機車軸端永磁同步發電機技術研究

雷軍

摘要：隨著機車車輛對備用電源系統的升級改造，需在機車轉向架軸箱上加裝軸端發電機，傳統永磁同步發電機難以滿足機車轉向架安裝要求，為此開展一種新型機車軸端永磁同步發電機技術的研究。該項研究的主要技術特點為：取消傳統電機兩端軸承的使用，避免機車振動大造成電機軸承故障。該新型機車軸端永磁同步發電機結構簡單、重量較輕，能夠滿足現有機車轉向架箱體安裝空間限制及車輛系統用電功率要求。該項技術研究在國內屬于首創，已進行裝車試驗滿足其性能要求，其成果將在機車及同類型車輛上具有推廣應用的意義。

關鍵詞：軸端;軸承結構;空心轉子;表貼式轉子

0 ?引言

鐵路機車由于需要不斷拆解編組進行無火回送，除牽引車外，其它車廂普遍缺少電源，備用的蓄電池與實際使用需求存在較大的差距，機車無法提供足夠的電源供車廂相關設備和隨車人員使用，目前應用于機車的軸端發電機為傳統永磁同步發電機或永磁直流發電機，無論是從電機的功率上還是可靠性上均不能滿足使用要求，因此需要研究開發一款適用于機車的新型軸端永磁同步發電機。

根據機車轉向架箱體結構的特點，受車輛輕量化的要求，在重量和安裝空間限制下，傳統發電機難以滿足要求的，提出研究開發一款輸出功率不低于3kVA的高可靠性機車軸端永磁同步發電機，當機車被拖運運行時，車軸旋轉并帶動電機轉子轉動，永磁同步發電機發出3～5kVA電源提供給機車使用。

1 ?技術背景

1.1 現有技術方案

早期鐵路機車所用的軸端發電機，主要為客車提供輔助電源，普遍采用皮帶傳動，發電機掛在構架前后兩端，在車軸處加裝皮帶輪與發電機相連。這種設計結構復雜、重量及體積大，輸出的功率也大，并且此種發電機對轉向架改動較大，在機車轉向架上加裝十分困難。

國外的鐵路機車車軸發電機中，FAG公司生產的軸承帶集成發電裝置，在軸承內圈裝置永磁體作為轉子，在軸箱蓋中線圈作為定子，為軸承診斷和故障信息檢測等功能提供電源，這種設備最高輸出功率為100W，供電電源為6～14V。該軸承裝置價格昂貴，且供電電能太小，不足以滿足機車無火回送時用電設備的使用。

1.2 技術目的

開發一種機車軸端電源裝置：安裝在機車軸端的永磁同步發電機，可為目前的無火回送機車車廂提供足夠的電源供車廂設備和隨車人員使用。發電機輸出功率不低于3kVA，電機結構簡單，成本較低，有較高的可靠性和安全性，滿足機車軸端安裝和使用的要求。

2 ?技術設計方案

2.1 總體設計思路分析

通過對機車輪對安裝位置的分析，由于不能對機車車軸和機車軸箱進行大的結構改造，只能在現有的基礎上進行加裝發電機，見圖1機車轉向架組裝圖，采用傳統類型電機存在兩大的問題：一是車軸與電機軸無法直接對接安裝，車軸與電機軸不能聯接傳遞扭矩，需要加裝過渡聯軸器，整個電機方案需要加長;二是機車輪對上軸承的游隙會比電機使用軸承的游隙大的多，機車使用的FAG公司生產的TORL150型圓錐滾子軸承徑向游隙最大為0.26mm，而電機外形結構的限制，選用軸承內徑100mm圓柱滾子軸承較為合適，該軸承C4徑向游隙為0.125～0.165mm遠小于機車軸承游隙，當電機轉軸與機車車軸硬聯接時正常運行時，很快便會將電機軸承損壞。綜上所述，傳統電機很難滿足要求，因此將電機設計成無軸承結構的電機。

根據與機車轉向架聯接技術接口要求，安裝時不能改動原車軸上的現有軸承和密封結構，只能將軸箱端蓋和軸承端壓板拆下，因此設計轉子可替代壓板，安裝于原軸端壓板處，設計定子可替代原軸箱端蓋，通過機車的原螺栓與車軸、軸箱聯軸安裝，實現軸端永磁同步發電機隨車運行時發電的功能。

2.2 主要性能參數計算

采用Ansoft軟件實施電機電磁方案計算，發現電機輸出功率的難點主要是機車在低速運行時要求電機輸出3kVA電源，由于該電機安裝在車軸上，車軸的軸承游隙大且轉向架本身的振幅大，電機的氣隙必須足夠的大，但氣隙大影響電機的氣隙磁密，導致相同體積大小電機輸出功率不夠，由于電機最大體積已經限定了，因此需要找到一個設計氣隙平衡點，為防止電機出現掃膛，電機最小氣隙不能小于1.5mm，在功率允許的情況下盡量加大氣隙，通過計算得出氣隙在2mm時可滿足電機設計要求。經過優化計算得到以下數據滿足其電機性能要求，主要性能參數如下：

①額定功率 ? 3～5kVA

②額定電壓 ? 110～300V

③額定電流 ? 9.5～15A

④額定頻率 ? 32～55.5Hz

⑤額定轉速 ? 245～416r/min

⑥極數 ? ? ? ? 16

⑦額定效率 ? 88～82%

⑧空載電壓 ? 310～522V

⑨短路電流 ? 18.4A

2.3 電機結構設計

根據無軸承結構永磁同步發電機的設計思路，電機主要由定子組件和轉子兩大獨立部件組成，轉子直接懸掛安裝在車軸端，定子懸掛安裝在軸箱上，分別通過螺栓安裝固定，大大縮短了發電機的長度，滿足減小體積和減輕重量要求，同時避免傳統電機軸承故障的風險，提高了發電機的可靠性。

2.3.1 電機定子

定子由定子鐵心和定子繞組組成，定子鐵心是由沖制的硅鋼片疊成，在定子鐵心槽上嵌有定子繞組，用來產生感應電勢。將嵌線定子過盈壓裝在機座上，再將機座通過螺栓固定在轉向架的軸箱上，機座后端安裝帶有密封圈的端蓋，具有防塵、防水效果，安全可靠。

2.3.2 轉子

轉子結構設計成空心杯的形式，主要由空心軸、永磁體、防護圈和轉子擋板組成，其結構包括。本電機設計與傳統電機最大的區別在就轉子部分，刪除使用軸承的結構，采用空心軸加表貼式永磁體，大大的減輕轉子重量，符合輕量化和高可靠性的設計原則。

2.3.3 電機軸

電機軸設計成空心軸，在安裝端進行止口定位設計，通過螺栓實現與車軸軸端之間連接固定，避免對車軸的改動，方便轉子的固定及安裝。將空心軸外圓上設計均布的槽形，用于安裝固定永磁體，省去轉子沖片，簡單可靠。

2.3.4 永磁體

永磁體選用高性能稀土永磁材料，設計成瓦片弧形徑向充磁形式，在空心軸外表面徑向均勻布置，可安裝放置更多的永磁體，以提高氣隙磁密，相鄰永磁體磁場方向相反。

2.3.5 防護圈

設計防護圈和轉子擋板對永磁體進行固定和防護，防護圈采用隔磁材料，將永磁體通過防護圈套裝在空心軸上，再壓入轉子擋板在空心軸上，轉子擋板、防護圈和空心軸焊接成一個整體。

2.3.6 密封性結構設計

軸端永磁同步發電機通過沿用機車軸箱端蓋的密封設計原理，在機座與軸箱，機座與端蓋的端蓋采用O型密封圈的設計結構，保障電機內部的密封性，實現防塵、防水等功能。

3 ?技術特點分析

①通過設計空心杯式轉子，空心軸圓周上設計均布的槽形，采用瓦片弧形徑向充磁的永磁體，發電機本體內無軸承結構，轉子無硅鋼片結構，極大的簡化了發電要的結構和減輕了發電機的重量，消除發電機軸承的故障風險，性能更加可靠。由于轉子上沒有沖片結構，只有簡單的空心軸，轉子的重量較小，安裝在車軸上，對車軸重量的增加基本可以忽略，因此對車軸的軸承無影響，符合設計要求。

②發電機定子固定在轉向架的軸箱上，代替了車軸的軸箱蓋，發電機機后端安裝端蓋密封，防塵、防水，安全可靠，發電機為短粗形，對車軸軸箱的軸向伸出長度方向基本沒有增加，滿足空間尺寸要求。

③發電機采用永磁技術使該電機功率密度高，體積小，重量輕，機車軸端直接裝配發電機，節省運動傳遞機構，使發電機裝置變得更簡單，安裝空間更小，電機成本低。

4 ?試驗驗證

將軸端永磁同步發電機安裝在韶4機車上進行裝車驗證，通過安裝導向桿將電機順利安裝在機車上，軸端永磁同步發電機安裝圖，安裝后進行試車運行，發電機正常發電，通過帶阻性負載測試，電機性能滿足設計要求，通過試驗數據分析與計算數據對比，發現電機低速與設計值一致，高速運行區域電機輸出功率高出設計值，可進一步優化，后續需將軸端永磁同步發電機裝車運營考核，以驗證電機的可靠性和壽命。

5 ?結語

通過機車軸端永磁同步發電機技術研究，開發的機車軸端永磁同步發電機通過裝車試驗驗證，性能達到設計要求，能夠滿足現有機車轉向架箱體安裝空間限制及車輛系統用電功率要求，解決機車無火回送時用電設備電力不足的技術問題。該軸端永磁同步發電機結構簡單，性能可靠，電機成本低，具有在機車和同類型車輛上推廣應用的價值和意義。

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