及驱动系统具有更高的传动效率，更大的载重能力，已成为矿用自卸车领域的主要发展方向。

20世纪60年代，美国GE公司率先推出电动轮结构，90年代实现了交流电传动。国际上的主要公司有卡特彼勒、特雷克斯、小松、别拉兹等，整车最大载重可达450 t。国外电动轮产品类型丰富，具有系列化、专业化的生产体系和配套体系，在国际市场占据绝对垄断地位(约占矿车总量的90%)。我国对矿用自卸车的研究起步较晚，在20世纪70年代开始研制电动轮，直到90年代才形成一定规模，主要生产企业有北方重工、湘电重装、徐工集团、中车集团等。

国内矿山的主力车型之一是220 t矿用自卸车，其电动轮驱动电机为异步电动机，采用轴向通风冷却方式。该电机额定转速为1 200 r/min，但是根据矿山现场运行工况来看，电机转速最高可达3 300 r/min。随着转速的变化，电机内风摩损耗将显著增加，影响电机的运行效率。因此，应对风摩损耗引起足够的重视。目前在电机设计阶段一般采用经验公式[1-2]进行计算，但是经验公式对电机的依赖很大，不是普遍适用的，所以只能通过试验的方法来获得较为准确的风摩损耗值。因此，有必要对电机内的风摩损耗进行仔细研究，找到一种相对准确的计算方法。

风摩损耗受电机结构及电机内流体流动状态影响，本文采用数值模拟的方法对电机内的流场进行计算分析。通过处理，得到风摩损耗的大小，并探讨电机转速、壁面粗糙度对风摩损耗的影响。该方法可以在设计阶段为电机设计提供重要参考。

1 计算域的确定

电动轮驱动电机采用轴向通风的冷却方式，冷却空气来源于车辆上的冷却风机。冷却空气经风机加压后，进入后风道流向后桥壳，经电机传动端端盖进入电机，然后分成三路(定子通风道；气隙；转子通风道)将电机内部的损耗带走，最后由非传动端端盖排到大气中，完成电机的冷却。

为了便于对仿真结果进行校对，根据电机试验的实际情况进行仿真建模，并在建模时进行合理简化。驱动电机的三维模型包括转轴、转子铁心、转子铜条、转子压板、挡风板、定子铁心、定子绕组、定子压板、机座等主要部件，基本结构如图1所示。

图1 驱动电机结构图

考虑到电机试验时，是在室温环境下，不同转速时进行的空载试验，试验过程中电机是敞开式的。因此计算域除了转子计算域和定子计算域，还包含了电机外部空气计算域，如图2所示。

图2 计算域示意图

2 流场仿真分析

2．1 风摩损耗计算

电机内流体流动换热问题需满足质量守恒、动量守恒和能量守恒。其中能量守恒定律是计算流体温度场的基本方程，其方程式为：

式中：cp为定压比热容；T为温度；λ为导热系数；S为内热源及因黏性作用使流体机械能转化为热能的能量。

由于电机转子外表面速度较高，电机内空气处于湍流状态，电机中的风摩损耗使内能发生了变化，并最终通过热量的形式散发出系统[3]。因此，在计算过程中激活能量方程，计算达到收敛条件后，对结果进行后处理，得到流出系统的内能，即可得到风摩损耗。

对本文中试验工况下的电动轮驱动电机对计算域进行网格剖分，获得网格节点数563万，网格质量满足计算要求。经过后处理，得到的风摩损耗计算值如表1所示，表中同时还列出了对应的试验值，并给出了计算值的相对误差(绝对值)。

表1 试验条件下的风摩损耗值

计算结果表明，计算值与实测值较为接近，在允许误差范围内。通过监测系统能量变化来获取风摩损耗的方法可以作为一种比较可靠的风摩损耗计算方法。

为获得电机实际工作中的风摩损耗，需根据电机工作情况对模型进行相应修改。由于驱动电机在实际工作时，是由矿用自卸车上的风扇对其提供冷却风的。因此，修改后的仿真模型如图3所示，计算后的电机剖面速度矢量图如图4所示。

图3 电机实际工作时的流场仿真模型

图4 电机剖面速度矢量图

2．2 转速及粗糙度对风摩损耗的影响

采用2．1中的方法，对电机实际工作条件及转速范围下电机内的风摩损耗进行了计算，仿真结果如图5所示。计算结果表明：风摩损耗与电机转速的三次方呈线性关系。

图5 转速与风摩损耗的关系

需要说明的是，由于本文中所研究的电动轮驱动电机在实际工作中并非采用自循环通风冷却型式，而是通过自卸车上的冷却风扇来提供冷却空气进行的强迫通风冷却，因此，当电机转速为0时，仍有冷却空气进入电机内部，故此时的风摩损耗并不为零，该损耗的大小主要与电机内部的风阻及风量有关。

除了转速的影响，风摩损耗的大小与电机内零部件的粗糙度也有直接关系。为此，图6给出了电机转速1 200 r/min时，不同通风道粗糙度下风摩损耗的大小。结果表明，粗糙颗粒高度在0.025 mm以内时，风摩损耗变化不大，当粗糙颗粒高度继续升高时，风摩损耗显著增加。

图6 通风道粗糙度对风摩损耗的影响

3 结论

针对220 t矿用自卸车电动轮驱动电机进行风摩损耗计算分析，结合试验结果，可以得出以下结论：

(1) 通过考察电机系统耗散的内能来获得电机风摩损耗的方法，可以作为一种比较可靠的风摩损耗计算方法；

(2) 电机内风摩损耗与电机转速的三次方呈线性关系；

(3) 当通风道粗糙颗粒高度较小时，电动轮驱动电机的风摩损耗基本与粗糙程度没有关系，当粗糙颗粒高度超过0.05 mm后，风摩损耗与粗糙颗粒高度基本呈线性关系。