雷軍

摘要：隨著機車車輛對備用電源系統(tǒng)的升級改造，需在機車轉(zhuǎn)向架軸箱上加裝軸端發(fā)電機，傳統(tǒng)永磁同步發(fā)電機難以滿足機車轉(zhuǎn)向架安裝要求，為此開展一種新型機車軸端永磁同步發(fā)電機技術(shù)的研究。該項研究的主要技術(shù)特點為：取消傳統(tǒng)電機兩端軸承的使用，避免機車振動大造成電機軸承故障。該新型機車軸端永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、重量較輕，能夠滿足現(xiàn)有機車轉(zhuǎn)向架箱體安裝空間限制及車輛系統(tǒng)用電功率要求。該項技術(shù)研究在國內(nèi)屬于首創(chuàng)，已進行裝車試驗滿足其性能要求，其成果將在機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

鐵路機車由于需要不斷拆解編組進行無火回送，除牽引車外，其它車廂普遍缺少電源，備用的蓄電池與實際使用需求存在較大的差距，機車無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)用于機車的軸端發(fā)電機為傳統(tǒng)永磁同步發(fā)電機或永磁直流發(fā)電機，無論是從電機的功率上還是可靠性上均不能滿足使用要求，因此需要研究開發(fā)一款適用于機車的新型軸端永磁同步發(fā)電機。

根據(jù)機車轉(zhuǎn)向架箱體結(jié)構(gòu)的特點，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)電機難以滿足要求的，提出研究開發(fā)一款輸出功率不低于3kVA的高可靠性機車軸端永磁同步發(fā)電機，當機車被拖運運行時，車軸旋轉(zhuǎn)并帶動電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，永磁同步發(fā)電機發(fā)出3～5kVA電源提供給機車使用。

1 ?技術(shù)背景

1.1 現(xiàn)有技術(shù)方案

早期鐵路機車所用的軸端發(fā)電機，主要為客車提供輔助電源，普遍采用皮帶傳動，發(fā)電機掛在構(gòu)架前后兩端，在車軸處加裝皮帶輪與發(fā)電機相連。這種設(shè)計結(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)電機對轉(zhuǎn)向架改動較大，在機車轉(zhuǎn)向架上加裝十分困難。

國外的鐵路機車車軸發(fā)電機中，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。該軸承裝置價格昂貴，且供電電能太小，不足以滿足機車無火回送時用電設(shè)備的使用。

1.2 技術(shù)目的

開發(fā)一種機車軸端電源裝置：安裝在機車軸端的永磁同步發(fā)電機，可為目前的無火回送機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)電機輸出功率不低于3kVA，電機結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，有較高的可靠性和安全性，滿足機車軸端安裝和使用的要求。

2 ?技術(shù)設(shè)計方案

2.1 總體設(shè)計思路分析

通過對機車輪對安裝位置的分析，由于不能對機車車軸和機車軸箱進行大的結(jié)構(gòu)改造，只能在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進行加裝發(fā)電機，見圖1機車轉(zhuǎn)向架組裝圖，采用傳統(tǒng)類型電機存在兩大的問題：一是車軸與電機軸無法直接對接安裝，車軸與電機軸不能聯(lián)接傳遞扭矩，需要加裝過渡聯(lián)軸器，整個電機方案需要加長;二是機車輪對上軸承的游隙會比電機使用軸承的游隙大的多，機車使用的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遠小于機車軸承游隙，當電機轉(zhuǎn)軸與機車車軸硬聯(lián)接時正常運行時，很快便會將電機軸承損壞。綜上所述，傳統(tǒng)電機很難滿足要求，因此將電機設(shè)計成無軸承結(jié)構(gòu)的電機。

根據(jù)與機車轉(zhuǎn)向架聯(lián)接技術(shù)接口要求，安裝時不能改動原車軸上的現(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)計轉(zhuǎn)子可替代壓板，安裝于原軸端壓板處，設(shè)計定子可替代原軸箱端蓋，通過機車的原螺栓與車軸、軸箱聯(lián)軸安裝，實現(xiàn)軸端永磁同步發(fā)電機隨車運行時發(fā)電的功能。

2.2 主要性能參數(shù)計算

采用Ansoft軟件實施電機電磁方案計算，發(fā)現(xiàn)電機輸出功率的難點主要是機車在低速運行時要求電機輸出3kVA電源，由于該電機安裝在車軸上，車軸的軸承游隙大且轉(zhuǎn)向架本身的振幅大，電機的氣隙必須足夠的大，但氣隙大影響電機的氣隙磁密，導(dǎo)致相同體積大小電機輸出功率不夠，由于電機最大體積已經(jīng)限定了，因此需要找到一個設(shè)計氣隙平衡點，為防止電機出現(xiàn)掃膛，電機最小氣隙不能小于1.5mm，在功率允許的情況下盡量加大氣隙，通過計算得出氣隙在2mm時可滿足電機設(shè)計要求。經(jīng)過優(yōu)化計算得到以下數(shù)據(jù)滿足其電機性能要求，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 電機結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

2.3.1 電機定子

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，用來產(chǎn)生感應(yīng)電勢。將嵌線定子過盈壓裝在機座上，再將機座通過螺栓固定在轉(zhuǎn)向架的軸箱上，機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)計成空心杯的形式，主要由空心軸、永磁體、防護圈和轉(zhuǎn)子擋板組成，其結(jié)構(gòu)包括。本電機設(shè)計與傳統(tǒng)電機最大的區(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)計原則。

2.3.3 電機軸

電機軸設(shè)計成空心軸，在安裝端進行止口定位設(shè)計，通過螺栓實現(xiàn)與車軸軸端之間連接固定，避免對車軸的改動，方便轉(zhuǎn)子的固定及安裝。將空心軸外圓上設(shè)計均布的槽形，用于安裝固定永磁體，省去轉(zhuǎn)子沖片，簡單可靠。

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，相鄰永磁體磁場方向相反。

2.3.5 防護圈

設(shè)計防護圈和轉(zhuǎn)子擋板對永磁體進行固定和防護，防護圈采用隔磁材料，將永磁體通過防護圈套裝在空心軸上，再壓入轉(zhuǎn)子擋板在空心軸上，轉(zhuǎn)子擋板、防護圈和空心軸焊接成一個整體。

2.3.6 密封性結(jié)構(gòu)設(shè)計

軸端永磁同步發(fā)電機通過沿用機車軸箱端蓋的密封設(shè)計原理，在機座與軸箱，機座與端蓋的端蓋采用O型密封圈的設(shè)計結(jié)構(gòu)，保障電機內(nèi)部的密封性，實現(xiàn)防塵、防水等功能。

3 ?技術(shù)特點分析

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

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

③發(fā)電機采用永磁技術(shù)使該電機功率密度高，體積小，重量輕，機車軸端直接裝配發(fā)電機，節(jié)省運動傳遞機構(gòu)，使發(fā)電機裝置變得更簡單，安裝空間更小，電機成本低。

4 ?試驗驗證

將軸端永磁同步發(fā)電機安裝在韶4機車上進行裝車驗證，通過安裝導(dǎo)向桿將電機順利安裝在機車上，軸端永磁同步發(fā)電機安裝圖，安裝后進行試車運行，發(fā)電機正常發(fā)電，通過帶阻性負載測試，電機性能滿足設(shè)計要求，通過試驗數(shù)據(jù)分析與計算數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)電機低速與設(shè)計值一致，高速運行區(qū)域電機輸出功率高出設(shè)計值，可進一步優(yōu)化，后續(xù)需將軸端永磁同步發(fā)電機裝車運營考核，以驗證電機的可靠性和壽命。

5 ?結(jié)語

通過機車軸端永磁同步發(fā)電機技術(shù)研究，開發(fā)的機車軸端永磁同步發(fā)電機通過裝車試驗驗證，性能達到設(shè)計要求，能夠滿足現(xiàn)有機車轉(zhuǎn)向架箱體安裝空間限制及車輛系統(tǒng)用電功率要求，解決機車無火回送時用電設(shè)備電力不足的技術(shù)問題。該軸端永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，電機成本低，具有在機車和同類型車輛上推廣應(yīng)用的價值和意義。

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