永磁同步直驅(qū)電機(jī)懸掛模式研究*

羅湘萍 張文超 吳凱樺

（同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上?！蔚谝蛔髡撸苯淌冢?/p>

傳統(tǒng)異步交流電機(jī)輸出特性與輪對需求不匹配，需設(shè)置變速箱作為中間傳動環(huán)節(jié)對力矩和速度進(jìn)行調(diào)整。該機(jī)械環(huán)節(jié)帶來了能量傳遞損耗、質(zhì)量和噪聲增加等一系列問題。而永磁同步電機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、功率密度大、低速輸出轉(zhuǎn)矩大、效率高、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，其輸出特性適用于直驅(qū)模式。采用永磁同步電機(jī)直接輪驅(qū)或軸驅(qū)，可取消變速箱，簡化動力驅(qū)動系統(tǒng)，減少效率損失，降低維護(hù)量和傳動噪聲。永磁直驅(qū)電機(jī)替代傳統(tǒng)異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)傳動系統(tǒng)升級正成為技術(shù)發(fā)展的趨勢。

永磁同步直驅(qū)電機(jī)懸掛有多種模式，其中最主要的是架懸和軸懸模式。永磁同步直驅(qū)電機(jī)軸懸模式下的電機(jī)質(zhì)量全部由車軸承擔(dān)，屬簧下質(zhì)量。永磁同步直驅(qū)電機(jī)架懸模式下的電機(jī)懸掛于構(gòu)架上，輸出力矩通過獨(dú)立空心軸傳遞至車軸，電機(jī)質(zhì)量由構(gòu)架完全承擔(dān)，屬簧上質(zhì)量。驅(qū)動裝置質(zhì)量分配于簧下的量級直接影響軌道交通車輛高速運(yùn)行時(shí)的振動沖擊及噪聲大小。

本文針對下一代140 km/h城市軌道交通車輛，在相同線路條件和運(yùn)行速度下，就永磁同步直驅(qū)電機(jī)架懸和軸懸2種技術(shù)模式進(jìn)行輪軌垂向沖擊作用力計(jì)算分析，以作用力指標(biāo)確定永磁同步直驅(qū)電機(jī)懸掛優(yōu)選方案。

1 永磁同步直驅(qū)電機(jī)懸掛模式

（1）永磁同步直驅(qū)電機(jī)軸懸模式。德國西門子公司2007年研發(fā)了新一代城市軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架Syntegra（見圖1）。Syntegra轉(zhuǎn)向架采用永磁同步電機(jī)軸懸直驅(qū)方式，電機(jī)轉(zhuǎn)子即車軸，電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接施加在車軸上，傳動效率高。軸箱與電機(jī)定子采用一體化設(shè)計(jì)，軸箱內(nèi)置，電機(jī)定子與軸箱共用1對一體式軸承，驅(qū)動裝置沒有其他附加機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較為簡單。為了保持轉(zhuǎn)子與定子之間的小氣隙，需要轉(zhuǎn)子軸有足夠的剛度，因而車軸直徑較大，顯著增加了簧下質(zhì)量。

（2）永磁同步直驅(qū)電機(jī)架懸模式。德國在高速列車上也成功試驗(yàn)了永磁電機(jī)直驅(qū)技術(shù)。早期在ICE3的技術(shù)要求和規(guī)格基礎(chǔ)上研制了2臺永磁同步電機(jī)驅(qū)動單元，將其用彈性懸掛的方式安裝在構(gòu)架上（見圖2），電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩通過第一六連桿、錐形空心軸、第二六連桿、法蘭傳遞至車軸。各環(huán)節(jié)均采用彈性聯(lián)接，加上錐形空心軸的使用，使得整套驅(qū)動裝置具有一定的動態(tài)變位能力。空心軸六連桿機(jī)構(gòu)的徑向剛度較大，轉(zhuǎn)動過程中的偏心很小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造及維修成本較高。

圖1 德國永磁同步電機(jī)軸懸結(jié)構(gòu)圖［1］

軸懸和架懸模式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，本文的重點(diǎn)旨在分析不同懸掛模式對輪軌垂向作用力的影響。根據(jù)這兩種懸掛模式簧上簧下不同的質(zhì)量分布，建立相應(yīng)的輪軌垂向沖擊作用力計(jì)算模型，分析在相同線路條件和運(yùn)行速度下的輪軌垂向作用力。

2 輪軌滾動接觸瞬態(tài)計(jì)算建模

道岔、軌縫、波磨、輪對的多邊形磨耗等因素都將引起輪軌垂向沖擊作用。分析不同永磁同步直驅(qū)電機(jī)懸掛模式對垂向作用力的影響只需在諸多因素中選擇1種因素作為分析基準(zhǔn)即可。

隨著軌道交通的發(fā)展，為了降低輪軌沖擊力，減小振動沖擊噪聲，焊接無縫鋼軌已得到廣泛應(yīng)用；波磨、輪對多邊形磨耗等屬于后期運(yùn)行中產(chǎn)生的局部病害，可通過打磨和鏇輪加以控制。道岔是軌道交通線路的關(guān)鍵設(shè)備，不可或缺。高速鐵路道岔采用可動岔心，消除了有害空間，而城市軌道交通線路采用的道岔均為普通道岔，客觀上存在物理有害空間。故選擇考量軌道交通車輛直線全速通過道岔時(shí)車輪與道岔間的垂向作用力對論證永磁同步電機(jī)直驅(qū)模式的可用性和適用性具有普遍參照意義。

2.1 輪軌滾動接觸有限元模型

由于輪軌系統(tǒng)相對輪對中心線所處的垂向平面具有對稱性，故只建立單輪單軌的垂向模型。

依據(jù)車輪踏面和道岔結(jié)構(gòu)，利用HyperMesh前處理軟件，采用實(shí)體單元對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元網(wǎng)格建模。在HyperMesh中施加約束和載荷后，再導(dǎo)出至Ls-dyna軟件中解算，由Ls-dyna軟件進(jìn)行后處理得到分析結(jié)果。軌縫模型，如圖3所示。其中車輪采用LMA型踏面，鋼軌使用60 kg/m鋼軌。

在有限元建模中，將軌道交通車輛簧上質(zhì)量簡化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)通過一系懸掛在軸箱處與輪對相連，以質(zhì)量點(diǎn)代替簧上質(zhì)量。永磁同步電機(jī)軸懸直驅(qū)時(shí)，簧下質(zhì)量相對于永磁同步電機(jī)架懸直驅(qū)時(shí)增加了電機(jī)自身質(zhì)量。通過分配不同的簧上簧下質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)不同懸掛模式的參數(shù)建立。

2.2 輪軌滾動接觸計(jì)算模型驗(yàn)證

鋼軌接頭是鐵路線路3大薄弱環(huán)節(jié)之一。20世紀(jì)七八十年代以來，國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)對軌道交通車輛車輪通過鋼軌接頭沖擊進(jìn)行了實(shí)測，獲得了具有參考價(jià)值的車輪過鋼軌接頭輪軌力變化曲線［3］。采用單車輪過軌縫的仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證所采用的研究方法是否能夠準(zhǔn)確模擬車輪通過道岔的瞬態(tài)行為。

圖3 輪軌瞬態(tài)滾動接觸有限元模型

采用單輪模型，將軌道由道岔更替為帶軌縫的單邊鋼軌，有限元模型如圖3a）所示。

計(jì)算過程對車輪施加初始運(yùn)動速度，將獲得瞬時(shí)顯式解的沖擊計(jì)算結(jié)果（見圖4 a））與輪軌實(shí)測結(jié)果［3］（見圖 4 b））對比。由此可見，利用 LS-Dyna軟件以顯式時(shí)間積分方法求解所得的輪軌垂向接觸力與文獻(xiàn)［3］的輪軌實(shí)測結(jié)果變化規(guī)律基本一致。

3 輪軌滾動接觸瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果與分析

圖4 單車輪過軌縫計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比圖

3.1 輪軌滾動接觸計(jì)算工況

通過考察軌道交通車輛以不同速度等級通過道岔轍叉區(qū)時(shí)車輪與軌道間的垂向沖擊力，來研究論證永磁同步電機(jī)直驅(qū)模式選擇。分析輪軌瞬態(tài)接觸時(shí)，車輛運(yùn)行速度設(shè)為80 km/h、100 km/h、120 km/h、140 km/h共4個(gè)等級，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同速度下輪軌滾動接觸瞬態(tài)垂向力

3.2 輪軌滾動接觸計(jì)算結(jié)果與分析

采用上述模型計(jì)算不同工況得到輪軌接觸瞬態(tài)響應(yīng)結(jié)果見表1，典型工況結(jié)果見圖5。

結(jié)合圖5及表1的數(shù)據(jù)可知：

（1）車輪以一定速度通過轍叉區(qū)的有害空間時(shí)，會產(chǎn)生較大的輪軌垂向沖擊力。不論采用何種驅(qū)動模式，沖擊力大小會隨著速度的提高明顯增大。

（2）當(dāng)車輛運(yùn)行速度為80 km/h時(shí)，永磁電機(jī)架懸模式下，輪軌間的最大垂向作用力為213.5 kN；永磁電機(jī)軸懸模式下，輪軌間的最大垂向作用力為255.7 kN，兩者相差并不顯著。

（3）當(dāng)車輛運(yùn)行速度為140 km/h時(shí)，永磁電機(jī)架懸模式下，輪軌間的最大垂向作用力為329.4 kN；永磁電機(jī)軸懸模式下，輪軌間的最大垂向作用力為433.3 kN，兩者相差較大。

圖5 永磁同步電機(jī)架懸與軸懸直驅(qū)輪軌垂向力

（4）從輪軌沖擊力角度分析，80 km/h速度等級下，這兩種模式均可采用，但軸懸模式的轉(zhuǎn)子軸永磁體處于簧下，將受到的較大振動沖擊，存在易退磁的風(fēng)險(xiǎn)。

（5）隨著運(yùn)行速度提高，永磁電機(jī)架懸模式的輪軌垂向作用力比軸懸模式的小，且轉(zhuǎn)子軸永磁體處于簧上，受振動沖擊退磁的風(fēng)險(xiǎn)也小。故本文推薦下一代140 km/h城市軌道交通車輛選擇采用永磁電機(jī)架懸直驅(qū)技術(shù)方案。

4 結(jié)論

本文建立了基于輪對踏面外形和道岔結(jié)構(gòu)的輪軌沖擊力學(xué)模型，通過分析軌道交通車輛直線通過道岔時(shí)電機(jī)不同懸掛方式下的輪軌垂向作用力，優(yōu)選適用于不同速度等級下的永磁同步電機(jī)懸掛方案。當(dāng)運(yùn)行速度較低時(shí)，綜合考慮電機(jī)懸掛結(jié)構(gòu)復(fù)雜度與輪軌作用力，優(yōu)選軸懸直驅(qū)作為電機(jī)懸掛方案；當(dāng)運(yùn)行速度較高時(shí)，主要考慮輪軌作用力及永磁體受振動沖擊退磁的風(fēng)險(xiǎn)度，優(yōu)選架懸直驅(qū)作為電機(jī)懸掛方案。

［ 1］ ANDREAS J，LARS L，MARTIN T.Syntegra○R-：Innovatives Triebfahrwerk mit Direktantrieben=Syntegra-：Innovative motor bogie technology with direct drives［J］.Zev Rail Glasers Annalen，2006，130（9）：1.

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［3］ 李定清.輪軌垂直相互動力作用及其動力響應(yīng)［J］.鐵道學(xué)報(bào)，1987（1）：1.

［4］ 聞方宇，任尊松，孫守光，等.基于ANSYS/DYNA軟件的高速車輪通過道岔的輪軌動力研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2014（3）：14.