CN113346704A - 永磁同步电动机及应用其的大功率电动矿车 - Google Patents

Abstract

一种永磁同步电动机及应用其的大功率电动矿车，涉及电动矿车配件技术领域，能够具有效率高、功率因数高、转矩大、最大输出功率高的特点，同时有效降低了设计制造成本，且安全可靠、方便控制。所述永磁同步电动机中，前后轴承均采用内外迷宫封环结构加密封胶垫结构，轴承内圈采用轴承内迷宫封环定位；绝缘轴承可避免感应电流对轴承的电蚀作用，有效防止电流对润滑脂和滚动体、滚道造成的损坏，并有效提高轴承的使用寿命；定子线圈的端部过桥线和主电源引接线采用铜排和牢固的机械固定，有效保证了电机长期使用的可靠性。

Description

永磁同步电动机及应用其的大功率电动矿车

技术领域

本发明涉及电动矿车配件技术领域，尤其涉及一种永磁同步电动机及应用其的大功率电动矿车。

背景技术

目前，在我国的冶金矿石和露天煤矿、非金属矿石和大型水利水电工地，矿用汽车均得到广泛的应用。大功率电动矿车用永磁同步电动机是适用于大型矿用自卸车的轮对驱动，其主要用于大型露天矿山开采、电力工程、水利建设等，运输大量的矿石和泥土，属于非公路工程车。

其中，用于轮对驱动的电机类型有直流电动机、交流异步电动机；具体地，直流电动机驱动系统是早期广泛应用最多的技术，与交流异步电动机相比直流电动机体积和重量较大，噪音大，易受电磁干扰，机械特性较软，无法满足大型矿车的要求。近年来，随着永磁电机的技术成熟得到广泛应用，从而推动永磁电机在大功率矿用车的技术进步；永磁同步电动机采用耐高温高性能稀土材料，其效率、功率密度、过载能力、噪音等性能都超过了同体积的交流感应电动机和直流电动机，使其具备有优异的特性，永磁电动机在大功率电动矿车用驱动领域得到产业化应用。

实际应用中，电动矿车用永磁同步电动机需要适应极端恶劣的环境，我国北方地区的矿区冻土地带的冬季气温都在零下40℃左右；新疆等地区的矿区，常年处于炎热气候，高温超过40℃，在一些矿区环境更为恶劣。然而，在这样的极端环境下，矿用车的工作寿命要达到60000小时以上（约合15-20年），每年要运输上百万吨的矿石或剥离土方；这些极端苛刻的条件对电动矿车用同步永磁电动机的可靠性、安全性、经济性提出了极高要求，其研制过程涉及结构设计、冶金焊接、电器控制、新材料应用等诸多领域，堪称现代工业技术的精华。因此，目前市场上，仅有少数几家企业能够研制200吨级以上的电动矿车用同步永磁电动机。

现有技术中，主要有直流电动机驱动系统、交流异步电动机驱动系统、以及永磁同步电动机驱动系统；其中，直流电动机驱动系统，其直流电机设有电刷和换向器，高速和大负荷运行时换向器表面易产生电火花，同时换向器维护困难，很难向大容量、高速度发展，此外电火花会产生电磁干扰，因此不宜在多尘、 潮湿、易燃易爆的环境中使用，同时电机结构限制其体积和质量较大；并且，电火花产生的电磁干扰，对高度电子化的电动汽车来说将是十分不利的。综上所述，随着电子电力技术和控制理论的发展，相对于其它驱动系统而言，直流电动机在电动矿车中的应用已处于劣势，目前已逐渐被淘汰。

然而，交流异步电动机驱动系统，其效率和功率因数低，运行时必须从电网吸收无功电流来建立磁场，并且控制复杂，易受电机参数及负载变化的影响，同时转子不易散热，导条和端环容易开焊，此外调速性能差，调速范围窄。

因此，如何提供一种永磁同步电动机及应用其的大功率电动矿车，其能够具有效率高、功率因数高、转矩大、最大输出功率高的特点，同时有效降低了设计制造成本，且安全可靠、方便控制，已成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种永磁同步电动机及应用其的大功率电动矿车，其能够具有效率高、功率因数高、转矩大、最大输出功率高的特点，同时有效降低了设计制造成本，且安全可靠、方便控制。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种永磁同步电动机，包括：由花键主轴通过转子键与转子铁心连接而成，且所述转子铁心的两端面用转子压圈压紧所述转子铁心，同时在所述转子铁心的槽内镶嵌有磁钢所构成的转子部件；以及，由定子线圈和定子压圈压紧定子铁心的两端并固定成一体的带绕组定子，且所述带绕组定子安装有带不锈钢外套的温度传感器和温度开关，以对所述带绕组定子的温度进行实时检测；

所述花键主轴的前后轴承位置分别装配有前内轴承盖和后内轴承盖，且在所述前内轴承盖和所述后内轴承盖的配合处分别装配有前内迷宫环油封环和后内迷宫环油封环；同时，在所述花键主轴的延伸端热套有前轴承和绝缘轴承作为铁路牵引电机用轴承，且所述前轴承和所述绝缘轴承的外圈具有氧化铝涂层；

所述前轴承和所述绝缘轴承的外圈分别装配有前端盖和后端盖，且在所述前端盖和所述后端盖的配合处分别装配有前外迷宫环油封环和后外迷宫环油封环，同时在所述前外迷宫环油封环和所述后外迷宫环油封环的配合位置装配有前外轴承盖和后外轴承盖；

所述前端盖和所述后端盖的内侧，并与所述前内轴承盖和所述后内轴承盖的配合面处设有第一密封胶垫进行圆周密封；所述前端盖和所述后端盖的外侧，与所述前外轴承盖和所述后外轴承盖的配合面处设有第二密封胶垫进行圆周密封；

所述前外轴承盖和所述后外轴承盖装配有轴承测温元件，且所述轴承测温元件用于实时监控轴承的运行温度；同时，所述前外轴承盖和所述后外轴承盖装配有不停机加油装置。

实际应用时，所述转子铁心的轭部均匀分布有转子通风孔。

其中，所述磁钢采用V字型方式进行分布。

具体地，所述转子压圈的两端对称设置有平衡槽。

进一步地，所述花键主轴安装有编码器，且所述编码器用于进行测速以实现闭环控制。

实际应用时，所述定子线圈的直线部分采用220级耐热绝缘处理以对所述定子线圈进行绝缘加强，并采用热膨胀垫条对所述定子线圈的槽底和槽楔底部分别进行垫紧。

其中，所述定子线圈的一端采用出线端绑扎绳及出线端端箍进行固定，另一端采用非出线端绑扎绳及非出线端端箍进行固定。

具体地，所述出线端端箍和所述非出线端端箍放置在所述定子线圈前后两端的U字型转弯内部。

进一步地，所述定子线圈的头尾分别焊接至U相环铜排、V相环铜排和W相环铜排，并按相序分别焊接U相引线铜排、V相引线铜排和W相引线铜排；

所述U相环铜排、所述V相环铜排和所述W相环铜排均匀固定，且中间采用绝缘块分别进行隔离支撑；所述U相引线铜排、所述V相引线铜排和所述W相引线铜排包扎绝缘后引入接线盒内。

相对于现有技术，本发明所述的永磁同步电动机具有以下优势：

本发明提供的永磁同步电动机中，因矿区环境特殊，则前后轴承均采用内外迷宫封环结构加密封胶垫结构，轴承内圈采用轴承内迷宫封环定位，从而有效加大了轴承端面的接触面，进而有效增加了轴承的可靠性；同时，为适应变频电源在电机运行时，转轴两端之间或轴与轴承之间产生的轴电压，在电机机座等构成回路形成了轴电流，轴电压将使润滑油膜放电击穿形成回路；并且，轴电流局部放电能量释放产生的高温，能够融化轴承内圈、外圈或滚珠上许多微小区域，并形成凹槽，从而产生噪声、振动，若不能及时发现处理将导致轴承失效，对生产带来极大影响，而绝缘轴承可避免感应电流对轴承的电蚀作用，从而有效防止电流对润滑脂和滚动体、滚道造成的损坏，进而有效提高轴承的使用寿命；此外，由于电机功率高，定子电流大，特别是频繁制动和启动瞬间电流变化大，远远高于额定电流，且电机随车承受较大振动和摇晃，定子线圈的端部过桥线和主电源引接线采用铜排和牢固的机械固定，从而有效保证了电机长期使用的可靠性。

一种大功率电动矿车，包括：如上述任一项所述的永磁同步电动机。

所述大功率电动矿车与上述永磁同步电动机相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明实施例提供的永磁同步电动机的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的永磁同步电动机中带绕组定子的第一视角结构示意图；

图3为本发明实施例提供的永磁同步电动机中带绕组定子的第二视角结构示意图。

附图标记：

1-花键主轴；2-转子键；3-转子铁心；31-转子通风孔；4-转子压圈；41-平衡槽；5-磁钢；6-定子线圈；611-出线端绑扎绳；612-出线端端箍；621-非出线端绑扎绳；622-非出线端端箍；631-U相环铜排；632- V相环铜排；633-W相环铜排；641-U相引线铜排；642- V相引线铜排；643-W相引线铜排；65-绝缘块；7-定子铁心；71-定子压圈；81-前内轴承盖；82-后内轴承盖；91-前内迷宫环油封环；92-后内迷宫环油封环；101-前轴承；102-绝缘轴承；111-前端盖；112-后端盖；121-前外迷宫环油封环；122-后外迷宫环油封环；131-前外轴承盖；132-后外轴承盖；14-轴承测温元件；15-编码器；16-接线盒；17-不停机加油装置。

具体实施方式

为了便于理解，下面结合说明书附图，对本发明实施例提供的永磁同步电动机及应用其的大功率电动矿车进行详细描述。

首先，此处需要补充说明的是，随着我国电子电力技术和电机控制技术的迅速进步，大功率开关器件IGBT具有耐高压，大电流的优点；同时具有低饱和电压、高输入阻抗以及高开关频率等特点。近年来，由于新能源汽车电控的发展需求，IGBT正向低损耗，更大容量发展；特别是嵌入式控制系统以及控制策略越来越完善，电机控制达到较高的水平。其中，永磁电动机有其较高功率密度、强转矩、高性能、宽调速范围、超高效率、功率因数、较小体积等特点，成为替代交流异步电动机是首选。

此外，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

本发明实施例提供一种永磁同步电动机，如图1-图3所示，包括：由花键主轴1通过转子键2与转子铁心3连接而成，且转子铁心3的两端面用转子压圈4压紧转子铁心3，同时在转子铁心3的槽内镶嵌有磁钢5所构成的转子部件；其中，转子压圈4不仅能够压紧转子铁心3，而且能够用于隔磁；以及，由定子线圈6和定子压圈71压紧定子铁心7的两端并固定成一体的带绕组定子，且带绕组定子安装有带不锈钢外套的温度传感器和温度开关，以对带绕组定子的温度进行实时检测；

花键主轴1的前后轴承位置分别装配有前内轴承盖81和后内轴承盖82，且在前内轴承盖81和后内轴承盖82的配合处分别装配有前内迷宫环油封环91和后内迷宫环油封环92；同时，在花键主轴1的延伸端热套有前轴承101和绝缘轴承102作为铁路牵引电机用轴承，且前轴承101和绝缘轴承102的外圈具有氧化铝涂层，以使绝缘性能高达1000VDC；

前轴承101和绝缘轴承102的外圈分别装配有前端盖111和后端盖112，且在前端盖111和后端盖112的配合处分别装配有前外迷宫环油封环121和后外迷宫环油封环122，同时在前外迷宫环油封环121和后外迷宫环油封环122的配合位置装配有前外轴承盖131和后外轴承盖132；

前端盖111和后端盖112的内侧，并与前内轴承盖81和后内轴承盖82的配合面处设有第一密封胶垫进行圆周密封；前端盖111和后端盖112的外侧，与前外轴承盖131和后外轴承盖132的配合面处设有第二密封胶垫进行圆周密封；

前外轴承盖131和后外轴承盖132装配有轴承测温元件14，且轴承测温元件14用于实时监控轴承的运行温度；同时，前外轴承盖131和后外轴承盖132装配有不停机加油装置17。

相对于现有技术，本发明实施例所述的永磁同步电动机具有以下优势：

本发明实施例提供的永磁同步电动机中，因矿区环境特殊，则前后轴承均采用内外迷宫封环结构加密封胶垫结构，轴承内圈采用轴承内迷宫封环定位，从而有效加大了轴承端面的接触面，进而有效增加了轴承的可靠性；同时，为适应变频电源在电机运行时，转轴两端之间或轴与轴承之间产生的轴电压，在电机机座等构成回路形成了轴电流，轴电压将使润滑油膜放电击穿形成回路；并且，轴电流局部放电能量释放产生的高温，能够融化轴承内圈、外圈或滚珠上许多微小区域，并形成凹槽，从而产生噪声、振动，若不能及时发现处理将导致轴承失效，对生产带来极大影响，而绝缘轴承可避免感应电流对轴承的电蚀作用，从而有效防止电流对润滑脂和滚动体、滚道造成的损坏，进而有效提高轴承的使用寿命；此外，由于电机功率高，定子电流大，特别是频繁制动和启动瞬间电流变化大，远远高于额定电流，且电机随车承受较大振动和摇晃，定子线圈的端部过桥线和主电源引接线采用铜排和牢固的机械固定，从而有效保证了电机长期使用的可靠性。

实际应用时，如图1所示，上述转子铁心3的轭部可以均匀分布有转子通风孔31，从而有效增加电机内部空气流动和循环，进而加快散热，同时能够有效降低转子重量。

其中，上述磁钢5可以优选为采用V字型方式进行分布。

具体地，如图1所示，上述转子压圈4的两端可以对称设置有平衡槽41，从而通过该平衡槽41起到对转子动平衡配重作用。

进一步地，如图1所示，上述花键主轴1可以安装有编码器15，从而通过该编码器15能够用于进行测速以实现闭环控制。

电动矿车用永磁同步电动机在矿车运行工作时，因行驶在颠簸路面，遍布碎石、泥土、坑洼地段，电机承受较大的不规则振动，因此必须采取一系列技术措施来保证电机运行安全可靠。

除以上采取加强外壳结构强度、加强轴承寿命外，对电机定子绕组的设计尤为关键。本发明实施例提供的永磁同步电动机中，定子绕组端部采用端箍放置在线圈前后两端的“U”型转弯内部，从而最大限度地增加线圈和端箍的接触面；另外，线圈端部是上下层边采用绑扎固定的方式，使端部成为一个整体；定子绕组在槽内固定，用热膨胀垫条材料对在线圈上下和铁心的槽底槽口、即槽楔底部和线圈下面间隙分别垫紧，用220级耐热绝缘处理对定子线圈直线部分进行绝缘加强；并且，经两次真空压力浸漆后，热膨胀材料充分涨紧定子线圈在槽内固定成为牢固的整体。

实际应用时，如图2和图3所示，上述定子线圈6的直线部分采用220级耐热绝缘处理以对定子线圈6进行绝缘加强，并采用热膨胀垫条对定子线圈6的槽底和槽楔底部分别进行垫紧。

其中，如图2和图3所示，上述定子线圈6的一端可以采用出线端绑扎绳611及出线端端箍612进行固定，另一端可以采用非出线端绑扎绳621及非出线端端箍622进行固定，从而有效防止定子线圈6剧烈振动时的损坏和失效。

具体地，如图2所示，上述出线端端箍612和非出线端端箍622可以放置在定子线圈6前后两端的U字型转弯内部，从而最大限度地增加定子线圈6和出线端端箍612及非出线端端箍622的接触面，进而有效保证线圈的强度和绝缘寿命。

进一步地，如图2和图3所示，上述定子线圈6的头尾分别焊接至U相环铜排631、V相环铜排632和W相环铜排633，并按相序分别焊接U相引线铜排641、V相引线铜排642和W相引线铜排643；

该U相环铜排631、V相环铜排632和W相环铜排633可以均匀固定，且中间可以采用绝缘块65分别进行隔离支撑；该U相引线铜排641、V相引线铜排642和W相引线铜排643可以包扎绝缘后引入接线盒16内，如图1所示。

实际应用时，本发明实施例提供的永磁同步电动机中，电动机的主要参数可以为：额定电压1200V，额定功率970kW，同步转速1000r/min，绝缘等级H，防护等级IP56，工作制S1；冷却方式可以为：强迫风冷，且冷却风量≥120m³/min，电机转子磁极6极。

并且，本发明实施例提供的永磁同步电动机中，其定子外径可以740mm，定子内径可以为530mm，转子内径可以240mm，气隙尺寸可以为2.0，定转子铁心长度可以为530mm，定子槽数可以为72；定子槽可以采用开口槽，转子磁钢分布可以采用“V”型方式，定子绕组为扁铜线硬绕组结构，双叠下线；转子和轴可以采用键连接，轴采用42CrMo保证强度，轴伸和非轴伸均带花键结构。

此外，本发明实施例提供的永磁同步电动机中，定子绕组接法并联路数为6路；绕组宽距为1-11槽，每线圈其半匝长度为907；设计定子电密6.15A/mm²，取较小的电密值是为防止电机运行时产生大量的热量；定转子铁心材料为50WW400高性能低损耗硅钢片，定子绕组选用H级扁铜线制造，嵌线后经过真空压力浸漆并经过沉浸工艺处理，使绕组绝缘强度增加，满足H级绝缘等级要求。

电动矿车用永磁同步电动机要适应极端恶劣的环境，对电动机整机结构强度的可靠性和轴承使用寿命提出较高要求。本发明所用电机机座采用Q235钢板整体焊接，经退火和振动时效处理，再进行机械加工。前后端盖均采用整体钢板切割下料，经过校平和时效处理后再进行机械加工，保证其刚度和强度。

本发明实施例再提供一种大功率电动矿车，包括：如上述任一项所述的永磁同步电动机。

相对于现有技术，本发明实施例所述的大功率电动矿车具有以下优势：

本发明实施例提供的大功率电动矿车中，由于设置有如上述所述的永磁同步电动机，因此能够有效改善整车结构、降低驱动系统重量、降低故障发生率、降低运行成本、并有效提高矿车的实用性和可操作性。

综上所述，本发明实施例提供的永磁同步电动机及应用其的大功率电动矿车主要具有以下几点优势：

一、出线端端箍和非出线端端箍放置在定子线圈前后两端的U字型转弯内部，最大限度地增加了定子线圈和出线端端箍及非出线端端箍的接触面，从而保证线圈强度和绝缘寿命；

二、定子线圈的直线部分采用220级耐热绝缘处理以对定子线圈进行绝缘加强，并采用热膨胀垫条对定子线圈的槽底和槽楔底部分别进行垫紧；

三、前后轴承均采用内外迷宫封环结构加密封胶垫结构，轴承内圈采用轴承内迷宫封环定位，从而加大了轴承端面的接触面，进而有效增加了轴承的可靠性；

四、线圈的端部过桥线和主电源引接线采用铜排和牢固的机械固定，从而保证了电机长期使用的可靠性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种永磁同步电动机，其特征在于，包括：由花键主轴通过转子键与转子铁心连接而成，且所述转子铁心的两端面用转子压圈压紧所述转子铁心，同时在所述转子铁心的槽内镶嵌有磁钢所构成的转子部件；以及，由定子线圈和定子压圈压紧定子铁心的两端并固定成一体的带绕组定子，且所述带绕组定子安装有带不锈钢外套的温度传感器和温度开关，以对所述带绕组定子的温度进行实时检测；

所述花键主轴的前后轴承位置分别装配有前内轴承盖和后内轴承盖，且在所述前内轴承盖和所述后内轴承盖的配合处分别装配有前内迷宫环油封环和后内迷宫环油封环；同时，在所述花键主轴的延伸端热套有前轴承和绝缘轴承作为铁路牵引电机用轴承，且所述前轴承和所述绝缘轴承的外圈具有氧化铝涂层；

所述前轴承和所述绝缘轴承的外圈分别装配有前端盖和后端盖，且在所述前端盖和所述后端盖的配合处分别装配有前外迷宫环油封环和后外迷宫环油封环，同时在所述前外迷宫环油封环和所述后外迷宫环油封环的配合位置装配有前外轴承盖和后外轴承盖；

所述前端盖和所述后端盖的内侧，并与所述前内轴承盖和所述后内轴承盖的配合面处设有第一密封胶垫进行圆周密封；所述前端盖和所述后端盖的外侧，与所述前外轴承盖和所述后外轴承盖的配合面处设有第二密封胶垫进行圆周密封；

所述前外轴承盖和所述后外轴承盖装配有轴承测温元件，且所述轴承测温元件用于实时监控轴承的运行温度；同时，所述前外轴承盖和所述后外轴承盖装配有不停机加油装置。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电动机，其特征在于，所述转子铁心的轭部均匀分布有转子通风孔。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电动机，其特征在于，所述磁钢采用V字型方式进行分布。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的永磁同步电动机，其特征在于，所述转子压圈的两端对称设置有平衡槽。

5.根据权利要求4所述的永磁同步电动机，其特征在于，所述花键主轴安装有编码器，且所述编码器用于进行测速以实现闭环控制。

6.根据权利要求1所述的永磁同步电动机，其特征在于，所述定子线圈的直线部分采用220级耐热绝缘处理以对所述定子线圈进行绝缘加强，并采用热膨胀垫条对所述定子线圈的槽底和槽楔底部分别进行垫紧。

7.根据权利要求1或6所述的永磁同步电动机，其特征在于，所述定子线圈的一端采用出线端绑扎绳及出线端端箍进行固定，另一端采用非出线端绑扎绳及非出线端端箍进行固定。

8.根据权利要求7所述的永磁同步电动机，其特征在于，所述出线端端箍和所述非出线端端箍放置在所述定子线圈前后两端的U字型转弯内部。

9.根据权利要求8所述的永磁同步电动机，其特征在于，所述定子线圈的头尾分别焊接至U相环铜排、V相环铜排和W相环铜排，并按相序分别焊接U相引线铜排、V相引线铜排和W相引线铜排；

所述U相环铜排、所述V相环铜排和所述W相环铜排均匀固定，且中间采用绝缘块分别进行隔离支撑；所述U相引线铜排、所述V相引线铜排和所述W相引线铜排包扎绝缘后引入接线盒内。

10.一种大功率电动矿车，其特征在于，包括：如上述权利要求1-9中任一项所述的永磁同步电动机。

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