城軌車輛牽引電機(jī)減重降噪分析與研究

方彬米　曹增明　雷金

摘 要：本文研究了城軌車輛牽引電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了城軌車輛牽引電機(jī)存在的電磁噪聲、機(jī)械噪聲和電機(jī)重量過重問題，并從優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)、材料選取、齒槽配合、電磁方案，提高電機(jī)制造過程中加工和安裝工藝的精度和準(zhǔn)確性等方面給出了減重降噪的建議。

關(guān)鍵詞：城軌車輛;牽引電機(jī);減重;降噪

城軌車輛牽引電機(jī)是城軌車輛實(shí)現(xiàn)牽引和電制動(dòng)的動(dòng)力機(jī)械，完成列車牽引和電制動(dòng)。城軌車輛牽引電機(jī)設(shè)計(jì)選型特性、運(yùn)行可靠性，直接決定城軌車輛的能否運(yùn)營(yíng)及整條線路的運(yùn)營(yíng)效率。牽引電機(jī)作為城軌車輛牽引和電制動(dòng)系統(tǒng)的主要部件，牽引電機(jī)工作過程中所產(chǎn)生的電磁噪聲和機(jī)械噪聲是城軌車輛噪聲的主要來源之一，牽引電機(jī)的輕量化也是實(shí)現(xiàn)城軌車輛輕量化設(shè)計(jì)的重要影響因素。

1 城軌車輛牽引電機(jī)主要結(jié)構(gòu)

牽引電動(dòng)機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、傳動(dòng)端端蓋、軸承、總裝零件、測(cè)速裝置等幾大部件組成。

1.1 定子

定子繞組為雙層成型繞組。成型的定子線圈嵌進(jìn)定子槽中。為了得到足夠的機(jī)械強(qiáng)度、良好的電氣性能與優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，定子繞組端部用端箍以及綁扎繩固定。

電機(jī)的絕緣等級(jí)為200級(jí)，電機(jī)定子整體真空壓力浸200級(jí)無溶劑漆（VPI），然后旋轉(zhuǎn)烘焙固化。

1.2 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子有轉(zhuǎn)子沖片、導(dǎo)條、端環(huán)、轉(zhuǎn)子前后壓圈、風(fēng)扇和轉(zhuǎn)軸等組成。

轉(zhuǎn)子鐵心由50W350冷軋硅鋼板疊壓而成，兩端用壓圈壓緊。轉(zhuǎn)子沖片和壓圈上開有通風(fēng)孔。

轉(zhuǎn)子導(dǎo)條采用無氧銅，端環(huán)采用鉻鋯銅。

轉(zhuǎn)子導(dǎo)條插入槽中后，通過沖緊將導(dǎo)條固定在槽中，以克服導(dǎo)條在電機(jī)運(yùn)行中因磁拉力和離心力作用而產(chǎn)生的徑向振動(dòng)和位移。

轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與端環(huán)之間的焊接采用中頻感應(yīng)整體焊接。

轉(zhuǎn)軸采用高強(qiáng)度合金鋼40CrMo。

1.3 傳動(dòng)端端蓋

傳動(dòng)端端蓋采用球墨鑄鐵，非傳動(dòng)端端蓋采用高強(qiáng)度鋁合金鑄件。傳動(dòng)端端蓋上開有進(jìn)風(fēng)口，非傳動(dòng)端端蓋上開有出風(fēng)口。

1.4 軸承

地鐵、城軌類電機(jī)的軸承計(jì)算模式屬于平行聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動(dòng)模式。

地鐵電機(jī)軸承配置傳動(dòng)端一般采用短圓柱軸承，非傳動(dòng)端軸承一般采用球軸承。從原理上講，這一對(duì)軸承既不承受徑向力，也不需要承受軸向力。只承受電動(dòng)機(jī)質(zhì)量和聯(lián)軸節(jié)一半的質(zhì)量。

1.5 測(cè)速裝置

在電機(jī)的非傳動(dòng)端安裝有非接觸式、高精度的速度傳感器。

為了監(jiān)測(cè)電機(jī)的溫度并給控制系統(tǒng)提供電機(jī)的溫度保護(hù)信號(hào)，在定子鐵心內(nèi)裝有PT100溫度傳感器。

2 城軌車輛牽引電機(jī)噪聲和重量存在的主要問題

2.1 城軌車輛牽引電機(jī)存在的噪聲問題

城軌車輛的噪聲來源主要為輪軌噪聲和車輛牽引電機(jī)、逆變器風(fēng)機(jī)、制動(dòng)電阻風(fēng)機(jī)、空調(diào)等車輛附屬設(shè)備，詳見下圖所示。

根據(jù)GB/T_IEC60349-2電力牽引軌道機(jī)車車輛和公路車輛用旋轉(zhuǎn)電力第2部分：電子變流器供電的交流電動(dòng)機(jī)附錄C噪聲測(cè)量和限值的C.8噪聲限值為100dB（A）～115dB（A），已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了目前城軌車輛招標(biāo)要求的列車在野外以最高速度運(yùn)行時(shí)，在車輛中心離地板1.2m、1.6m高處測(cè)得的客室內(nèi)、司機(jī)室內(nèi)應(yīng)不超過75dB（A），在距軌道中心線7.5m，距軌面高1.2m、3.5m處應(yīng)不超過80dB（A）的要求。

2.2 城軌車輛牽引電機(jī)存在的重量問題

目前，城軌車輛牽引輔助系統(tǒng)的重量約占整車總重的5%，牽引電機(jī)的重量約占整車軸重的5%。在整車輕量化要求越來越嚴(yán)格的情況下，各大整車廠家對(duì)牽引電機(jī)的輕量化要求越來越高，如何在不損失牽引電機(jī)性能的條件下，進(jìn)行牽引電機(jī)的輕量化逐漸穿成為各大城軌電機(jī)生產(chǎn)廠家急需研究的問題。

3 城軌車輛牽引電機(jī)降噪措施研究

針對(duì)以上車門系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)以及危害度≥45的六種故障模式，現(xiàn)提出以下設(shè)計(jì)優(yōu)化措施：

3.1 降低電磁噪聲的方法

本研究認(rèn)為降低電磁噪聲的主要途徑有以下三個(gè)方面：

3.1.1 設(shè)計(jì)方面

在保證電機(jī)性能的前提下，對(duì)電機(jī)的風(fēng)扇進(jìn)行優(yōu)化：采用葉片不均勻分布，避免風(fēng)扇產(chǎn)生噪聲頻率的疊加，從而降低噪聲;減小風(fēng)扇扇葉外徑，可以有效的降低噪聲。

從結(jié)構(gòu)上不能將整周均進(jìn)行拓展，但至少可以將出風(fēng)角的部分?jǐn)U大，進(jìn)而達(dá)到減少排風(fēng)阻力的目的。同時(shí)因狹窄處是噪音的發(fā)生源，因此堵上不能拓寬的橫向排氣孔。

3.1.2 生產(chǎn)制造、質(zhì)量控制方面

采用專用帶計(jì)數(shù)設(shè)備進(jìn)行保證線圈匝數(shù)準(zhǔn)確性。

用專用漲型設(shè)備來保證線圈幾何尺寸一致性。

三相繞組的直流電阻測(cè)量判斷三相繞組值、電流是否平衡對(duì)稱等。

電機(jī)定子鐵芯、端蓋止口和軸承室等關(guān)鍵尺寸重點(diǎn)檢查，保證裝配后定、轉(zhuǎn)子同心度進(jìn)而保證氣隙均勻避免偏心。

轉(zhuǎn)子鐵心與轉(zhuǎn)軸同心，保證氣隙均勻避免偏心。

3.2 降低機(jī)械噪聲的方法

降低機(jī)械噪聲的主要措施如下：

（1）采用密封軸承結(jié)構(gòu)，防止雜物進(jìn)入軸承室;

（2）選擇合適的軸承外圈與軸承室的配合、內(nèi)圈與軸的配合，不宜太緊。保證軸承外圈與軸承室的配合在合適的游隙范圍內(nèi);

（3）確保電機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布均勻，以及轉(zhuǎn)子的制造與安裝時(shí)的圓度和同心度合格。對(duì)轉(zhuǎn)子包括風(fēng)扇進(jìn)行動(dòng)平衡校正。

3.3 降低空氣動(dòng)力噪聲的方法

降低空氣動(dòng)力噪聲的主要措施如下：

（1）對(duì)散熱良好或溫升不高的電機(jī)可取消風(fēng)扇，消除噪聲源;

（2）風(fēng)扇設(shè)計(jì)厚薄均勻、無扭曲變形、間距均勻，且應(yīng)校動(dòng)平衡;

（3）電機(jī)設(shè)計(jì)中盡量減少風(fēng)道的障礙物，留有專用風(fēng)道，采用流線形風(fēng)道，風(fēng)道的截面變化不要突然。

電機(jī)噪音的優(yōu)化是一個(gè)系統(tǒng)的平衡，主要體現(xiàn)在電機(jī)設(shè)計(jì)過程中的材料選取、齒槽配合和電磁方案的優(yōu)化，以及制造過程中加工和安裝工藝的精度和準(zhǔn)確性，包括外部控制電源的有效配合，最終可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)噪音的降低。

4 城軌車輛牽引電機(jī)減重措施研究

牽引電機(jī)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，集中在定子，轉(zhuǎn)子和端蓋等結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化。

4.1 定子結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（1）機(jī)座采用無機(jī)殼拉板式結(jié)構(gòu)焊接而成，優(yōu)化上下懸掛結(jié)構(gòu)。

（2）局部?jī)?yōu)化定子沖片形狀，增加定子通風(fēng)孔。

4.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化轉(zhuǎn)子沖片形狀，增加轉(zhuǎn)子沖片通風(fēng)孔。

4.3 端蓋優(yōu)化

端蓋優(yōu)化主要集中在軸承座和端蓋集成一體化，減少零部件數(shù)量，減輕重量。

參考文獻(xiàn)：

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