李 新 ， 何艷芳 ， 張振偉

（1.湖南鐵道職業(yè)技術學院，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)代有軌電車的運行站站間距短，相對于高鐵和地鐵具有啟動加速度大、啟停頻繁等特點，因此決定了其牽引特性與大鐵路機車和動車不同，大鐵路機車和動車達到額定功率時，維持額定功率運行，而有軌電車達到最大功率時維持最大功率恒功率運行，然后根據電機特性進入自然特性運行階段。

1）國外概況。ABB應用于100%低地板的牽引電機以平臺化方式進行開發(fā)，包括中心高200、225系列，電機持續(xù)功率65 kW、120 kW、150 kW等各系列牽引電機供客戶選擇，并可根據具體線路的車輛載荷譜進行電機溫升發(fā)熱等溫度場仿真分析，應用于各具體項目分析。奧地利TSA基于一定中心高提供定制化電機，根據車輛牽引特性要求，牽引計算功率需求，進行參數(shù)調整和設計優(yōu)化。目前TSA暫無國內工廠，以整機進口為主。捷克SKD擁有75 kW、120 kW兩款異步牽引電機，主要供給INEKON公司低地板車輛進行電機選型。德國VEM電機在低地板車輛業(yè)務板塊主要為西門子、龐巴迪等軌道車輛供貨。同時，西門子、龐巴迪等整車企業(yè)都有自己的電機自主開發(fā)業(yè)務，西門子以齒輪箱和牽引電機組成的驅動單元整體向外供貨[1-5]。

2）國內概況。相關企業(yè)具有成熟的地鐵電機、高鐵電機的開發(fā)經驗，但在低地板電機開發(fā)方面，經驗不足，成功應用的案例較少。湘潭電機引進日本東洋技術進行地鐵異步牽引電機的生產制造多年，目前尚未開展低地板有軌電車用異步牽引電機的開發(fā)。株洲電機在進行車輛牽引開發(fā)時，與相關單位進行了永磁水冷牽引電機的開發(fā)，進行了裝車運行。中車永濟電機開發(fā)了應用于渾南線70%低地板的牽引電機，未大批量應用[6-7]。

2 低地板有軌電車異步牽引電機特點和應用

根據有軌電車的應用環(huán)境要求，有軌電車主要應用于城市軌道交通，車輛載客量最大在9人/平方米，牽引電機主要安裝于車輛底部轉向架構架，受安裝空間及電機運行環(huán)境限制，國內外公司提供的低地板牽引電機標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，基本能滿足車輛應用技術規(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常用額定功率為105 kW；ABB、TSA、SKD提供的電機額定功率120 kW，ABB、TSA可標定最大額定功率130 kW，但根據具體線路核算，已達到線路載荷的最大值。

2.1 牽引電機設計要點

特性參數(shù)計算是異步牽引電機設計中的一個重要內容。普通工頻異步電機的特性參數(shù)計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與工頻異步電機相比在運行特性等方面有很大的區(qū)別，要想取得滿意的技術經濟效能，需對異步電動機電磁設計參數(shù)的選取、牽引電動機與逆變器的匹配進行討論，對牽引電機進行電磁設計和穩(wěn)態(tài)校核。

由于變頻電源輸出的諧波影響，變頻調速異步電動機的電磁負荷應取較小的值。但是，其特殊的周圍環(huán)境，使得對其外部尺寸和重量指標有嚴格的要求，不允許體積和重量過大，這就使得將其電磁負荷取較大值成為必要。因此，電機零部件的電氣、電磁、絕緣性能，結構件強度，電機冷卻方式等都是低地板有軌電車牽引電機需反復考慮的技術點[8-11]。

2.2 結構特點

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

圖1 低地板有軌電車用牽引電機

異步鼠籠牽引電機結構如圖2所示，主要零部件包括：無機殼定子、銅鼠籠轉子、絕緣軸承、后端蓋、離心風扇、前端蓋、出線盒、傳感器、定子繞組、定子鐵芯、轉軸等[12]。

圖2 牽引電機結構圖

電機與齒輪箱構成車輛的驅動單元，驅動單元通過電機后端蓋兩個吊掛點、齒輪箱一個吊掛點共同固定在車輛轉向架上。電機通過后端蓋上的兩吊掛孔固定在轉向架上，電機前端法蘭與齒輪箱法蘭面配合，螺栓緊固；電機驅動端通過聯(lián)軸節(jié)與齒輪箱軸系聯(lián)接，組成整個驅動系統(tǒng)的軸系。電機的軸伸端也就通過齒輪箱的軸承得以支撐。驅動單元裝配圖如圖3所示。

圖3 驅動單元裝配圖

3 關鍵技術

由于低地板有軌電車牽引電機的電氣特性、可靠性要求高，安裝尺寸空間小，全壽命周期成本低等嚴格限制，使得牽引電機的設計開發(fā)相對普通電機提出了更高的要求，同時也促進了相關電機技術的進一步提升。低地板異步牽引電機大部分采用全封閉式自通風的冷卻結構，是為了確保電機的通風冷卻，且內部結構與外部環(huán)境隔離，確保電機的安全運行；為減小軸向尺寸，電機采用單端支撐結構，非驅動端的絕緣軸承同時杜絕了電機軸電流。

3.1 電磁方案設計

根據車輛運行的速度范圍、齒輪箱傳動比、輪徑大小范圍確定電機的轉速范圍，并根據車輛牽引制動要求，確定電機的牽引制動特性，根據確定的特性要求，進行電機電磁方案設計，確定電機的電磁負荷，在運行速度范圍內，電機的各項指標滿足車輛要求。

3.2 轉子鼠籠選材與焊接

與地鐵電機不同，低地板異步牽引電機轉子鼠籠采用銅導條和銅端環(huán)焊接結構，考慮電機的整體性能和結構可靠性，一般選用結構強度高、導電性稍遜色于純銅的合金銅導條和端環(huán)結構[13]。由于電機最高轉速達到5 000 r/min以上，轉子端環(huán)與導條的可靠焊接是電機結構強度的要求，也是電機電氣性能的要求，焊接質量好壞直接影響電機轉子鼠籠的導電性及整個轉子的結構強度。

3.3 電機繞組絕緣

牽引電機的工作環(huán)境要求絕緣等級按200級進行絕緣設計。對電磁線的絕緣薄膜材質和介電特性、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絕緣性能，固化后需達到一定的結構強度，同時在濕熱交變環(huán)境下，確保絕緣能滿足電機運行要求。整個絕緣設計應使在壽命周期內，絕緣可靠、散熱均衡、結構強度滿足要求。

3.4 電機端蓋

電機端蓋既要承受電機本身的負荷，在車輛運行過程中還要承受輪軌傳遞來的振動和沖擊，并且制動拉桿的反作用力對電機后端蓋強度提出了更高要求，在某一轉向架結構下，為確保電機后端蓋適應不同規(guī)格大小的制動拉桿反作用力，緩解振動和沖擊影響，加強電機端蓋的結構強度，需采用高強度球墨鑄鐵結構。端蓋的各個位置配合接口尺寸各異，導致端蓋是厚薄不均的結構件，需提高模具和工藝水平，確保端蓋的鑄造和加工質量。

3.5 電機試驗

軌道交通用異步牽引電機試驗按《IEC 60349-2—2010電力牽引.鐵路與道路車輛用旋轉電機.第2部分：電子變流器補償?shù)慕涣麟妱訖C》進行，并結合牽引變流器按《IEC 61377—2016 軌道交通.鐵路車輛.牽引系統(tǒng)組合試驗方法》進行整車牽引系統(tǒng)的聯(lián)合測試。例如，關于電機在試驗站溫升結果與電機逆變器聯(lián)調時的溫升不一致，主要由于電機溫升試驗站使用的是試驗站電源，波形畸變比聯(lián)調試驗時牽引變流器給出電源的波形畸變小。而牽引聯(lián)調試驗并沒有對變流器輸出電壓的波形畸變率做出要求，電機試驗標準也未對電機輸入電壓波形畸變的限制做具體要求。

4 國內自主開發(fā)需解決的問題

1）國內自主開發(fā)在電機方案確定階段必須詳細考慮線路網壓，車輛運行的線路條件、載荷變化、站間距和運營站點時刻表等各項參數(shù)。線路網壓的波動影響變流器對電機的牽引輸入、電機的制動輸出，需要核算牽引電機在各種工況下的運行特性，確保滿足車輛運行要求的前提下，電機可靠。在綜合分析國內外車輛線路及車輛牽引技術規(guī)格要求的前提下，進行牽引電機產品的定型化設計開發(fā)，滿足大范圍的應用環(huán)境。

2）牽引電機安裝于車輛轉向架，承受來自輪軌的振動，對電機各零部件的結構強度提出了要求，需要結合振動數(shù)據、使用壽命要求等進行強度計算，疲勞分析，跟蹤實際使用情況，優(yōu)化仿真分析的條件設置，使設計仿真數(shù)據更能體現(xiàn)車輛運行環(huán)境下的電機工作狀況。

3）牽引電機零部件的加工精度直接影響電機的裝配精度及車輛接口的牢固配合，確保固定件、彈性支撐點的配合公差在合理范圍之內。做好電機轉子鼠籠的焊接、定子的絕緣工藝，確保電機的定轉子具有完全的互換性。

4）在產品壽命周期內，不斷收集電機運行及維護的各項數(shù)據，為電機的優(yōu)化設計、可靠性設計、全壽命周期成本分析提供可靠的數(shù)據，為全面開展低地板異步牽引電機的設計、生產制造、試驗交付、售后服務提供系統(tǒng)化的技術支撐。

5 結語

我國國內擁有各類型及不同應用行業(yè)的電機研發(fā)制造企業(yè)共計2 000~3 000家，針對各種類型的電動機和發(fā)電機均有生產制造，并向海外出口。在電機設計開發(fā)、工藝設計及生產制造加工方面有豐富的經驗。但低地板異步牽引電機以進口和外資企業(yè)生產為主，牽引電機價格高居不下，加大了整車制造成本和交貨周期，不利于產品交付后的技術服務，增加了項目風險。在現(xiàn)有電機技術的基礎上，結合低地板車輛的實際需求，不斷完善電機的設計研發(fā)等各個關鍵過程，逐步提高對牽引電機的設計開發(fā)能力和生產制造質量的把控，實現(xiàn)低地板牽引電機的國產化。結合國內的材料資源、設計研發(fā)能力、生產制造加工能力，完全有能力掌握牽引電機的各項核心技術，開展低地板有軌電車的自主開發(fā)，降低牽引電機的制造成本，使電機的利潤空間在合理范圍之內。