摘要：作为露天矿业的运输工具，电动轮矿车的作业情况较为复杂，其行驶在矿山中，工况复杂、路面不平稳，加剧了其运输的难度。因此，为保证矿车能够顺利进行运输作业，要对其牵引电机进行质量检验。所谓牵引电机是指为车辆实现正常运输提供驱动、制动的电动机，其是车辆实现运行、减速的保障，确保车辆的安全运行的关键设备。而牵引电机并不是单一的种类，而是根据其不同的传动方式分为四类，即直流牵引电机、开关磁阻牵引电机、交流异步牵引电机、永磁同步牵引电机。为探究电动轮矿车牵引电机的应用情况，本文以研究牵引电机的发展概况为起点，在分析矿车对牵引电机的研究的基础上，研究矿车牵引电机的整体运用情况，为牵引电机的发展提供一些思考。

　　关键词：电动轮矿车；牵引电机；应用现状；发展趋势

　　1矿山牵引电机车的发展

　　矿山牵引电机最早产生于德国西门子公司，距今已有一百多年的历史了，其技术水平随着科技的发展和应用需求的不断提高而不断进步，大致主要经过了三个发展阶段，即从直流串励串电阻电机车到直流串励斩波电机车，再到交流异步变频调速电机车的发展。在每个不同阶段，电机具有不同的特性，每种电机的特点也不尽相同，如直流串励串电阻电机车的承载力较好、起动性能较好、调速操作较为简单等特性。直流串励电阻电动机普遍应用在窄轨矿山的矿车中，但美国的科罗拉多州钼矿主要采用的牵引电机是他励牵引电机，但基本的窄轨矿山大多用直流串励牵引电机。但直流串励电阻牵引电机所采用的调速方式是不尽相同的，原始的调速方式主要是运用触头的开关组合在进行控制，通过蓄电池和电动机进行串并联的方式，使电动机的弱磁和电阻能够串入，但这种串电阻方式进行调速具有一定的缺点，主要表现为：

　　(1)在对牵引电机进行调速的过程中，将电阻进行串入时，串入的电能主要以热能的形式进行消耗，而这种方式在一定程度上降低了电机的效率，具有一定的局限性。

　　(2)直流串励牵引电机的电力调节，主要是通过控制电机两端的电压来进行的，而这种电压是分为不同等级的，在不同等级下的机车速度也是不一样，但这种阶梯式的调节，使得速度的变化不平滑，降低了机车运行的平稳度。

　　(3)由于直流串励牵引电机的调速主要通过串并联的方式进行，使得调速的相关线路和触头较多，容易发生损坏的现象，同时，相关设备的成本价格较高，进而不仅增加了日常的维护费，也增加了相关配件的成本投入。

　　由于直流串励电阻牵引电机存在的这些缺点，使得其在使用的过程中存在局限性。随着人们对矿车的要求不断提高和技术的进步，直流串励斩波电机车逐渐得到了一定的发展，其运用不断增多，并逐渐取代了串电阻电机车。斩波电机车解决了串流电车速度调节不流畅的问题，通过调节栅极来控制信号的占空比，进而来调节供电电压，促进变压调速的实现，也解决了运行不流畅的问题。相比于串流电机车，斩波电机车的优势更为明显，主要表现为：

　　(1)其通过变压调速的方式，提高了矿车的效率，在一定程度上能够节约能源。

　　(2)其通过运用栅极来控制信号，调节电压，能够实现无级调速，在矿车的起动和调速能够平滑进行，进而促进矿车运用的平稳运行。

　　(3)由于其使用的无机械触点，其线路较少，配件较少，使得配件的成本投入和日常维修费用较少。

　　但在斩波电机车的实际应用过程中，也存在其运用的换向器和电刷的结构问题，使得其在转速和容量上受到一定的限制。

　　随着微电子技术的不断发展，交流电机车的研究不断深入，在投入使用的过程中，不断优化其技术，其结构不断优化，通过高性能变频调速控制(如对矢量和直接转矩的控制)来实现对交流电机车的驱动。其在运用的过程中显现出体积小、承载能力强等特点，具有极大的优越性。但由于矿山相关的牵引设备并未完全技术化、智能化，使得较为先进的交流变频调速控制技术在矿山中的实际运用并不广泛。但交流电机车在轨道交通建设和铁路建设方面得到了广泛的应用，如我国的“和谐号”高铁建设充分地利用了交流异步电动机控制技术，而轨道交通建设中大多车辆也采取了交流电机车的控制技术。在实际应用的过程中，逐渐彰显了交流电机车的优越性，其通过零速制动，能够实现坡上停车、坡起等，其起动力较大，工作效率较高。

　　随着交流电机车的优势不断显现，我国相关领域一直致力于研究交流电机车在矿山牵引电机车的运用。如我国首套运用无人机驾驶的变频调速的方式来进行的矿山牵引电机车，湘潭牵引机车有限公司在反复研究、不断试验的基础上，正式上线并投入使用交流变频调速控制技术下的矿车牵引电机车。变频交流调速控制技术在矿车牵引电机车的研究效果不一，使得整体发展情况不太乐观。为不断提高矿车牵引机车的机械化、技术化，要在充分分析矿山环境的基础上，结合轨道交通建设的技术运用的经验，将变频交流调速控制技术与矿山牵引电车相结合，研究适合矿山运用的异步电车，不断提高电机车的承载力、运输力，进而提高矿山生产的整体效率，促进其利益实现最大化。

　　2矿车牵引电机的基本要求

　　矿车的主要功能是在矿山中运输矿产资源，而其运输的环境主要是露天的矿业，其运输环境较为复杂，且路况较为崎岖。因此，要保证在崎岖的工况中能够安全、顺利地完成运输任务，要对矿车牵引电机提出较高的要求。

　　2.1轻量化设计

　　作为矿车的重要组成部分，按照行业规定，对牵引电机要有严格的重量指标，即不能过轻，也不能过重，要在保证其配件的基础上，合理设计其重量，在指标内尽量减轻其重量，减轻矿车的重量，进而降低矿车的油耗，减少资源浪费。

　　2.2高效恒功区

　　按照矿车形式的规律，在不同的路面上对矿车运行的速度不尽相同，面对复杂崎岖的矿山路段，其矿车的行驶速度要比一般时速低三分之一左右，而对于承载矿产资源的矿车的运行速度要求更低，因此，要保证矿车的动力性能，要充分分析矿车在低转速的电机情况，确保其电机能够在这种情况下进入恒功点，其恒功倍数也要得到提升，进而能够实现矿车的变速运动，保证其牵引性能。

　　2.3低速大转矩

　　在确保高效恒功点，来保证矿车在高速运行时能够具备其牵引力的同时，还要确保牵引电机的低速大转矩的输出能力，进而保证其能够在低速运行时具备足够的牵引力。而矿车作为体积重大的车型，在自身车型的基础上承载较大吨位的矿产，对其牵引力的要求比较大，因而，要确保其低速大转矩的牵引性能。

　　2.4大转矩小电流

　　为不断降低矿车牵引电机的热能损耗，在保证转矩输出能力的同时，要协调其与电流的关系，转矩相同，电流小，热能损耗低。因此，要协调大转矩和电流的关系，进而提高整体效能，降低损耗，提高效益。

　　2.5环境适应性

　　由于矿车并不是在干净、舒适的环境中运行的，其牵引电机也并不是与外界环境隔离的，粉尘、铁屑等污染物的污染极大程度上影响了其牵引电机的性能，因而，要对其牵引电机进行防护，减少其受外界环境的污染，提高其使用年限。

　　3矿车牵引电机的应用现状

　　3.1直流牵引电机

　　上世纪70年代，矿车上开始引进使用直流牵引电机，1968年通用电气(GE公司)在轮毂内首次集成牵引电机和轮边减速器，形成了电动轮机构，使得电传动矿车的发展得到显著提升。纵观直流电传动系统的发展演变历史，可以发现日本小松公司研发的630E型直流电传动矿车，以及湘潭电机研发的SF31904C型矿车是主推的车型结构。

　　根据直流电机的工作程序来看，其在机械转向过程中电刷以及转换器等部件的制作比较繁琐，所以需要经常维护保养，导致它的安全性降低，对矿车牵引领域的发展具有一定阻碍作用。随着电力电子技术的发展不断成熟，矿车领域渐渐淘汰了直流牵引电机的使用。尤其是1996年GE公司在小松930E上成功使用交流电传动系统之后，矿车行业慢慢看不到直流电机的身影。

　　3.2开关磁阻牵引电机

　　开关磁阻牵引电机的应用范围狭窄的原因是其结构性能方面，存在转矩脉动大，噪声过大，以及在低速运行时性能差的弊端，使得它的应用领域主要在通用工业、小型电器以及小型电动汽车方面。作为一种大功率运输设备的矿车，它在牵引电机时通常采用转矩控制、矢量控制的方式来进行工作，这就要求电传动系统需要具备较高的转矩性能，从而确保整个车具备较好的牵引性能，司机能够有舒适的驾驶体验，从目前实际情况来看，开关磁阻牵引电机的应用尚未研发出来，有待进一步的研制。

　　3.3交流异步牵引电机

　　上世纪80年代后期，以GE公司为代表，牵引电机在电传动系统发展领域中占据一席之地。在此之后，西门子、三菱、日立等公司相继在交直交电传动系统中取得一定进展，并在矿车电传动系统中得到广泛应用。

　　交直交电传动系统将相对完备的电力电子技术应用其中，能够弥补异步牵引电机出现的变频调速的问题，从而能够成功牵引制动矿车。与此同时，为了适应矿车电转动系统转矩大、较宽的调速范围的需求，通常将交流异步牵引电机的大转矩设计成低速、宽恒功范围的外特性。经过了半个世纪的研发，在矿车领域中应用交流异步牵引电机传动系统，其特点包括简单的设计制造、可靠的技术、优良的性能，应用范围广泛，性价比高等。

　　目前在矿车电传动系统领域中主要应用的是交流异步牵引电机，但是由于异步电机转子绕组切割定子旋转磁场的物理特性，使得其在实际运行中还暴露出了一些问题：

　　(1)转子绕组切割定子旋转磁场，工作效率不高在于转子铜耗、铁耗。

　　(2)矿车满载工作时速仅能达到设计时速的30%，有时甚至在30%以下，使得很长时间内矿车牵引电机很长时间内在低速低效区内工作，导致电传动系统的效率大大降低。

　　(3)车辆自身重量加上较低功率密度的矿车交流异步牵引电机，整体变得很重，不利于轮边减速器的设计。

　　(4)IP20等级常见于矿车交流异步牵引电机防护作业中，难以适应露天矿山等工作环境恶劣的地方。如果要在金属矿山中应用，需要经过特殊处理之后方可进行。

　　3.4永磁同步牵引电机

　　永磁同步牵引电机的转子使用的材料是永磁体，这种材料的特点是效率和密度都很高，全速段效率比异步牵引电机要高，在相同大小和重量的情况下，永磁电机的转矩特性更加优良，能够使整车动力性能得到有力提升，还可以满足矿车对轮边减速器减速比的需求。随着永磁体各项技术不断发展完善，在牵引领域比如轨道交通、电动大巴、船舶推进等行业中的应用越来越广泛，但是在矿车领域中还未见商业性应用。从矿车运行的具体情况来看，在矿车中应用永磁同步牵引电机表现出了显著优势；(1)转子永磁体切割定子磁场，转子发热度不高，消除了转子铜耗、铁耗，使得工作效率得到显著提升。

　　(2)永磁同步牵引电机比交流异步牵引电机的高效区高出许多，当电机保持低速区时，在矿车中应用永磁同步牵引电机，能够将其低速段的高效特性充分发挥出来，由此电传动系统的效率大大提升。

　　(3)永磁同步牵引电机在设计上多表现为全封闭电机，这样能够适应一些恶劣的工作环境，并且在工作周期内不会出现故障，有效保证了系统的安全性和可靠性。

　　3.5并联运行电机转速和电流检测

　　通过仿真比较矢量控制和直接转矩控制两种控制方案可以得知，与矢量控制相比较，直接转矩控制系统结构比较简单，转矩响应速度也比较快，但是由于转矩在低速运行时脉动比较大，使得机车难以保持平稳的运行，除此之外，由于机车齿轮箱变化波动大，转矩脉动会随着转矩的变化而变化，导致电机车受到矿山牵引运行更不平稳。为了满足矿山牵引系统对安全性能的要求，与直接转矩控制相比较，矿山牵引电机采用矢量控制更为适宜。结合实际作业情况，考虑到空间的合理利用，矿山牵引电机车一般采用单逆变器双电机并列运行，对于并联运行的双电机牵引系统，电动机的转速和电流检测方案均有两种，现分别进行比较和分析。

　　(1)转速检测方案。转速检测的方案主要有两个，第一个是检测一台电动机转速，第二个是两台电动机转速均进行检测。如果选择第一个方案，那么光电旋转编码器只用安装一个，这样一来可以将车身长度控制在一定范围内，并且会大大降低研究成本，这种方案的弊端是另一台电动机的转速无从获得；如果采用第二个方案，那么光电旋转编码器需要两个，这样一来能够同时得到两台电动机的转速数据，这两个转速信号各有分工，负责不同的数据收集和整理工作，可以及时获取两台电动机的安全信息，便于维护和保养，能够大大提升系统的可靠性和安全性，不足之处在于投入的成本和安装难度将会大大提升。在具体操作过程中，由于机车自身体积的原因，并且出于降低成本考虑，一般采取第二种电动机检测方案。

　　(2)电流检测方案。电流检测的方案主要有两种，第一种是同时检测两台，第二种是将每台电动机进行分别检测。如果采用第一种方案，那么电流传感器和电流信号处理电路都只需要一台即可，这种方案的弊端是不能获取两台电动机的电流信号，因此对于转矩是否均衡难以做出准确判断；如果采用第二种方案，每台电动机的电流信息都可以获取，这两台电动机的电流分别参与闭环工作和监测保护工作，所以能够对转矩是否均衡做出相应判断，能够确保电动机的安全。需要注意到的是，这种方案传感器和信号处理电路各需要两套，这样一来将会使系统的成本和复杂程度得到显著提升。在具体操作过程中，出于降低成本考虑，一般采取第二种检测方案。

　　3.6矿山牵引电机车运行状态及操作运行模式设计

　　矿山牵引电机的运行状态主要有三种，分别是前进、后退以及驻车(停止)。电车保持平稳的运行，保持制动力矩在可控的区间内，达到驻车的状态，需要同时停止电机运行以及机械刹车装置。为了达到机车对运行状态的要求，控制系统一方面要结合速度模式和力矩模式，另一方面还需要借助硬件装置，只有两者都满足才能达到需求。矿山牵引电机车的司机室配备操作面板，上面有一个旋钮和手柄。旋钮上有三种指令，分别是停止、前进和后退；手柄除了基本的三种指令之外，还提供相关的位置信号。如果旋钮发出停止命令，系统将不会输出；如果手柄发出停止命令，系统也不会输出，同时不会影响电机车的正常运行；在电机车正常运行的情况下，如果手柄发出电动命令，电机车保持一定速度；如果手柄发出制动命令时，电机车根据旋钮命令呈现正向或者反向状态。

　　3.7引车车架的设计

　　需要先固定牵引车车架的轮对，实现承担牵引电机、减速器以及其他装置重量的任务；根据设计经验，牵引车车壁的厚度设计为所需的数据；车厢托架可选取一定厚度的角钢，在进行加工裁取后应用；采用适合型号的槽钢，根据这些装置的实际布置情况，焊接所需要的车架形状。由于各个要素需要不断进行协调，才能从整体上不断优化其设计，确保其车架承载力、安全的同时，不断提升其质量，降低其损耗。

　　4矿车牵引电机的发展趋势

　　根据矿车的原有结构，其对电机的要求较高，其电机要适应路况、车辆承载力等相关因素。而传统的直流牵引电机的电枢、换电器等组件，在一定程度上加剧了电机的不稳定性，降低其安全性；传统的开关磁阻电机的转矩的能效发挥较差，不能满足低速时大转矩和高速时的恒功区，进而降低了矿车的运行效果。而交流电机车能够满足矿车在低速和高速运行时的牵引效能，其效率较高，能耗较少，对安全性和节能的满足较高，因而得到较为广泛的应用。随着科技水平的不断提升，和人们节能环保意识的不断增强，对矿车节能、安全的要求逐渐提高，而高性能变频交流调速控制技术在牵引电机方面的应用会越来越成熟、使用范围也越来越广泛，进而促进矿山运输实现节能安全运输，促进矿车牵引电机不断发展。

　　5结论

　　随着人们绿色协调可持续发展理念的不断增强，人们逐渐注重对绿水青山的保护，在矿山资源的开发中，也注重绿色开发。因此，对矿车的牵引电机提出的新的技术要求，在保证运输安全的同时，也要降低能耗，促进其矿车牵引电机实现绿色、低碳运用。本文通过对矿车牵引电机中提高对高效变频交流调速控制技术的运用，提高其矿车的效率，在保证其安全的同时，最大程度上降低能耗，进而实现矿车牵引电机不断发展。