滕強, 姜輝，張春紅

(大連日牽電機有限公司，遼寧大連 116100)

城軌車輛用交流異步牽引電機的研制

滕強, 姜輝，張春紅

(大連日牽電機有限公司，遼寧大連 116100)

交流異步牽引電機作為現(xiàn)代城市軌道車輛驅(qū)動系統(tǒng)的核心，日益受到用戶重視。其設計受到車輛自身結(jié)構(gòu)、運行線路等多方面因素的影響。從電磁設計、結(jié)構(gòu)設計兩方面介紹了城軌車輛用200kW交流異步牽引電機的總體設計方案，并通過試驗驗證，為實現(xiàn)公司城軌車輛用交流異步牽引電機系列化開發(fā)打下堅實的基礎。

城軌車輛;牽引電機；電磁設計；結(jié)構(gòu)設計

0 引言

隨著城市規(guī)模的不斷擴大，交通日益擁擠，各國對能源消耗和環(huán)境污染的逐漸關(guān)注，人們開始傾向于選擇綠色、快捷、安全的出行方式，城市軌道交通系統(tǒng)便完全符合這種需求，目前被各國政府大力提倡。牽引電機作為城市軌道車輛驅(qū)動系統(tǒng)的核心部件，其重要性也日益受到重視。

對于城市軌道車輛用異步牽引電機，其設計受到牽引特性、轉(zhuǎn)向架尺寸、安裝形式、齒輪傳動比等約束。不同的車輛，其運行參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)、電機的外形尺寸、功率都不盡相同[1]。這就需要根據(jù)車輛根據(jù)不同線路的運行特點進行針對性的開發(fā)。

我公司近年來相繼開發(fā)并投入使用了多個規(guī)格的礦山自卸車用交流牽引電機、礦山支線機車用牽引電機、節(jié)能與新能源車用交流牽引電機。隨著這些機型的成熟運用，我公司又開發(fā)出城軌車輛用200kW交流異步牽引電機，其性能和結(jié)構(gòu)尺寸滿足了用戶的需求。

1 電磁設計

1.1 性能選取

牽引電機是城軌車輛的動力來源，它的工作狀態(tài)直接影響車輛的運行。與傳統(tǒng)變頻調(diào)速異步電機相比，其性能上具有轉(zhuǎn)矩倍數(shù)大、過載能力強、加速和制動響應快、調(diào)速范圍寬等特點。在城軌車輛運行時，由于兩站間的距離較短，需要電機適應車輛周期性加速、減速的要求。若以車輛在兩站之間運行作為一個周期，則一周期一般包括：牽引、惰行、制動、停車四個階段。

車輛開始起步即進入牽引階段。由于城軌車輛運行速度范圍寬，牽引電機既要保證低速時的大轉(zhuǎn)矩，又要滿足最高時速所需的功率。根據(jù)整車的牽引特性及控制系統(tǒng)容量設計出最優(yōu)的電機牽引參數(shù)曲線，滿足車輛恒轉(zhuǎn)矩、恒功率、自然特性三個區(qū)域的牽引要求。

車輛開始起步至快速加速段，電機運行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，通過變壓變頻控制使電機內(nèi)部磁場始終保持在飽和狀態(tài)，最大程度利用電機鐵磁導電材料，使牽引電機充分并持續(xù)地輸出大轉(zhuǎn)矩保證車輛所需的瞬間起動和低速段強勁的加速能力。

隨著車輛速度的提升，其對加速能力的需求有所降低，電機進入恒功率區(qū)。這時電機功率維持恒定，電機的內(nèi)部磁場和輸出轉(zhuǎn)矩隨著車速的提升，逐漸減弱和下降。車輛仍處于加速過程中，但加速趨勢減緩。

車速持續(xù)提升，車輛達到最大允許車速，電機進入自然特性區(qū)。此時由于電機已處于弱磁段的尾部，內(nèi)部磁場較弱，可維持車輛額定運行，無法提供更大的加速能力[2]。最后，控制系統(tǒng)根據(jù)線路設定會擇機進行牽引和惰性狀態(tài)的切換，至此電機牽引過程結(jié)束。

表1 牽引特性參數(shù)

車輛即將到站前要減速，牽引電機進入制動狀態(tài)。制動分為自然特性段、恒轉(zhuǎn)矩段，需要滿足車輛的制動特性。

表2 制動特性參數(shù)

1.2 參數(shù)確定

根據(jù)電機整個運行區(qū)段的等效發(fā)熱，確定電機額定參數(shù)如下：電機型號：YPQ-200；相數(shù)：三相；額定功率：200kW；額定電壓：1100V AC；極數(shù)：4極；額定頻率：86Hz；工作制：S1；定子繞組連接方式：Y；絕緣等級：200級；防護等級：IP44；冷卻方式：自扇空冷；安裝方式：獨立懸掛。

2 結(jié)構(gòu)設計

2.1 機械結(jié)構(gòu)

電機結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中定子采用外壓裝結(jié)構(gòu)，鐵心為開口槽型，嵌入成型線圈繞組。機殼采用焊接結(jié)構(gòu)，既保證電機整體強度要求，還要參與電機的風路和安裝結(jié)構(gòu)。機座上部焊有堅固的鼻懸和支座使其能安裝于轉(zhuǎn)向架上。

圖1 電機結(jié)構(gòu)圖

在非驅(qū)動端設計有進風口，從車體下部獲取冷卻空氣經(jīng)過濾后進入電機內(nèi)部，首先冷卻一側(cè)繞組端部。然后，一部分經(jīng)氣隙穿過鐵心到達另一側(cè)，另一部分冷卻轉(zhuǎn)子端部導條和端環(huán)后經(jīng)轉(zhuǎn)子鐵心到達另一側(cè)。匯合后冷卻另一側(cè)繞組端部，最終進入風扇，從端蓋上的排氣孔排出。

轉(zhuǎn)子為焊接銅條式，導條采用電阻溫度系數(shù)較小的高強度銅合金，與純銅鍛制端環(huán)焊接并精加工后，套入護環(huán)提升高速運行時的端部強度。轉(zhuǎn)軸用優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛造，后經(jīng)粗加工、調(diào)質(zhì)、精加工和磨削加工而成。優(yōu)質(zhì)的材料和合理的設計要使轉(zhuǎn)軸具有高強度又有好的抗沖擊韌性。電機上部配有接線盒方便配線和維護。

2.2 軸承選取

由于該類電機軸承要承受高轉(zhuǎn)速、重負荷、高溫升、強振動等苛刻運行條件的考驗，所以軸承的選擇要有針對性，并采取相應的保護和維護措施。傳動端載荷較大，選用大尺寸的NUP型圓柱滾子軸承作為定位軸承，除承受徑向負荷外，還承擔電機軸向定位和軸向負荷。非傳動端載荷小，選用小尺寸的NU型圓柱滾子軸承。選擇時，按軸承載荷能力和極限轉(zhuǎn)速間的最佳結(jié)合確定選擇中系列軸承。

為避免定子繞組中性點電位不為零而形成的共模電壓引起的軸電流及逆變器產(chǎn)生的高次諧波對軸承的電蝕，該電機選用絕緣軸承。且兩側(cè)軸承內(nèi)外蓋分別與各自擋塵環(huán)形成無接觸式迷宮結(jié)構(gòu)，并設置有導氣通道。不僅可避免廢油脂進入電機內(nèi)部，還能防止由于兩側(cè)氣壓不等造成灰塵隨氣流進入軸承室，污染軸承潤滑脂的現(xiàn)象。

2.3 絕緣結(jié)構(gòu)

該電機由逆變器供電，波形中含大量諧波和尖峰脈沖，脈沖峰值可達基準電壓的幾倍，且波前時間短，這都對電機絕緣系統(tǒng)的絕緣強度、耐電暈能力提出了很高的要求。如表3所示，該電機絕緣材料的絕緣等級均采用200級。定子繞組采用C級真空壓力浸漆，提高電氣性能的同時也增強了整體機械強度和導熱能力。

表3 絕緣結(jié)構(gòu)表

2.4 焊接工藝

定子線圈間聯(lián)接線、極間相間聯(lián)接線均采用中頻感應焊接。焊夾夾緊后，焊機產(chǎn)生的瞬間感應高溫將聯(lián)接處填充的銀基釬料片融化，快速聯(lián)接成一體，牢固可靠，對臨近絕緣損傷小。該焊機所用焊夾采用了冷卻水降溫的方法，保證了四周絕緣材料不燒損[3]。

轉(zhuǎn)子導條與端環(huán)的焊接也采用專用的中頻感應焊機，可有效提高焊接質(zhì)量，降低成本，提高工作效率。

3 試驗驗證

3.1 負載試驗

電機額定點運行作負載性能試驗，如表4所示。從數(shù)據(jù)對比可以看出，試驗值與設計值相符。

表4 負載試驗數(shù)據(jù)

3.2 噪聲試驗

電機運行時的主要噪聲來源有：機械噪聲、電磁噪聲、風道噪聲。經(jīng)過不斷的優(yōu)化電磁結(jié)構(gòu)設計和通風設計可將噪聲控制到合理范圍內(nèi)。對電機的不同位置進行噪聲測量，測量位置如圖2所示，測量結(jié)果如表5所示，試驗結(jié)果符合用戶要求。

圖2 電機噪聲測量位置

3.3 振動試驗

電機運行時自身產(chǎn)生的振動過大不僅對自身有影響，對其相聯(lián)的設備也會造成危害。模擬實際安裝方式將電機安裝于試驗平臺，在額定轉(zhuǎn)速下對不同位置的振動速度進行測量，測量位置如圖3所示，測量結(jié)果如表6所示，試驗結(jié)果符合用戶要求。

圖3 電機振動測量位置

3.4 溫升試驗

電機在86Hz、200kW、129A、1100V供電條件下持續(xù)運行，電機的溫升為74.3K，即使考慮到諧波損耗及變流器供電的影響。電機的溫升也低于200級絕緣系統(tǒng)所允許的溫升極限。

4 結(jié)語

通過對城軌車輛用200kW交流異步牽引電機從設計、試驗等方面進行論證，得出了以下結(jié)論：(1)從性能選取、參數(shù)確定兩方面論證了電磁設計的合理性；(2)從機械結(jié)構(gòu)、軸承選取、絕緣結(jié)構(gòu)、焊接工藝四方面闡述了結(jié)構(gòu)設計的可靠性；(3)負載試驗值與設計值吻合；電機噪聲、振動符合用戶要求。電機溫升滿足使用要求。

[1] 仝力，徐國卿，陶生桂. 城市軌道車輛異步牽引電動機型譜特點及額定參數(shù)的確定[J]. 城市軌道交通研究. 1999(2):16-19.

[2] 陳世坤．電機設計[M].北京：機械工業(yè)出版社,1990.

[3] 馮蘇．GE窄軌機車牽引電機大修工藝[J]．機車車輛工藝，1999(2):19-21.

Development of AC Asynchronous Traction Motor forUrban Railway Vehicle

TengQiang,JiangHui,andZhangChunhong

(Dalian Riqian Electrical Machine Co., Ltd., Dalian 116100, China)

As core of the driving system of modern urban railway vehicle, AC asynchronous traction motor is increasingly valued by users, and its design is influenced by many factors such as vehicle structure and operating line. This paper introduces the overall design scheme of a 200kW AC asynchronous traction motor for urban railway vehicles in aspects of electromagnetic design and structural design. It laies a certain foundation for serial development of AC asynchronous traction motor of urban railway vehicle.

Urban railway vehicle;traction motor;electromagnetic design;structural design

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.02.03

TM302

A

1008-7281(2017)02-0008-004

滕強 男 1982年生；畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學電氣工程及其自動化，現(xiàn)主要從事特種牽引電機的設計及研發(fā)。

2016-11-28