中低速磁懸浮直線牽引電機設計

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(中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南株洲 412001)

0 引言

中低速磁懸浮列車作為城市軌道交通車輛的選擇方案之一，具有如下特點[1、2]：(1)運行噪聲小，環境友好；(2)爬坡能力強，轉彎半徑小，線路設計靈活；(3)克服輪軌車輛的黏著限制、機械噪聲和磨損，降低車輛的維護費用；(4)分布式的負載支撐降低對軌道結構的要求；(5)走行部包在軌道上，運行安全，不可能出軌。正是因為這些技術特點，日本、美國、韓國等國家都在開發中低速磁懸浮列車，國內的北京S1示范線、長沙機場線即將投入商業運營。

直線牽引電機是磁懸浮車輛的關鍵部件之一，其特性直接決定了列車的運行性能。每節車設置10臺直線牽引電機(兩邊各布置5臺)，采用5串2并的方式與牽引逆變器連接，牽引逆變器輸出電壓為AC1100V。由于電機安裝在車體上，整車系統對電機的要求如下：(1)為增加列車的承載能力，電機的重量要輕；(2)電機安裝在轉向架上并承受車輛運行時傳遞的振動與沖擊，電機的結構確保要有足夠的剛度與強度；(3)電機的初級線圈裸露在外面，經受風霜雨雪、溫度和濕度的考驗，其絕緣可靠性比一般的民用電機及帶有機座的旋轉電機要求要高。

本文擬就電機的電磁設計、結構設計、制造工藝及試驗等方面進行闡述。

1 電磁設計

以所采用的電磁結構方案建立仿真模型，對直線電機的電磁特性進行分析，具體結果如下。

1.1 電磁推力隨轉差率的變化

圖1為初級電流200A，頻率為20Hz～70Hz條件下，電磁推力隨滑差率的變化曲線。由圖1可以看出，在相同的初級電流條件下，不同的轉差率影響電磁推力的大小。隨著轉差率的不斷減小(即次級速度不斷增大)，電磁推力逐漸增大并達到最大值；而在轉差率接近零時(次級速度接近同步速度)時，推力迅速減小；說明存在一個最優轉差率，此時電磁推力輸出最大。

圖1 電磁推力隨轉差率變化特性

1.2 電磁吸力隨轉差率的變化

圖2為初級電流200A，電流頻率為20Hz～70Hz條件下，電磁垂向力隨滑差率的變化曲線。在相同的初級電流條件下，垂向力隨轉差率的變化而變化，隨著轉差率的不斷減小(即次級速度不斷增大)，垂向力由排斥力逐漸減小為零后變為吸引力，并且吸引力的幅值較排斥力大很多，在轉差頻率的變化區間，基本是吸引力占據主導地位。

圖2 電磁吸力隨轉差率變化特性

1.3 電磁推力隨滑差頻率的變化

圖3為電流恒定下，起動推力隨轉差頻率的變化特性。在轉差頻率Fr=10Hz左右，起動推力達到最大值，之后，隨轉差頻率的增加起動推力增長緩慢甚至降低。仿真結果說明，單就推力輸出而言，存在一個最優轉差頻率點，在此轉差頻率點，電機推力輸出最大。同時可以看出，在仿真的速度區域內，隨著次級速度的增加，推力均是減小，但是高轉差頻率時推力波動較小，低轉差頻率時推力波動較大。

圖3 電磁推力隨滑差頻率的變化特性

1.4 電磁吸力隨滑差頻率的變化

按照研究電磁推力的方法，我們同樣可以在恒流、恒轉差頻率下對垂向力進行分析，仿真波形見圖4。從圖4可以看出，隨轉差頻率的增加，垂向力逐漸降低，且垂向力波動趨緩。在轉差頻率較低(如Fr=3Hz)時，隨次級速度的增加，垂向力由-28000N變化到-22000N，在仿真的速度范圍內垂向力變化波動很大；在轉差頻率較高(如Fr=10Hz)時，隨次級速度的增加，垂向力基本保持不變。

圖4 電磁吸力隨滑差頻率的變化特性

2 結構設計

2.1 初級鐵心結構

直線電機的初級鐵心除放置初級繞組、提供磁路的作用外，還要承擔將整個電機初級懸掛在車架上的固定作用。由于電機初級與次級感應板之間運行間隙的精度要求(初級鐵心底面平面度為1mm)。因此電機初級鐵心的設計，除考慮初級沖片電磁性能的要求外，還要進行機械受力仿真，以保證初級鐵心的剛度與強度要求。

我們在樣機試制過程中，先后進行框架結構、焊接結構及燕尾槽結構的工藝驗證及結構仿真分析(見圖5、圖6、圖7)。通過工藝驗證及仿真結果分析，確定具有較低的機械應力分布及較好工藝性燕尾槽結構初級鐵心為最終生產方案。

圖5 框架結構初級鐵心結構仿真

圖6 焊接結構初級鐵心結構仿真

圖7 燕尾槽結構初級鐵心結構仿真

2.2 絕緣結構

2.2.1 電磁線

雖然單個電機的額定電壓只有220V，但是電壓上升瞬間，逆變器的輸出1100V施加在首臺電機首個線圈上，因此初級線圈電磁線選用200級聚酰亞胺薄膜繞包燒結鋁扁線，以提高絕緣可靠性。

2.2.2 對地絕緣

初級線圈對地絕緣采用聚酰亞胺薄膜半疊包2次，粉云母帶半疊包2次，外包玻璃絲帶半疊包1次。

2.2.3 引線絕緣

初級繞組裸露在外面經受風霜雨雪、溫度、濕度的考驗，所有這些都對直線電機的絕緣系統提出嚴峻考驗[3]。其中線圈引線并頭處更是絕緣系統的薄弱環節，我們在線圈引線并頭處采用進口防水材料進行處理達到較好的防水效果。

圖8 端部并頭絕緣采用防水材料

2.2.4 槽絕緣

槽絕緣、槽底墊條、調整墊條及槽口絕緣等均采用NOMEX紙410；槽楔采用3mm厚聚酰亞胺上膠布。

2.2.5 浸漆處理

電機的絕緣系統采用200 級VPI整體浸漆, 電機絕緣的整體性好。電機經真空壓力浸漆一次, 再沉浸一次, 能保證線圈的絕緣性能及防潮、防水和耐候性, 并能提高電機鐵心的防潮性和耐候性。繞組和鐵心表面噴涂二道覆蓋絕緣漆, 可進一步提高繞組的抗污穢能力和防潮性能。

2.3 引出線處理

直線電機三線引出電纜采用銅導線，而直線電機極間引線為鋁材料，如果兩者直接連接，接觸電阻會很大，當電機長期運行、過載時，連接處會迅速升溫，輕則燒毀接頭、缺相運行等事故，重則燒毀電機、火災等。因此，我們采用經過特殊工藝處理焊接而成的銅鋁過渡接頭。

同時，由于銅與鋁的熱膨脹系數相差很大。鋁的熱膨脹系數比銅大36%左右。我們先將極間引線與銅鋁接頭鋁端焊接，待接頭熱量釋放完畢后再將引出電纜與接頭銅端焊接。

圖9 銅鋁接頭

2.4 線圈端部固定

在初級線圈嵌線完成后，將線圈端部通過固定桿、線棒綁扎、固定、整體浸漆固化為整體，可保證線圈端部具有較高的機械強度和絕緣可靠性。

3 關鍵工藝

3.1 初級鐵心的沖制與疊壓

初級鐵心的疊壓就是將一定數量的沖片疊齊、壓緊成為一個整體。然而，直線電機的初級鐵心與傳統的旋轉電機鐵心不同，其沖片較長，槽數多，難以用傳統的復沖模解決沖制精度問題，我們采用分段沖制、嚴格定位的方法來保證槽形尺寸精度。

鐵心壓裝后的尺寸準確度和表面整齊度主要取決于壓裝工具的結構和精度。我們設計的燕尾槽結構初級鐵心在壓裝時采用槽樣棒定位，保證了槽形整齊和鐵心底面平面度控制在0.5mm之內，同時初級鐵心還具有較高的強度與剛度。

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3.2 線圈制造

由于采用耐電暈薄膜作為導線的匝間絕緣，為防止制造過程中的絕緣破損以及確保初級線圈嵌線浸漆后能通過浸水試驗。在線圈漲形前，我們對導線整盤浸水檢測導線匝間絕緣質量，線圈漲形包絕緣后采用電刷放電儀檢測線圈對地絕緣有無破損，確保線圈絕緣質量滿足設計要求。

3.3 線圈的并頭焊接

為降低電機初級的重量，提高車輛的承載能力，初級線圈采用鋁導線，線圈并頭處的焊接工藝要求較銅導線要求高很多。線圈并頭的質量不僅直接影響到電機的電氣特性，同時還影響到其可靠性，而這些都取決于純鋁繞組的焊接質量。因此，對直線電機純鋁的焊接性能進行分析，并通過焊接工藝驗證得到最優化的焊接參數顯得十分重要[4]。

鋁導線的焊接難點主要在于其本身具有較強的氧化能力、較大的熱導率和比熱容，焊接時容易產生未焊透、氣孔、裂紋、咬邊和夾鎢等缺陷。焊接時一般采用氣體保護，純鋁氣體保護焊的主要方法有：TIG焊、MIG焊、鎢極脈沖氬弧焊、熔化極脈沖氬弧焊等。同時焊絲的牌號與直徑、焊接電流、保護氣體流量等對焊接質量均有不同程度的影響。

通過多種方案的試驗和比較，在實際制造中，采用了TIG焊的方法，同時對焊接參數也做了嚴格規定，以確保焊接質量可靠。

3.4 電機的絕緣處理

電機的絕緣系統采用真空壓力浸漆(VPI)技術，電機絕緣整體性好。電機經真空壓力浸漆一次, 再沉浸一次，能保證線圈的絕緣性能及防潮、防水和耐候性，并能提高電機鐵心的防潮性和耐候性。繞組和鐵心表面噴涂二道覆蓋絕緣漆，可進一步提高繞組的抗污穢能力和防潮性能。

4 試驗及試運

目前，電機的地面型式試驗已完成，從已完成的有關試驗表明，靜態溫升試驗通過試驗考核，絕緣介電能力通過浸水試驗、耐壓試驗的考核，結構強度通過振動沖擊試驗考核，各項指標均滿足設計要求。

目前，牽引系統正在進行裝車后的系統聯調試驗，電機的可靠性經過一年裝車運行證明是滿足運行要求的。

5 結語

(1)合理的設計是基礎

電機的電磁設計與結構設計是密不可分的。由于直線電機結構及用途的特殊性，我們不僅要使電磁參數合理，滿足電機的性能輸出；更要使結構可靠，確保電機可靠運行。

(2)良好的工藝手段是保證

電機制造質量要靠合理的工藝過程來保證，本電機為中等批量生產規模，良好的生產工藝可保證在線圈制造、鐵心疊裝、引線頭焊接、絕緣處理等關鍵工序的制造質量。

(3)專門的工裝設備必不可少

電機的制造質量要靠工裝設備來保證，要充分保證工裝、模具的制造精度，保證不同批次生產質量的一致性和互換性。

(4)先進的設計手段是創新動力

隨著設計手段的不斷進步，采用電磁場有限元軟件對電機渦流分布、磁場分布、推力輸出、垂向力分布等進行分析比較；采用結構受力有限元分析軟件合理設計電機結構，確保結構應力分布優化。后續我們將對次級感應板結構、初級主磁場補償、推力波動、渦流損耗等方面做深化研究。