機(jī)車軸端永磁同步發(fā)電機(jī)技術(shù)研究

雷軍

摘要：隨著機(jī)車車輛對(duì)備用電源系統(tǒng)的升級(jí)改造，需在機(jī)車轉(zhuǎn)向架軸箱上加裝軸端發(fā)電機(jī)，傳統(tǒng)永磁同步發(fā)電機(jī)難以滿足機(jī)車轉(zhuǎn)向架安裝要求，為此開(kāi)展一種新型機(jī)車軸端永磁同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的研究。該項(xiàng)研究的主要技術(shù)特點(diǎn)為：取消傳統(tǒng)電機(jī)兩端軸承的使用，避免機(jī)車振動(dòng)大造成電機(jī)軸承故障。該新型機(jī)車軸端永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量較輕，能夠滿足現(xiàn)有機(jī)車轉(zhuǎn)向架箱體安裝空間限制及車輛系統(tǒng)用電功率要求。該項(xiàng)技術(shù)研究在國(guó)內(nèi)屬于首創(chuàng)，已進(jìn)行裝車試驗(yàn)滿足其性能要求，其成果將在機(jī)車及同類型車輛上具有推廣應(yīng)用的意義。

關(guān)鍵詞：軸端;軸承結(jié)構(gòu);空心轉(zhuǎn)子;表貼式轉(zhuǎn)子

0 ?引言

鐵路機(jī)車由于需要不斷拆解編組進(jìn)行無(wú)火回送，除牽引車外，其它車廂普遍缺少電源，備用的蓄電池與實(shí)際使用需求存在較大的差距，機(jī)車無(wú)法提供足夠的電源供車廂相關(guān)設(shè)備和隨車人員使用，目前應(yīng)用于機(jī)車的軸端發(fā)電機(jī)為傳統(tǒng)永磁同步發(fā)電機(jī)或永磁直流發(fā)電機(jī)，無(wú)論是從電機(jī)的功率上還是可靠性上均不能滿足使用要求，因此需要研究開(kāi)發(fā)一款適用于機(jī)車的新型軸端永磁同步發(fā)電機(jī)。

根據(jù)機(jī)車轉(zhuǎn)向架箱體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，受車輛輕量化的要求，在重量和安裝空間限制下，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)難以滿足要求的，提出研究開(kāi)發(fā)一款輸出功率不低于3kVA的高可靠性機(jī)車軸端永磁同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)機(jī)車被拖運(yùn)運(yùn)行時(shí)，車軸旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)出3～5kVA電源提供給機(jī)車使用。

1 ?技術(shù)背景

1.1 現(xiàn)有技術(shù)方案

早期鐵路機(jī)車所用的軸端發(fā)電機(jī)，主要為客車提供輔助電源，普遍采用皮帶傳動(dòng)，發(fā)電機(jī)掛在構(gòu)架前后兩端，在車軸處加裝皮帶輪與發(fā)電機(jī)相連。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量及體積大，輸出的功率也大，并且此種發(fā)電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)向架改動(dòng)較大，在機(jī)車轉(zhuǎn)向架上加裝十分困難。

國(guó)外的鐵路機(jī)車車軸發(fā)電機(jī)中，F(xiàn)AG公司生產(chǎn)的軸承帶集成發(fā)電裝置，在軸承內(nèi)圈裝置永磁體作為轉(zhuǎn)子，在軸箱蓋中線圈作為定子，為軸承診斷和故障信息檢測(cè)等功能提供電源，這種設(shè)備最高輸出功率為100W，供電電源為6～14V。該軸承裝置價(jià)格昂貴，且供電電能太小，不足以滿足機(jī)車無(wú)火回送時(shí)用電設(shè)備的使用。

1.2 技術(shù)目的

開(kāi)發(fā)一種機(jī)車軸端電源裝置：安裝在機(jī)車軸端的永磁同步發(fā)電機(jī)，可為目前的無(wú)火回送機(jī)車車廂提供足夠的電源供車廂設(shè)備和隨車人員使用。發(fā)電機(jī)輸出功率不低于3kVA，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，有較高的可靠性和安全性，滿足機(jī)車軸端安裝和使用的要求。

2 ?技術(shù)設(shè)計(jì)方案

2.1 總體設(shè)計(jì)思路分析

通過(guò)對(duì)機(jī)車輪對(duì)安裝位置的分析，由于不能對(duì)機(jī)車車軸和機(jī)車軸箱進(jìn)行大的結(jié)構(gòu)改造，只能在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行加裝發(fā)電機(jī)，見(jiàn)圖1機(jī)車轉(zhuǎn)向架組裝圖，采用傳統(tǒng)類型電機(jī)存在兩大的問(wèn)題：一是車軸與電機(jī)軸無(wú)法直接對(duì)接安裝，車軸與電機(jī)軸不能聯(lián)接傳遞扭矩，需要加裝過(guò)渡聯(lián)軸器，整個(gè)電機(jī)方案需要加長(zhǎng);二是機(jī)車輪對(duì)上軸承的游隙會(huì)比電機(jī)使用軸承的游隙大的多，機(jī)車使用的FAG公司生產(chǎn)的TORL150型圓錐滾子軸承徑向游隙最大為0.26mm，而電機(jī)外形結(jié)構(gòu)的限制，選用軸承內(nèi)徑100mm圓柱滾子軸承較為合適，該軸承C4徑向游隙為0.125～0.165mm遠(yuǎn)小于機(jī)車軸承游隙，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸與機(jī)車車軸硬聯(lián)接時(shí)正常運(yùn)行時(shí)，很快便會(huì)將電機(jī)軸承損壞。綜上所述，傳統(tǒng)電機(jī)很難滿足要求，因此將電機(jī)設(shè)計(jì)成無(wú)軸承結(jié)構(gòu)的電機(jī)。

根據(jù)與機(jī)車轉(zhuǎn)向架聯(lián)接技術(shù)接口要求，安裝時(shí)不能改動(dòng)原車軸上的現(xiàn)有軸承和密封結(jié)構(gòu)，只能將軸箱端蓋和軸承端壓板拆下，因此設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子可替代壓板，安裝于原軸端壓板處，設(shè)計(jì)定子可替代原軸箱端蓋，通過(guò)機(jī)車的原螺栓與車軸、軸箱聯(lián)軸安裝，實(shí)現(xiàn)軸端永磁同步發(fā)電機(jī)隨車運(yùn)行時(shí)發(fā)電的功能。

2.2 主要性能參數(shù)計(jì)算

采用Ansoft軟件實(shí)施電機(jī)電磁方案計(jì)算，發(fā)現(xiàn)電機(jī)輸出功率的難點(diǎn)主要是機(jī)車在低速運(yùn)行時(shí)要求電機(jī)輸出3kVA電源，由于該電機(jī)安裝在車軸上，車軸的軸承游隙大且轉(zhuǎn)向架本身的振幅大，電機(jī)的氣隙必須足夠的大，但氣隙大影響電機(jī)的氣隙磁密，導(dǎo)致相同體積大小電機(jī)輸出功率不夠，由于電機(jī)最大體積已經(jīng)限定了，因此需要找到一個(gè)設(shè)計(jì)氣隙平衡點(diǎn)，為防止電機(jī)出現(xiàn)掃膛，電機(jī)最小氣隙不能小于1.5mm，在功率允許的情況下盡量加大氣隙，通過(guò)計(jì)算得出氣隙在2mm時(shí)可滿足電機(jī)設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算得到以下數(shù)據(jù)滿足其電機(jī)性能要求，主要性能參數(shù)如下：

①額定功率 ? 3～5kVA

②額定電壓 ? 110～300V

③額定電流 ? 9.5～15A

④額定頻率 ? 32～55.5Hz

⑤額定轉(zhuǎn)速 ? 245～416r/min

⑥極數(shù) ? ? ? ? 16

⑦額定效率 ? 88～82%

⑧空載電壓 ? 310～522V

⑨短路電流 ? 18.4A

2.3 電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)無(wú)軸承結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)思路，電機(jī)主要由定子組件和轉(zhuǎn)子兩大獨(dú)立部件組成，轉(zhuǎn)子直接懸掛安裝在車軸端，定子懸掛安裝在軸箱上，分別通過(guò)螺栓安裝固定，大大縮短了發(fā)電機(jī)的長(zhǎng)度，滿足減小體積和減輕重量要求，同時(shí)避免傳統(tǒng)電機(jī)軸承故障的風(fēng)險(xiǎn)，提高了發(fā)電機(jī)的可靠性。

2.3.1 電機(jī)定子

定子由定子鐵心和定子繞組組成，定子鐵心是由沖制的硅鋼片疊成，在定子鐵心槽上嵌有定子繞組，用來(lái)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。將嵌線定子過(guò)盈壓裝在機(jī)座上，再將機(jī)座通過(guò)螺栓固定在轉(zhuǎn)向架的軸箱上，機(jī)座后端安裝帶有密封圈的端蓋，具有防塵、防水效果，安全可靠。

2.3.2 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成空心杯的形式，主要由空心軸、永磁體、防護(hù)圈和轉(zhuǎn)子擋板組成，其結(jié)構(gòu)包括。本電機(jī)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)電機(jī)最大的區(qū)別在就轉(zhuǎn)子部分，刪除使用軸承的結(jié)構(gòu)，采用空心軸加表貼式永磁體，大大的減輕轉(zhuǎn)子重量，符合輕量化和高可靠性的設(shè)計(jì)原則。

2.3.3 電機(jī)軸

電機(jī)軸設(shè)計(jì)成空心軸，在安裝端進(jìn)行止口定位設(shè)計(jì)，通過(guò)螺栓實(shí)現(xiàn)與車軸軸端之間連接固定，避免對(duì)車軸的改動(dòng)，方便轉(zhuǎn)子的固定及安裝。將空心軸外圓上設(shè)計(jì)均布的槽形，用于安裝固定永磁體，省去轉(zhuǎn)子沖片，簡(jiǎn)單可靠。

2.3.4 永磁體

永磁體選用高性能稀土永磁材料，設(shè)計(jì)成瓦片弧形徑向充磁形式，在空心軸外表面徑向均勻布置，可安裝放置更多的永磁體，以提高氣隙磁密，相鄰永磁體磁場(chǎng)方向相反。

2.3.5 防護(hù)圈

設(shè)計(jì)防護(hù)圈和轉(zhuǎn)子擋板對(duì)永磁體進(jìn)行固定和防護(hù)，防護(hù)圈采用隔磁材料，將永磁體通過(guò)防護(hù)圈套裝在空心軸上，再壓入轉(zhuǎn)子擋板在空心軸上，轉(zhuǎn)子擋板、防護(hù)圈和空心軸焊接成一個(gè)整體。

2.3.6 密封性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸端永磁同步發(fā)電機(jī)通過(guò)沿用機(jī)車軸箱端蓋的密封設(shè)計(jì)原理，在機(jī)座與軸箱，機(jī)座與端蓋的端蓋采用O型密封圈的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，保障電機(jī)內(nèi)部的密封性，實(shí)現(xiàn)防塵、防水等功能。

3 ?技術(shù)特點(diǎn)分析

①通過(guò)設(shè)計(jì)空心杯式轉(zhuǎn)子，空心軸圓周上設(shè)計(jì)均布的槽形，采用瓦片弧形徑向充磁的永磁體，發(fā)電機(jī)本體內(nèi)無(wú)軸承結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子無(wú)硅鋼片結(jié)構(gòu)，極大的簡(jiǎn)化了發(fā)電要的結(jié)構(gòu)和減輕了發(fā)電機(jī)的重量，消除發(fā)電機(jī)軸承的故障風(fēng)險(xiǎn)，性能更加可靠。由于轉(zhuǎn)子上沒(méi)有沖片結(jié)構(gòu)，只有簡(jiǎn)單的空心軸，轉(zhuǎn)子的重量較小，安裝在車軸上，對(duì)車軸重量的增加基本可以忽略，因此對(duì)車軸的軸承無(wú)影響，符合設(shè)計(jì)要求。

②發(fā)電機(jī)定子固定在轉(zhuǎn)向架的軸箱上，代替了車軸的軸箱蓋，發(fā)電機(jī)機(jī)后端安裝端蓋密封，防塵、防水，安全可靠，發(fā)電機(jī)為短粗形，對(duì)車軸軸箱的軸向伸出長(zhǎng)度方向基本沒(méi)有增加，滿足空間尺寸要求。

③發(fā)電機(jī)采用永磁技術(shù)使該電機(jī)功率密度高，體積小，重量輕，機(jī)車軸端直接裝配發(fā)電機(jī)，節(jié)省運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)，使發(fā)電機(jī)裝置變得更簡(jiǎn)單，安裝空間更小，電機(jī)成本低。

4 ?試驗(yàn)驗(yàn)證

將軸端永磁同步發(fā)電機(jī)安裝在韶4機(jī)車上進(jìn)行裝車驗(yàn)證，通過(guò)安裝導(dǎo)向桿將電機(jī)順利安裝在機(jī)車上，軸端永磁同步發(fā)電機(jī)安裝圖，安裝后進(jìn)行試車運(yùn)行，發(fā)電機(jī)正常發(fā)電，通過(guò)帶阻性負(fù)載測(cè)試，電機(jī)性能滿足設(shè)計(jì)要求，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)電機(jī)低速與設(shè)計(jì)值一致，高速運(yùn)行區(qū)域電機(jī)輸出功率高出設(shè)計(jì)值，可進(jìn)一步優(yōu)化，后續(xù)需將軸端永磁同步發(fā)電機(jī)裝車運(yùn)營(yíng)考核，以驗(yàn)證電機(jī)的可靠性和壽命。

5 ?結(jié)語(yǔ)

通過(guò)機(jī)車軸端永磁同步發(fā)電機(jī)技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)的機(jī)車軸端永磁同步發(fā)電機(jī)通過(guò)裝車試驗(yàn)驗(yàn)證，性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠滿足現(xiàn)有機(jī)車轉(zhuǎn)向架箱體安裝空間限制及車輛系統(tǒng)用電功率要求，解決機(jī)車無(wú)火回送時(shí)用電設(shè)備電力不足的技術(shù)問(wèn)題。該軸端永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，電機(jī)成本低，具有在機(jī)車和同類型車輛上推廣應(yīng)用的價(jià)值和意義。

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