城軌車輛用交流異步牽引電機(jī)的研制

滕強(qiáng), 姜輝，張春紅

(大連日牽電機(jī)有限公司，遼寧大連 116100)

城軌車輛用交流異步牽引電機(jī)的研制

滕強(qiáng), 姜輝，張春紅

(大連日牽電機(jī)有限公司，遼寧大連 116100)

交流異步牽引電機(jī)作為現(xiàn)代城市軌道車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心，日益受到用戶重視。其設(shè)計(jì)受到車輛自身結(jié)構(gòu)、運(yùn)行線路等多方面因素的影響。從電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面介紹了城軌車輛用200kW交流異步牽引電機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，為實(shí)現(xiàn)公司城軌車輛用交流異步牽引電機(jī)系列化開(kāi)發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

城軌車輛;牽引電機(jī)；電磁設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，交通日益擁擠，各國(guó)對(duì)能源消耗和環(huán)境污染的逐漸關(guān)注，人們開(kāi)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(guó)政府大力提倡。牽引電機(jī)作為城市軌道車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，其重要性也日益受到重視。

對(duì)于城市軌道車輛用異步牽引電機(jī)，其設(shè)計(jì)受到牽引特性、轉(zhuǎn)向架尺寸、安裝形式、齒輪傳動(dòng)比等約束。不同的車輛，其運(yùn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)、電機(jī)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(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的開(kāi)發(fā)。

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

1 電磁設(shè)計(jì)

1.1 性能選取

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

車輛開(kāi)始起步即進(jìn)入牽引階段。由于城軌車輛運(yùn)行速度范圍寬，牽引電機(jī)既要保證低速時(shí)的大轉(zhuǎn)矩，又要滿足最高時(shí)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(shè)計(jì)出最優(yōu)的電機(jī)牽引參數(shù)曲線，滿足車輛恒轉(zhuǎn)矩、恒功率、自然特性三個(gè)區(qū)域的牽引要求。

車輛開(kāi)始起步至快速加速段，電機(jī)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，通過(guò)變壓變頻控制使電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)始終保持在飽和狀態(tài)，最大程度利用電機(jī)鐵磁導(dǎo)電材料，使?fàn)恳姍C(jī)充分并持續(xù)地輸出大轉(zhuǎn)矩保證車輛所需的瞬間起動(dòng)和低速段強(qiáng)勁的加速能力。

隨著車輛速度的提升，其對(duì)加速能力的需求有所降低，電機(jī)進(jìn)入恒功率區(qū)。這時(shí)電機(jī)功率維持恒定，電機(jī)的內(nèi)部磁場(chǎng)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(guò)程中，但加速趨勢(shì)減緩。

車速持續(xù)提升，車輛達(dá)到最大允許車速，電機(jī)進(jìn)入自然特性區(qū)。此時(shí)由于電機(jī)已處于弱磁段的尾部，內(nèi)部磁場(chǎng)較弱，可維持車輛額定運(yùn)行，無(wú)法提供更大的加速能力[2]。最后，控制系統(tǒng)根據(jù)線路設(shè)定會(huì)擇機(jī)進(jìn)行牽引和惰性狀態(tài)的切換，至此電機(jī)牽引過(guò)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(jī)進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)。制動(dòng)分為自然特性段、恒轉(zhuǎn)矩段，需要滿足車輛的制動(dòng)特性。

表2 制動(dòng)特性參數(shù)

1.2 參數(shù)確定

根據(jù)電機(jī)整個(gè)運(yùn)行區(qū)段的等效發(fā)熱，確定電機(jī)額定參數(shù)如下：電機(jī)型號(hào)：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(jí)：200級(jí)；防護(hù)等級(jí)：IP44；冷卻方式：自扇空冷；安裝方式：獨(dú)立懸掛。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

電機(jī)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(kāi)口槽型，嵌入成型線圈繞組。機(jī)殼采用焊接結(jié)構(gòu)，既保證電機(jī)整體強(qiáng)度要求，還要參與電機(jī)的風(fēng)路和安裝結(jié)構(gòu)。機(jī)座上部焊有堅(jiān)固的鼻懸和支座使其能安裝于轉(zhuǎn)向架上。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

在非驅(qū)動(dòng)端設(shè)計(jì)有進(jìn)風(fēng)口，從車體下部獲取冷卻空氣經(jīng)過(guò)濾后進(jìn)入電機(jī)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(guò)鐵心到達(dá)另一側(cè)，另一部分冷卻轉(zhuǎn)子端部導(dǎo)條和端環(huán)后經(jīng)轉(zhuǎn)子鐵心到達(dá)另一側(cè)。匯合后冷卻另一側(cè)繞組端部，最終進(jìn)入風(fēng)扇，從端蓋上的排氣孔排出。

轉(zhuǎn)子為焊接銅條式，導(dǎo)條采用電阻溫度系數(shù)較小的高強(qiáng)度銅合金，與純銅鍛制端環(huán)焊接并精加工后，套入護(hù)環(huán)提升高速運(yùn)行時(shí)的端部強(qiáng)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(shè)計(jì)要使轉(zhuǎn)軸具有高強(qiáng)度又有好的抗沖擊韌性。電機(jī)上部配有接線盒方便配線和維護(hù)。

2.2 軸承選取

由于該類電機(jī)軸承要承受高轉(zhuǎn)速、重負(fù)荷、高溫升、強(qiáng)振動(dòng)等苛刻運(yùn)行條件的考驗(yàn)，所以軸承的選擇要有針對(duì)性，并采取相應(yīng)的保護(hù)和維護(hù)措施。傳動(dòng)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(fù)荷外，還承擔(dān)電機(jī)軸向定位和軸向負(fù)荷。非傳動(dòng)端載荷小，選用小尺寸的NU型圓柱滾子軸承。選擇時(shí)，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(diǎn)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(duì)軸承的電蝕，該電機(jī)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(wú)接觸式迷宮結(jié)構(gòu)，并設(shè)置有導(dǎo)氣通道。不僅可避免廢油脂進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，還能防止由于兩側(cè)氣壓不等造成灰塵隨氣流進(jìn)入軸承室，污染軸承潤(rùn)滑脂的現(xiàn)象。

2.3 絕緣結(jié)構(gòu)

該電機(jī)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(dá)基準(zhǔn)電壓的幾倍，且波前時(shí)間短，這都對(duì)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的絕緣強(qiáng)度、耐電暈?zāi)芰μ岢隽撕芨叩囊蟆Ｈ绫?所示，該電機(jī)絕緣材料的絕緣等級(jí)均采用200級(jí)。定子繞組采用C級(jí)真空壓力浸漆，提高電氣性能的同時(shí)也增強(qiáng)了整體機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)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(yīng)焊接。焊夾夾緊后，焊機(jī)產(chǎn)生的瞬間感應(yīng)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(duì)臨近絕緣損傷小。該焊機(jī)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(dǎo)條與端環(huán)的焊接也采用專用的中頻感應(yīng)焊機(jī)，可有效提高焊接質(zhì)量，降低成本，提高工作效率。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 負(fù)載試驗(yàn)

電機(jī)額定點(diǎn)運(yùn)行作負(fù)載性能試驗(yàn)，如表4所示。從數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值相符。

表4 負(fù)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 噪聲試驗(yàn)

電機(jī)運(yùn)行時(shí)的主要噪聲來(lái)源有：機(jī)械噪聲、電磁噪聲、風(fēng)道噪聲。經(jīng)過(guò)不斷的優(yōu)化電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和通風(fēng)設(shè)計(jì)可將噪聲控制到合理范圍內(nèi)。對(duì)電機(jī)的不同位置進(jìn)行噪聲測(cè)量，測(cè)量位置如圖2所示，測(cè)量結(jié)果如表5所示，試驗(yàn)結(jié)果符合用戶要求。

圖2 電機(jī)噪聲測(cè)量位置

3.3 振動(dòng)試驗(yàn)

電機(jī)運(yùn)行時(shí)自身產(chǎn)生的振動(dòng)過(guò)大不僅對(duì)自身有影響，對(duì)其相聯(lián)的設(shè)備也會(huì)造成危害。模擬實(shí)際安裝方式將電機(jī)安裝于試驗(yàn)平臺(tái)，在額定轉(zhuǎn)速下對(duì)不同位置的振動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量位置如圖3所示，測(cè)量結(jié)果如表6所示，試驗(yàn)結(jié)果符合用戶要求。

圖3 電機(jī)振動(dòng)測(cè)量位置

3.4 溫升試驗(yàn)

電機(jī)在86Hz、200kW、129A、1100V供電條件下持續(xù)運(yùn)行，電機(jī)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(jī)的溫升也低于200級(jí)絕緣系統(tǒng)所允許的溫升極限。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)城軌車輛用200kW交流異步牽引電機(jī)從設(shè)計(jì)、試驗(yàn)等方面進(jìn)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(shè)計(jì)的合理性；(2)從機(jī)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(shè)計(jì)的可靠性；(3)負(fù)載試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值吻合；電機(jī)噪聲、振動(dòng)符合用戶要求。電機(jī)溫升滿足使用要求。

[1] 仝力，徐國(guó)卿，陶生桂. 城市軌道車輛異步牽引電動(dòng)機(jī)型譜特點(diǎn)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(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1990.

[3] 馮蘇．GE窄軌機(jī)車牽引電機(jī)大修工藝[J]．機(jī)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(qiáng) 男 1982年生；畢業(yè)于沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化，現(xiàn)主要從事特種牽引電機(jī)的設(shè)計(jì)及研發(fā)。

2016-11-28