城軌車輛牽引電機減重降噪分析與研究

方彬米　曹增明　雷金

摘 要：本文研究了城軌車輛牽引電機的主要結構和工作原理，分析了城軌車輛牽引電機存在的電磁噪聲、機械噪聲和電機重量過重問題，并從優化機械結構、材料選取、齒槽配合、電磁方案，提高電機制造過程中加工和安裝工藝的精度和準確性等方面給出了減重降噪的建議。

關鍵詞：城軌車輛;牽引電機;減重;降噪

城軌車輛牽引電機是城軌車輛實現牽引和電制動的動力機械，完成列車牽引和電制動。城軌車輛牽引電機設計選型特性、運行可靠性，直接決定城軌車輛的能否運營及整條線路的運營效率。牽引電機作為城軌車輛牽引和電制動系統的主要部件，牽引電機工作過程中所產生的電磁噪聲和機械噪聲是城軌車輛噪聲的主要來源之一，牽引電機的輕量化也是實現城軌車輛輕量化設計的重要影響因素。

1 城軌車輛牽引電機主要結構

牽引電動機由定子、轉子、傳動端端蓋、軸承、總裝零件、測速裝置等幾大部件組成。

1.1 定子

定子繞組為雙層成型繞組。成型的定子線圈嵌進定子槽中。為了得到足夠的機械強度、良好的電氣性能與優良的熱穩定性，定子繞組端部用端箍以及綁扎繩固定。

電機的絕緣等級為200級，電機定子整體真空壓力浸200級無溶劑漆（VPI），然后旋轉烘焙固化。

1.2 轉子

轉子有轉子沖片、導條、端環、轉子前后壓圈、風扇和轉軸等組成。

轉子鐵心由50W350冷軋硅鋼板疊壓而成，兩端用壓圈壓緊。轉子沖片和壓圈上開有通風孔。

轉子導條采用無氧銅，端環采用鉻鋯銅。

轉子導條插入槽中后，通過沖緊將導條固定在槽中，以克服導條在電機運行中因磁拉力和離心力作用而產生的徑向振動和位移。

轉子導條與端環之間的焊接采用中頻感應整體焊接。

轉軸采用高強度合金鋼40CrMo。

1.3 傳動端端蓋

傳動端端蓋采用球墨鑄鐵，非傳動端端蓋采用高強度鋁合金鑄件。傳動端端蓋上開有進風口，非傳動端端蓋上開有出風口。

1.4 軸承

地鐵、城軌類電機的軸承計算模式屬于平行聯軸節驅動模式。

地鐵電機軸承配置傳動端一般采用短圓柱軸承，非傳動端軸承一般采用球軸承。從原理上講，這一對軸承既不承受徑向力，也不需要承受軸向力。只承受電動機質量和聯軸節一半的質量。

1.5 測速裝置

在電機的非傳動端安裝有非接觸式、高精度的速度傳感器。

為了監測電機的溫度并給控制系統提供電機的溫度保護信號，在定子鐵心內裝有PT100溫度傳感器。

2 城軌車輛牽引電機噪聲和重量存在的主要問題

2.1 城軌車輛牽引電機存在的噪聲問題

城軌車輛的噪聲來源主要為輪軌噪聲和車輛牽引電機、逆變器風機、制動電阻風機、空調等車輛附屬設備，詳見下圖所示。

根據GB/T_IEC60349-2電力牽引軌道機車車輛和公路車輛用旋轉電力第2部分：電子變流器供電的交流電動機附錄C噪聲測量和限值的C.8噪聲限值為100dB（A）～115dB（A），已經遠遠超過了目前城軌車輛招標要求的列車在野外以最高速度運行時，在車輛中心離地板1.2m、1.6m高處測得的客室內、司機室內應不超過75dB（A），在距軌道中心線7.5m，距軌面高1.2m、3.5m處應不超過80dB（A）的要求。

2.2 城軌車輛牽引電機存在的重量問題

目前，城軌車輛牽引輔助系統的重量約占整車總重的5%，牽引電機的重量約占整車軸重的5%。在整車輕量化要求越來越嚴格的情況下，各大整車廠家對牽引電機的輕量化要求越來越高，如何在不損失牽引電機性能的條件下，進行牽引電機的輕量化逐漸穿成為各大城軌電機生產廠家急需研究的問題。

3 城軌車輛牽引電機降噪措施研究

針對以上車門系統的薄弱環節以及危害度≥45的六種故障模式，現提出以下設計優化措施：

3.1 降低電磁噪聲的方法

本研究認為降低電磁噪聲的主要途徑有以下三個方面：

3.1.1 設計方面

在保證電機性能的前提下，對電機的風扇進行優化：采用葉片不均勻分布，避免風扇產生噪聲頻率的疊加，從而降低噪聲;減小風扇扇葉外徑，可以有效的降低噪聲。

從結構上不能將整周均進行拓展，但至少可以將出風角的部分擴大，進而達到減少排風阻力的目的。同時因狹窄處是噪音的發生源，因此堵上不能拓寬的橫向排氣孔。

3.1.2 生產制造、質量控制方面

采用專用帶計數設備進行保證線圈匝數準確性。

用專用漲型設備來保證線圈幾何尺寸一致性。

三相繞組的直流電阻測量判斷三相繞組值、電流是否平衡對稱等。

電機定子鐵芯、端蓋止口和軸承室等關鍵尺寸重點檢查，保證裝配后定、轉子同心度進而保證氣隙均勻避免偏心。

轉子鐵心與轉軸同心，保證氣隙均勻避免偏心。

3.2 降低機械噪聲的方法

降低機械噪聲的主要措施如下：

（1）采用密封軸承結構，防止雜物進入軸承室;

（2）選擇合適的軸承外圈與軸承室的配合、內圈與軸的配合，不宜太緊。保證軸承外圈與軸承室的配合在合適的游隙范圍內;

（3）確保電機轉子的質量分布均勻，以及轉子的制造與安裝時的圓度和同心度合格。對轉子包括風扇進行動平衡校正。

3.3 降低空氣動力噪聲的方法

降低空氣動力噪聲的主要措施如下：

（1）對散熱良好或溫升不高的電機可取消風扇，消除噪聲源;

（2）風扇設計厚薄均勻、無扭曲變形、間距均勻，且應校動平衡;

（3）電機設計中盡量減少風道的障礙物，留有專用風道，采用流線形風道，風道的截面變化不要突然。

電機噪音的優化是一個系統的平衡，主要體現在電機設計過程中的材料選取、齒槽配合和電磁方案的優化，以及制造過程中加工和安裝工藝的精度和準確性，包括外部控制電源的有效配合，最終可以實現電機噪音的降低。

4 城軌車輛牽引電機減重措施研究

牽引電機對機械結構進行適應性設計，集中在定子，轉子和端蓋等結構上進行了優化。

4.1 定子結構優化

（1）機座采用無機殼拉板式結構焊接而成，優化上下懸掛結構。

（2）局部優化定子沖片形狀，增加定子通風孔。

4.2 轉子結構優化

優化轉子沖片形狀，增加轉子沖片通風孔。

4.3 端蓋優化

端蓋優化主要集中在軸承座和端蓋集成一體化，減少零部件數量，減輕重量。

參考文獻：

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