全封閉式自通風(fēng)異步牽引電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究*

李 新 ， 何艷芳 ， 張振偉

（1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001；中科盛創(chuàng)（青島）電氣股份有限公司，山東 青島 266009）

1 概述

現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)行站站間距短，相對(duì)于高鐵和地鐵具有啟動(dòng)加速度大、啟停頻繁等特點(diǎn)，因此決定了其牽引特性與大鐵路機(jī)車和動(dòng)車不同，大鐵路機(jī)車和動(dòng)車達(dá)到額定功率時(shí)，維持額定功率運(yùn)行，而有軌電車達(dá)到最大功率時(shí)維持最大功率恒功率運(yùn)行，然后根據(jù)電機(jī)特性進(jìn)入自然特性運(yùn)行階段。

1）國(guó)外概況。ABB應(yīng)用于100%低地板的牽引電機(jī)以平臺(tái)化方式進(jìn)行開發(fā)，包括中心高200、225系列，電機(jī)持續(xù)功率65 kW、120 kW、150 kW等各系列牽引電機(jī)供客戶選擇，并可根據(jù)具體線路的車輛載荷譜進(jìn)行電機(jī)溫升發(fā)熱等溫度場(chǎng)仿真分析，應(yīng)用于各具體項(xiàng)目分析。奧地利TSA基于一定中心高提供定制化電機(jī)，根據(jù)車輛牽引特性要求，牽引計(jì)算功率需求，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和設(shè)計(jì)優(yōu)化。目前TSA暫無國(guó)內(nèi)工廠，以整機(jī)進(jìn)口為主。捷克SKD擁有75 kW、120 kW兩款異步牽引電機(jī)，主要供給INEKON公司低地板車輛進(jìn)行電機(jī)選型。德國(guó)VEM電機(jī)在低地板車輛業(yè)務(wù)板塊主要為西門子、龐巴迪等軌道車輛供貨。同時(shí)，西門子、龐巴迪等整車企業(yè)都有自己的電機(jī)自主開發(fā)業(yè)務(wù)，西門子以齒輪箱和牽引電機(jī)組成的驅(qū)動(dòng)單元整體向外供貨[1-5]。

2）國(guó)內(nèi)概況。相關(guān)企業(yè)具有成熟的地鐵電機(jī)、高鐵電機(jī)的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，但在低地板電機(jī)開發(fā)方面，經(jīng)驗(yàn)不足，成功應(yīng)用的案例較少。湘潭電機(jī)引進(jìn)日本東洋技術(shù)進(jìn)行地鐵異步牽引電機(jī)的生產(chǎn)制造多年，目前尚未開展低地板有軌電車用異步牽引電機(jī)的開發(fā)。株洲電機(jī)在進(jìn)行車輛牽引開發(fā)時(shí)，與相關(guān)單位進(jìn)行了永磁水冷牽引電機(jī)的開發(fā)，進(jìn)行了裝車運(yùn)行。中車永濟(jì)電機(jī)開發(fā)了應(yīng)用于渾南線70%低地板的牽引電機(jī)，未大批量應(yīng)用[6-7]。

2 低地板有軌電車異步牽引電機(jī)特點(diǎn)和應(yīng)用

根據(jù)有軌電車的應(yīng)用環(huán)境要求，有軌電車主要應(yīng)用于城市軌道交通，車輛載客量最大在9人/平方米，牽引電機(jī)主要安裝于車輛底部轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，受安裝空間及電機(jī)運(yùn)行環(huán)境限制，國(guó)內(nèi)外公司提供的低地板牽引電機(jī)標(biāo)定的額定功率范圍最大不超過130 kW，在一定的線路條件和牽引系統(tǒng)配置下，基本能滿足車輛應(yīng)用技術(shù)規(guī)格參數(shù)的要求。西門子、VEM等公司提供的低地板用異步電機(jī)常用額定功率為105 kW；ABB、TSA、SKD提供的電機(jī)額定功率120 kW，ABB、TSA可標(biāo)定最大額定功率130 kW，但根據(jù)具體線路核算，已達(dá)到線路載荷的最大值。

2.1 牽引電機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

特性參數(shù)計(jì)算是異步牽引電機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要內(nèi)容。普通工頻異步電機(jī)的特性參數(shù)計(jì)算已有比較成熟的理論和方法，但由逆變器供電的異步牽引電機(jī)與工頻異步電機(jī)相比在運(yùn)行特性等方面有很大的區(qū)別，要想取得滿意的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效能，需對(duì)異步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)參數(shù)的選取、牽引電動(dòng)機(jī)與逆變器的匹配進(jìn)行討論，對(duì)牽引電機(jī)進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)和穩(wěn)態(tài)校核。

由于變頻電源輸出的諧波影響，變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的電磁負(fù)荷應(yīng)取較小的值。但是，其特殊的周圍環(huán)境，使得對(duì)其外部尺寸和重量指標(biāo)有嚴(yán)格的要求，不允許體積和重量過大，這就使得將其電磁負(fù)荷取較大值成為必要。因此，電機(jī)零部件的電氣、電磁、絕緣性能，結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度，電機(jī)冷卻方式等都是低地板有軌電車牽引電機(jī)需反復(fù)考慮的技術(shù)點(diǎn)[8-11]。

2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

目前，低地板有軌電車牽引電機(jī)中，主要以異步鼠籠牽引電機(jī)為主，如圖1所示。電機(jī)安裝于低地板車輛底面，空間狹小，靠近地面，運(yùn)行環(huán)境條件惡劣，電機(jī)以全封閉式、單端軸承支撐為主，使電機(jī)在符合車輛牽引制動(dòng)特性需求的情況下，既要滿足惡劣的環(huán)境要求，又要滿足空間安裝尺寸要求；在全封閉式自通風(fēng)結(jié)構(gòu)的前提下要確保電機(jī)溫升滿足要求。

圖1 低地板有軌電車用牽引電機(jī)

異步鼠籠牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要零部件包括：無機(jī)殼定子、銅鼠籠轉(zhuǎn)子、絕緣軸承、后端蓋、離心風(fēng)扇、前端蓋、出線盒、傳感器、定子繞組、定子鐵芯、轉(zhuǎn)軸等[12]。

圖2 牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

電機(jī)與齒輪箱構(gòu)成車輛的驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)單元通過電機(jī)后端蓋兩個(gè)吊掛點(diǎn)、齒輪箱一個(gè)吊掛點(diǎn)共同固定在車輛轉(zhuǎn)向架上。電機(jī)通過后端蓋上的兩吊掛孔固定在轉(zhuǎn)向架上，電機(jī)前端法蘭與齒輪箱法蘭面配合，螺栓緊固；電機(jī)驅(qū)動(dòng)端通過聯(lián)軸節(jié)與齒輪箱軸系聯(lián)接，組成整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的軸系。電機(jī)的軸伸端也就通過齒輪箱的軸承得以支撐。驅(qū)動(dòng)單元裝配圖如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)單元裝配圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

由于低地板有軌電車牽引電機(jī)的電氣特性、可靠性要求高，安裝尺寸空間小，全壽命周期成本低等嚴(yán)格限制，使得牽引電機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)相對(duì)普通電機(jī)提出了更高的要求，同時(shí)也促進(jìn)了相關(guān)電機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步提升。低地板異步牽引電機(jī)大部分采用全封閉式自通風(fēng)的冷卻結(jié)構(gòu)，是為了確保電機(jī)的通風(fēng)冷卻，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境隔離，確保電機(jī)的安全運(yùn)行；為減小軸向尺寸，電機(jī)采用單端支撐結(jié)構(gòu)，非驅(qū)動(dòng)端的絕緣軸承同時(shí)杜絕了電機(jī)軸電流。

3.1 電磁方案設(shè)計(jì)

根據(jù)車輛運(yùn)行的速度范圍、齒輪箱傳動(dòng)比、輪徑大小范圍確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍，并根據(jù)車輛牽引制動(dòng)要求，確定電機(jī)的牽引制動(dòng)特性，根據(jù)確定的特性要求，進(jìn)行電機(jī)電磁方案設(shè)計(jì)，確定電機(jī)的電磁負(fù)荷，在運(yùn)行速度范圍內(nèi)，電機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)滿足車輛要求。

3.2 轉(zhuǎn)子鼠籠選材與焊接

與地鐵電機(jī)不同，低地板異步牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子鼠籠采用銅導(dǎo)條和銅端環(huán)焊接結(jié)構(gòu)，考慮電機(jī)的整體性能和結(jié)構(gòu)可靠性，一般選用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、導(dǎo)電性稍遜色于純銅的合金銅導(dǎo)條和端環(huán)結(jié)構(gòu)[13]。由于電機(jī)最高轉(zhuǎn)速達(dá)到5 000 r/min以上，轉(zhuǎn)子端環(huán)與導(dǎo)條的可靠焊接是電機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，也是電機(jī)電氣性能的要求，焊接質(zhì)量好壞直接影響電機(jī)轉(zhuǎn)子鼠籠的導(dǎo)電性及整個(gè)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3.3 電機(jī)繞組絕緣

牽引電機(jī)的工作環(huán)境要求絕緣等級(jí)按200級(jí)進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)。對(duì)電磁線的絕緣薄膜材質(zhì)和介電特性、主絕緣和槽絕緣等彎折絕緣性提出了更高要求；定子絕緣漆浸漬不僅要保證電機(jī)絕緣性能，固化后需達(dá)到一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)在濕熱交變環(huán)境下，確保絕緣能滿足電機(jī)運(yùn)行要求。整個(gè)絕緣設(shè)計(jì)應(yīng)使在壽命周期內(nèi)，絕緣可靠、散熱均衡、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

3.4 電機(jī)端蓋

電機(jī)端蓋既要承受電機(jī)本身的負(fù)荷，在車輛運(yùn)行過程中還要承受輪軌傳遞來的振動(dòng)和沖擊，并且制動(dòng)拉桿的反作用力對(duì)電機(jī)后端蓋強(qiáng)度提出了更高要求，在某一轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)下，為確保電機(jī)后端蓋適應(yīng)不同規(guī)格大小的制動(dòng)拉桿反作用力，緩解振動(dòng)和沖擊影響，加強(qiáng)電機(jī)端蓋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，需采用高強(qiáng)度球墨鑄鐵結(jié)構(gòu)。端蓋的各個(gè)位置配合接口尺寸各異，導(dǎo)致端蓋是厚薄不均的結(jié)構(gòu)件，需提高模具和工藝水平，確保端蓋的鑄造和加工質(zhì)量。

3.5 電機(jī)試驗(yàn)

軌道交通用異步牽引電機(jī)試驗(yàn)按《IEC 60349-2—2010電力牽引.鐵路與道路車輛用旋轉(zhuǎn)電機(jī).第2部分：電子變流器補(bǔ)償?shù)慕涣麟妱?dòng)機(jī)》進(jìn)行，并結(jié)合牽引變流器按《IEC 61377—2016 軌道交通.鐵路車輛.牽引系統(tǒng)組合試驗(yàn)方法》進(jìn)行整車牽引系統(tǒng)的聯(lián)合測(cè)試。例如，關(guān)于電機(jī)在試驗(yàn)站溫升結(jié)果與電機(jī)逆變器聯(lián)調(diào)時(shí)的溫升不一致，主要由于電機(jī)溫升試驗(yàn)站使用的是試驗(yàn)站電源，波形畸變比聯(lián)調(diào)試驗(yàn)時(shí)牽引變流器給出電源的波形畸變小。而牽引聯(lián)調(diào)試驗(yàn)并沒有對(duì)變流器輸出電壓的波形畸變率做出要求，電機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也未對(duì)電機(jī)輸入電壓波形畸變的限制做具體要求。

4 國(guó)內(nèi)自主開發(fā)需解決的問題

1）國(guó)內(nèi)自主開發(fā)在電機(jī)方案確定階段必須詳細(xì)考慮線路網(wǎng)壓，車輛運(yùn)行的線路條件、載荷變化、站間距和運(yùn)營(yíng)站點(diǎn)時(shí)刻表等各項(xiàng)參數(shù)。線路網(wǎng)壓的波動(dòng)影響變流器對(duì)電機(jī)的牽引輸入、電機(jī)的制動(dòng)輸出，需要核算牽引電機(jī)在各種工況下的運(yùn)行特性，確保滿足車輛運(yùn)行要求的前提下，電機(jī)可靠。在綜合分析國(guó)內(nèi)外車輛線路及車輛牽引技術(shù)規(guī)格要求的前提下，進(jìn)行牽引電機(jī)產(chǎn)品的定型化設(shè)計(jì)開發(fā)，滿足大范圍的應(yīng)用環(huán)境。

2）牽引電機(jī)安裝于車輛轉(zhuǎn)向架，承受來自輪軌的振動(dòng)，對(duì)電機(jī)各零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了要求，需要結(jié)合振動(dòng)數(shù)據(jù)、使用壽命要求等進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，疲勞分析，跟蹤實(shí)際使用情況，優(yōu)化仿真分析的條件設(shè)置，使設(shè)計(jì)仿真數(shù)據(jù)更能體現(xiàn)車輛運(yùn)行環(huán)境下的電機(jī)工作狀況。

3）牽引電機(jī)零部件的加工精度直接影響電機(jī)的裝配精度及車輛接口的牢固配合，確保固定件、彈性支撐點(diǎn)的配合公差在合理范圍之內(nèi)。做好電機(jī)轉(zhuǎn)子鼠籠的焊接、定子的絕緣工藝，確保電機(jī)的定轉(zhuǎn)子具有完全的互換性。

4）在產(chǎn)品壽命周期內(nèi)，不斷收集電機(jī)運(yùn)行及維護(hù)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，為電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、全壽命周期成本分析提供可靠的數(shù)據(jù)，為全面開展低地板異步牽引電機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)交付、售后服務(wù)提供系統(tǒng)化的技術(shù)支撐。

5 結(jié)語

我國(guó)國(guó)內(nèi)擁有各類型及不同應(yīng)用行業(yè)的電機(jī)研發(fā)制造企業(yè)共計(jì)2 000~3 000家，針對(duì)各種類型的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)均有生產(chǎn)制造，并向海外出口。在電機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)、工藝設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造加工方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)。但低地板異步牽引電機(jī)以進(jìn)口和外資企業(yè)生產(chǎn)為主，牽引電機(jī)價(jià)格高居不下，加大了整車制造成本和交貨周期，不利于產(chǎn)品交付后的技術(shù)服務(wù)，增加了項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。在現(xiàn)有電機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合低地板車輛的實(shí)際需求，不斷完善電機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)等各個(gè)關(guān)鍵過程，逐步提高對(duì)牽引電機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)能力和生產(chǎn)制造質(zhì)量的把控，實(shí)現(xiàn)低地板牽引電機(jī)的國(guó)產(chǎn)化。結(jié)合國(guó)內(nèi)的材料資源、設(shè)計(jì)研發(fā)能力、生產(chǎn)制造加工能力，完全有能力掌握牽引電機(jī)的各項(xiàng)核心技術(shù)，開展低地板有軌電車的自主開發(fā)，降低牽引電機(jī)的制造成本，使電機(jī)的利潤(rùn)空間在合理范圍之內(nèi)。