湘潭電機(jī)股份有限公司 錢明華

1 前言

用于軌道機(jī)車車輛和道路交通車輛上的電動(dòng)機(jī)稱之為牽引電動(dòng)機(jī)，在這些車輛上牽引電動(dòng)機(jī)最大的用途是為車輛的運(yùn)行提供所需驅(qū)動(dòng)力及為車輛減速提供所需的制動(dòng)力，使車輛完成其運(yùn)輸?shù)墓δ堋Ｒ驗(yàn)闋恳妱?dòng)機(jī)也用來驅(qū)動(dòng)上述車上的輔助設(shè)備如通風(fēng)機(jī)，空壓機(jī)、發(fā)電機(jī)組等，習(xí)慣上將用來驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)稱之為主牽引電動(dòng)機(jī)，而將用來驅(qū)動(dòng)輔助設(shè)備的電動(dòng)機(jī)叫輔助牽引電動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)上作牽引動(dòng)力使用的牽引電動(dòng)機(jī)中以直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)、直流它勵(lì)電動(dòng)機(jī)、脈流牽引電動(dòng)機(jī)、同步牽引電動(dòng)機(jī)用的最多。在上世紀(jì)80年代后，隨著GTO、GTR、IGBT等大功率、全控型電力電子器件的出現(xiàn)，三相鼠籠式交流電動(dòng)機(jī)和直線電動(dòng)機(jī)也加入了牽引電動(dòng)機(jī)的行列，其中三相鼠籠式交流電動(dòng)機(jī)幾乎在所有的調(diào)速領(lǐng)域得到應(yīng)用，并因其調(diào)速范圍大，堅(jiān)固耐用而發(fā)展迅速。而直線電機(jī)則主要用于高速磁懸浮列車和地鐵動(dòng)車上，用于地鐵動(dòng)車的主要是直線異步電動(dòng)機(jī)。目前直線電機(jī)作地鐵、輕軌和城際列車動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的比例不高，在這些領(lǐng)域內(nèi)三相交流鼠籠式電動(dòng)機(jī)使用比例最高。作為牽引電氣設(shè)備分會(huì)，在以下的篇幅中，對(duì)所屬會(huì)員生產(chǎn)的主牽引電動(dòng)機(jī)給予介紹。

2 牽引電動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)

2.1 牽引電氣設(shè)備分會(huì)所屬會(huì)員廠家生產(chǎn)的牽引電動(dòng)機(jī)主要用來驅(qū)動(dòng)地鐵、輕軌、工礦機(jī)車、電車和電動(dòng)輪自卸車等，所以牽引電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和安裝必須和減速齒輪裝置的結(jié)構(gòu)和安裝同時(shí)考慮，這對(duì)安裝空間極為有限的車底部來說是很受約束的，起、制動(dòng)頻繁的地鐵、輕軌上的制動(dòng)電阻，是個(gè)大功率的發(fā)熱器，牽引電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中本身也是個(gè)熱源，其自身需要冷卻，所以，牽引電動(dòng)機(jī)如何安裝是很困難的問題。

2.2 車輛運(yùn)行中，鐵軌或路面的一切動(dòng)力沖擊都會(huì)影響牽引電動(dòng)機(jī)，劇烈的振動(dòng)沖擊除了會(huì)對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置和其它機(jī)械連接部件造成損害外，對(duì)工礦電機(jī)車和電動(dòng)輪自卸車兩個(gè)仍是直流電動(dòng)機(jī)占絕大部分的領(lǐng)域，直流電機(jī)的換向惡化也是不可避免的。

2.3 牽引電動(dòng)機(jī)在惡劣的環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，極易受到沙塵、雨雪、油污臟物等的侵入，特別是在潮濕的礦井下運(yùn)行的窄軌工礦車，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)的絕緣性能，絕緣結(jié)構(gòu)的劣化破損，會(huì)造成牽引電動(dòng)機(jī)不能正常工作。

2.4 大型工礦電機(jī)車和在井下工作的窄軌電機(jī)車及地鐵、電動(dòng)輪自卸車都要在狹窄的空間安裝并傳遞動(dòng)力，如何周到、安全的處理是十分困難的，特別是電動(dòng)輪自卸車，牽引電動(dòng)機(jī)就裝在輪轂內(nèi)，集成度更高，傳遞的力矩又大。

2.5 由于驅(qū)動(dòng)車輛的電動(dòng)機(jī)特別是運(yùn)輸距離短的工礦電機(jī)車、地鐵、輕軌、電動(dòng)輪自卸車，它們需要頻繁的起動(dòng)、弱磁加速、降速制動(dòng)、停車、完成一個(gè)循環(huán)，又接著進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，負(fù)載的變化也是空載滿載或超載的循環(huán)，這些特點(diǎn)使?fàn)恳妱?dòng)機(jī)在運(yùn)行中產(chǎn)生過大的火花，甚至形成嚴(yán)重的環(huán)火。

3 直流牽引電動(dòng)機(jī)

3.1 直流牽引電機(jī)現(xiàn)狀

直流牽引電動(dòng)機(jī)目前在地鐵輕軌領(lǐng)域內(nèi)除現(xiàn)在尚在運(yùn)行的北京地鐵的部分凸輪車尚需要些備品直流電機(jī)外，可以說不會(huì)再推出新的機(jī)型了，但在工礦電機(jī)車和電動(dòng)輪自卸車兩個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，直流電機(jī)的生產(chǎn)仍將會(huì)延續(xù)一個(gè)較長的時(shí)期。

由于直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特性非常符合“起動(dòng)時(shí)力矩大，運(yùn)行中能自動(dòng)保持恒功率運(yùn)行”的要求，所以牽引車輛無論在國內(nèi)還是國外，都一直是串勵(lì)電動(dòng)機(jī)擔(dān)當(dāng)主角，這一地位至今沒有變。另一種他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)，通過對(duì)勵(lì)磁電流的連續(xù)調(diào)節(jié)也可以得到和直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)一樣的工作特性，但這將導(dǎo)致控制系統(tǒng)變得復(fù)雜，所以他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)只運(yùn)用在大功率的干線機(jī)車上，在窄軌工礦電機(jī)車上是不會(huì)用這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的。湘電集團(tuán)生產(chǎn)的SF3150型號(hào)154T電動(dòng)輪自卸車就是用這種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，該系統(tǒng)投產(chǎn)10多年來也不過生產(chǎn)了二十輛左右。

3.2 直流牽引電動(dòng)機(jī)的發(fā)展

雖然直流牽引電動(dòng)機(jī)在工礦電機(jī)車及電動(dòng)輪自卸車上尚占有很大的份額,但必竟在交流電傳動(dòng)技術(shù)方興未艾迅猛發(fā)展的形勢面前,呈現(xiàn)出前途渺茫的不景氣狀態(tài)，所以人們不大可能有大的興趣和力氣來開發(fā)新的直流牽引電動(dòng)機(jī)的新產(chǎn)品新技術(shù)。所以說發(fā)展也只能是改良性的完善性的局部改進(jìn)。這些改進(jìn)，主要有如下幾個(gè)方面：

a) 提高主要的重點(diǎn)產(chǎn)品的絕緣等級(jí)

重要的直流牽引電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品中原用的絕緣等級(jí)B改為更高的F級(jí)和H級(jí)絕緣。如所有牽引電機(jī)的換向器片間云母板都改用了H級(jí)粉母板，大大降低了原換向器存在的隔片松動(dòng)，高速時(shí)滑移或尺寸超差的現(xiàn)象。大部分換向器的對(duì)地絕緣用的V型絕緣套筒采用了H級(jí)塑型云母壓制，減少了換向器使用中的接地短路問題。

b) 工藝精細(xì)化提高了牽引電機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量

ZQDR-328直流電機(jī)換向器片間絕緣一直使用1.2~1.3厚的云母板片裝。在改用1.24±0.02厚的云母板后，圓周方向的尺寸控制精度大大提高，換向器片中心與電樞中的差值被嚴(yán)格控制，使電機(jī)運(yùn)行中的火花等級(jí)降低了1級(jí)以上，電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)差由原來的15r/min下降到5r/min，運(yùn)轉(zhuǎn)精度大有提高。

c) 換向片與電樞繞組的連接由錫焊改為TIG焊接，過去因錫的熔點(diǎn)低而在運(yùn)轉(zhuǎn)中的甩錫現(xiàn)象也沒有了，提高了運(yùn)行的可靠性。

d) 電刷和換向器接觸穩(wěn)定性的改進(jìn)

這個(gè)問題是對(duì)電機(jī)運(yùn)行可靠性的最大威脅，為此換向器片采用了含銀銅片，它和純銅片的比較見表1：

含銀銅片除電導(dǎo)率低于純銅外，表面耐磨性的硬度，耐熱性的軟化溫度及高溫強(qiáng)度均優(yōu)于純銅的冷拉硬銅排。

表1 不同材質(zhì)的性能

e) 采用恒壓彈簧壓指，使電刷在有效磨損量范圍內(nèi)，保持壓力的基本恒定。

f) 電刷采用兩分裂式炭刷增大電阻。

增大換向路中的阻值能使回路中電流下降，這樣在換向元件和電刷斷開時(shí)產(chǎn)生火花的能量下降。為此選用如圖1所示的分裂式電刷。

圖1 分裂式電刷

角度為120°的橡皮塊不僅能吸收震動(dòng)保證電刷和換向器的良好接觸，還能保證壓力有較好的對(duì)中性。圖2為湘電集團(tuán)生產(chǎn)的直流牽引電動(dòng)機(jī)。

4 交流異步牽引電動(dòng)機(jī)

用交流電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)地鐵列車應(yīng)該說是2000年以后的事，因此也可以說是在起步階段，湘電集團(tuán)目前在電動(dòng)輪自卸車領(lǐng)域內(nèi)采用交流電傳動(dòng)是在2008年和美合作生產(chǎn)的兩臺(tái)200t交流電動(dòng)輪自卸車上。在工礦大電機(jī)車上尚是空白，在窄軌工礦電機(jī)車方面約有10輛是由交流牽引電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，因此在地鐵輕軌領(lǐng)域是做的最好的，下面的圖3、圖4分別為YQ-180-2和YQ-180-3兩款用在北京地鐵八通線和北京地鐵十號(hào)線上的交流電動(dòng)機(jī)示圖。

交流異步三相鼠籠式牽引電動(dòng)機(jī)和普通交流電動(dòng)機(jī)相比，最大的不同是前者是由逆變器供給的非正弦波交流電源作為電機(jī)動(dòng)力來使之轉(zhuǎn)動(dòng)的。同時(shí)出于交流控制策略的需要，它和普通交流電機(jī)比較有如下區(qū)別：

a) 較高的絕緣等級(jí)，并采用真空浸漆

由于交流異步電機(jī)以非正弦交流電作動(dòng)力，所以電流中含有很大的脈沖峰值；同時(shí)逆變器換流時(shí)產(chǎn)生的過電壓沖擊，要求絕緣材料的等級(jí)達(dá)H級(jí)以上，并使用耐電暈絕緣材料以防止絕緣結(jié)構(gòu)中的空氣被高的過電壓擊穿而發(fā)生局部放電。為根治絕緣結(jié)構(gòu)中存在空氣這個(gè)致命缺陷，所以絕緣結(jié)構(gòu)件必須采用真空浸漆。

b) 較大的氣隙

因牽引電機(jī)工況惡劣，雨、雪、風(fēng)、沙均會(huì)浸入電機(jī)內(nèi)部，所以在設(shè)置有空氣過濾器的前提下，仍須設(shè)計(jì)較大氣隙，以便檢修時(shí)轉(zhuǎn)子易于抽出。

c) 較大的額定轉(zhuǎn)差率，由于動(dòng)車通常采用1C2MX2或1C4M結(jié)構(gòu)，所以車輛輪徑差對(duì)并聯(lián)運(yùn)行的牽引電動(dòng)機(jī)的負(fù)載分配有很大的影響，嚴(yán)重的會(huì)破壞電機(jī)的粘著，喪失動(dòng)力，而采用較大的額轉(zhuǎn)差率會(huì)減小這種影響。當(dāng)然這也會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電阻增大而降低電機(jī)的效率。之所以要選用較大的額定轉(zhuǎn)差率而犧牲電機(jī)的效率，是因?yàn)檗D(zhuǎn)差率的電機(jī)的力矩特性比較平緩，所以對(duì)電機(jī)的力矩較易控制。

d) 必須使用絕緣軸承

由于非正弦波電源供電及制造誤差導(dǎo)致磁場的不對(duì)稱并由此產(chǎn)生軸電流，為了防止軸承被腐蝕，所以交流變頻牽引電機(jī)必須使用絕緣軸承來固定轉(zhuǎn)子軸。圖5為成都地鐵設(shè)計(jì)的YQ-190電機(jī)交流鼠籠式電機(jī)的結(jié)構(gòu)。

圖中導(dǎo)條即為使電機(jī)有較大額定轉(zhuǎn)差率而選用的高電阻、高強(qiáng)度的銅鋅合金導(dǎo)條。端環(huán)為熱變化率較小的純銅制成的端環(huán)，它的熱膨脹率只有銅鋅合金材料的1/4左右，所以能較好地抑制變形，它們由中頻感應(yīng)裝置焊接而成。然后，在精車端環(huán)外圓后，用熱套方式裝上保持環(huán)，以保證電機(jī)轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力的作用下，仍有較高的強(qiáng)度和工作可靠性，這個(gè)結(jié)構(gòu)是中型交流牽引異步電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)，之所以要這樣做就是為了產(chǎn)生較大的額定轉(zhuǎn)差率，并較簡單的控制電機(jī)的力矩。由于轉(zhuǎn)子電阻較大，所以和普通的Y系列交流異步電動(dòng)機(jī)相比，在電壓相近、同等容量的條件下，交流牽引電機(jī)的效率要低2~3%。目前，我們生產(chǎn)的牽引交流異步電動(dòng)機(jī)單位功率質(zhì)量為3kg/kW左右，所以還有改進(jìn)完善的空間。

圖3

圖4

另外，湘電集團(tuán)還研制了混合動(dòng)力轎車用的永磁同步電動(dòng)機(jī)，如圖6所示，為開發(fā)新能源保護(hù)我們生存環(huán)境作了有益嘗試。

圖5 YQ-190交流牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖6 永磁同步電動(dòng)機(jī)