雙動力動車組用永磁發(fā)電機研制

閻 陽，余 超

（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001）

雙動力動車組用永磁發(fā)電機研制

閻 陽，余 超

（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001）

文章主要介紹了雙動力動車組用永磁發(fā)電機的特點、技術參數(shù)、基本結構，最后對比試驗結果驗證了此電機滿足設計性能要求。

雙動力動車組；永磁發(fā)電機；技術參數(shù)；基本結構

雙動力城際動車組采用電力和油電混合動力的運行模式，可以實現(xiàn)從干線到支線、從客運專線到普通線路、從電氣化鐵路到周邊非電氣化鐵路跨線運行，可較好地解決西部欠發(fā)達地區(qū)和市郊客運的瓶頸問題。永磁發(fā)電機作為油電混合動力模式下的重要零部件，其性能的好壞直接影響到動車組在非電氣化鐵路上的安全可靠運行。文章對雙動力動車組用永磁發(fā)電機的特點、技術參數(shù)、基本結構、試驗等方面進行了詳細的介紹和說明。

1 永磁發(fā)電機的特點

隨著電力電子技術的發(fā)展，機車電機經歷了從直流電機到異步交流電機的發(fā)展歷程，隨著稀土材料的開發(fā)和應用，近些年來永磁電機逐漸在軌道交通車輛上得到應用，由于電氣化鐵路的普及，目前永磁牽引電機應用居多。但是隨著雙動力動車組的開發(fā)，結合永磁電機的諸多優(yōu)勢，永磁發(fā)電機在雙動力動車組中得到認可與應用。相比勵磁發(fā)電機，其主要特點有：①結構簡單、可靠性高。永磁發(fā)電機省去了勵磁發(fā)電機的勵磁繞組、碳刷、滑環(huán)結構等零部件，整機結構簡單，避免了勵磁繞組易燒毀、斷線，碳刷、滑環(huán)易磨損等故障，可靠性大為提高。②體積小、重量輕、功率密度大。永磁轉子結構的采用，使得發(fā)電機內部結構設計排列得很緊湊，體積、重量大為減少，功率密度大。③效率高。永磁轉子結構免去了產生轉子磁場所需的勵磁功率和碳刷、滑環(huán)之間磨擦的機械損耗，使永磁發(fā)電機效率大為提高。④全封閉式結構，適合于在潮濕或灰塵多等惡劣環(huán)境下工作，維護量小。

2 發(fā)電機技術參數(shù)

雙動力動車組發(fā)電機在油電混合動力模式下由柴油機拖動發(fā)電，經整流逆變后輸出給牽引電機以及動車組上其他設備的用電，根據(jù)整車的技術要求，永磁發(fā)電機的主要技術參數(shù)和特性曲線分別如表1和圖1所示。

表1 永磁發(fā)電機技術參數(shù)

圖1 永磁發(fā)電機負載特性曲線

3 電機結構

根據(jù)動車組的總體設計要求，永磁發(fā)電機與柴油機、冷卻換熱系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、安裝懸掛系統(tǒng)集成形成內燃動力包系統(tǒng)，懸掛于車底。柴油機通過花鍵傳動，并通過彈性聯(lián)軸節(jié)進行連接，減小柴油機的振動對發(fā)電機的影響。發(fā)電機的結構在現(xiàn)有的成熟的城際車牽引電機的基礎上，結合整車的運行工況和運行環(huán)境衍生設計而成，主要由定子、轉子、軸承裝配和附件裝配組成，如圖2所示。

圖2 永磁發(fā)電機外形結構

（1）定子。定子由機座、定子繞組、定子鐵心組成。為滿足整個動力包冷卻換熱系統(tǒng)的設計要求，機座采用并聯(lián)螺旋水道結構，降低流阻，減小壓力損失。定子鐵心采用高導磁率、低損耗的硅鋼片疊壓而成，然后將成型繞組嵌入定子槽內，帶繞組的定子鐵心采用真空壓力浸漆，滿足絕緣等級200級的要求。最后通過加熱機座的方式熱套定子鐵心。

（2）轉子。轉子采用內置式結構，轉子鐵心由硅鋼片疊壓而成，兩端通過轉子壓圈壓緊，硅鋼片和轉子壓圈上均開有減重孔。硅鋼片上設計“V”型磁路結構，磁路中的隔磁橋設計既能減小漏磁，提高電機電磁性能，同時又能保證硅鋼片的結構強度，確保電機轉動過程中能夠起到固定磁鋼的作用。磁鋼選用溫度穩(wěn)定性較好且耐高溫的釤鈷材料，提高輸出電壓的穩(wěn)定性。

圖3 端蓋散熱筋

（3）軸承裝配。軸承裝配主要用于支撐轉子，是電機結構中旋轉件和固定件之間的連接橋梁，同時也是電機安全可靠運行的重要保障。軸承裝配中的核心部件就是軸承，設計過程中需要考慮軸承的潤滑、壽命以及溫升。永磁電機受永磁體的影響，設計時必須采用全封閉結構，全封閉式結構給永磁電機的設計帶來一個難點——溫升控制，電機內部的熱量難于散發(fā)出去。溫度高會直接影響軸承的安全運行和潤滑脂的使用壽命。為此，永磁發(fā)電機對軸承配置結構進行了優(yōu)化設計，并在兩端端蓋外圍增加了散熱筋，利用走行風增加電機內部與外部的對流換熱。同時，兩端蓋上均設計了注油孔和排油孔，可以定期加注油脂，確保軸承運行過程中的良好潤滑狀態(tài)，如圖3所示。

（4）附件裝配。在電機定子繞組及兩端軸承均設計安裝溫度傳感器，實時檢測電機溫度，并在整車系統(tǒng)中設定警報值，確保動車組運行過程中電機的安全可靠性。轉速及轉子位置信號通過旋轉變壓器監(jiān)測并輸出至控制系統(tǒng)。此外，發(fā)電機輸出電壓通過交流電壓變送器實時監(jiān)測。

4 試驗結果

永磁發(fā)電機根據(jù)IEC-60349-4的要求完成了型式試驗，將設計結果與試驗結果對比，發(fā)電機的特性參數(shù)如表2所示。

表2 發(fā)電機的輸出功率

通過型式試驗發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機的輸出功率與設計值偏差不到1%，完全符合設計要求。同時，繞組的平均溫升為107.7K，能夠滿足200級絕緣體系的要求。兩端軸承溫度均不超過80℃，遠低于軸承的最高工作溫度120℃，能夠滿足軸承的運行要求。

5 結語

軌道交通電機一直在追求輕量化、體積小、效率高，永磁電機無疑在這方面具有領先優(yōu)勢，同時又具有高可靠性。通過試驗驗證，此款雙動力動車組永磁發(fā)電機符合整車的設計要求，能夠滿足雙動力動車組在油電模式下的發(fā)電需求。

［1］唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

［2］IEC60349_4電力牽引——鐵路機車車輛和公路車輛用旋轉電機——第4部分：與電子變流器連接的永磁同步電機［S］.2010.

An Introduction of the Permanent-Magnet Generator Used in the Hybrid EMU

YAN Yang，YU Chao （CRRC zhuzhou Electric Co.，Ltd.，Zhuzhou，Hunan 412001，China）

This paper mainly introduces the characteristics，technical parameters and basic structure of the permanent magnet generator used in the hybrid EMU.Finally,the test results show that the motor meets the design requirements.

Hybrid EMU；permanent-Magnet Generator；technical parameters；basic structure

F426.6

A

2095-980X（2017）04-0092-02

2017-03-23

閻陽，主要研究方向：永磁電機設計。