新型永磁直驅(qū)驅(qū)動單元技術(shù)的設(shè)計和分析*

徐艷暉

（中車大同電力機(jī)車有限公司 技術(shù)中心，山西大同 037038）

多年來，隨著國內(nèi)外軌道交通行業(yè)對永磁電機(jī)直驅(qū)傳動技術(shù)的研究及運用，以及國內(nèi)各行業(yè)永磁同步電機(jī)技術(shù)的不斷應(yīng)用及發(fā)展，國內(nèi)永磁同步電機(jī)的研發(fā)及制造技術(shù)越來越成熟。由于以前在軌道交通行業(yè)，永磁同步電機(jī)技術(shù)在城市軌道交通領(lǐng)域有了一定的研究和應(yīng)用，但是在相對功率更大的鐵路機(jī)車領(lǐng)域國內(nèi)目前還沒有相應(yīng)的研究及應(yīng)用，鐵路機(jī)車領(lǐng)域的直驅(qū)傳動技術(shù)目前國內(nèi)還是空白［1］。因此，永磁同步電機(jī)技術(shù)的發(fā)展為鐵路機(jī)車直驅(qū)傳動技術(shù)的實現(xiàn)奠定了良好的基礎(chǔ)，同時直驅(qū)傳動技術(shù)也將成為推動鐵路機(jī)車行業(yè)傳動技術(shù)的突破方向。

1 直驅(qū)傳動技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國外進(jìn)行直驅(qū)傳動技術(shù)研究的主要機(jī)構(gòu)和公司有：日本的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和公司、德國的SIEMENS公司和瑞士的SKODA公司。

1.1 日本公司[2]

早在20世紀(jì)90年代，日本就開始了對直驅(qū)傳動系統(tǒng)的研究，迄今為止已進(jìn)行了多次試制。東日本鐵路公司從1999年起，就開始開發(fā)永磁直驅(qū)輪對驅(qū)動單元以用來裝車AC Train電動車組，永磁直驅(qū)電機(jī)采用架懸懸掛方式，傳動機(jī)構(gòu)采用橡膠結(jié)構(gòu)，采用車軸傳動方式，如圖1所示。運行結(jié)果表明其噪聲降低了5 dB，節(jié)能10%以上，提高了效率。

圖1 東日本鐵路公司開發(fā)的永磁直驅(qū)輪對驅(qū)動單元

1.2 SIEMENS公司

德國SIEMENS公司采用直驅(qū)技術(shù)路線分別開發(fā)出ICE3動車組用永磁直驅(qū)傳動系統(tǒng)、Syntegra轉(zhuǎn)向架用永磁直驅(qū)傳動系統(tǒng)及以BR152機(jī)車為基礎(chǔ)開展的永磁直驅(qū)技術(shù)研究。

（1）ICE3動車組用永磁直驅(qū)系統(tǒng)

SIEMENS公司以ICE3型動車為應(yīng)用載體，開展了永磁直驅(qū)傳動方式的研究，電機(jī)功率為500 kW，電機(jī)采用架懸懸掛方式，傳動機(jī)構(gòu)采用連桿橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，車軸傳動方式如圖2所示，采用全封閉水冷結(jié)構(gòu)。在ICE3車上實現(xiàn)了裝車，裝車車輛最高速度為330 km/h。

圖2 ICE3直驅(qū)輪對驅(qū)動單元

（2）Syntegra轉(zhuǎn)向架用永磁直驅(qū)系統(tǒng)

SIEMENS針對城軌車輛開發(fā)了永磁直驅(qū)電機(jī)新型轉(zhuǎn)向架Syntegra。電機(jī)功率為150 kW，采用軸懸懸掛方式，車軸同時也是電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸，如圖3所示，采用全封閉水冷結(jié)構(gòu)。

圖3 Syntegra用永磁直驅(qū)電機(jī)

測試結(jié)果表明：在使用直驅(qū)傳動系統(tǒng)時比異步傳動系統(tǒng)的效率提高3%，體積減少了30%，噪聲降低了15 dB。

（3）永磁直驅(qū)機(jī)車的研究［3］

SIEMENS以BR152型機(jī)車異步電機(jī)傳動系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對采用永磁電機(jī)直驅(qū)傳動系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)行了研究。電機(jī)按照功率1 600 kW、軸懸懸掛方式、全封閉水冷結(jié)構(gòu)的方案進(jìn)行了相應(yīng)技術(shù)研究。通過研究表明由于簧下質(zhì)量的增大，車輪垂直載荷力有所增加，導(dǎo)致機(jī)車最高運行速度有所降低。

1.3 SKODA公司

SKODA公司于2010年針對低地板車開發(fā)了永磁直驅(qū)電機(jī)，如圖4所示。電機(jī)功率為46.6 kW，采用全封閉水冷結(jié)構(gòu)。

圖4 SKODA永磁直驅(qū)電機(jī)

2018年柏林軌道交通展，SKODA公司展出了一款城軌用永磁直驅(qū)輪對驅(qū)動單元產(chǎn)品，如圖5所示，是本屆展會展出的唯一一款永磁直驅(qū)產(chǎn)品。電機(jī)功率為150 kW，采用軸懸懸掛方式，車軸同時也是電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸，自然風(fēng)冷結(jié)構(gòu)。

圖5 SKODA公司直驅(qū)輪對驅(qū)動單元

國內(nèi)在軌道交通領(lǐng)域，目前中車浦鎮(zhèn)、中車四方等企業(yè)已完成了永磁直驅(qū)城軌車輛的研制，填補(bǔ)了國內(nèi)軌道交通行業(yè)直驅(qū)傳動技術(shù)領(lǐng)域的空白。同時，中車永濟(jì)、中車株所、中車株洲電機(jī)等企業(yè)在永磁直驅(qū)電機(jī)的研制、運用等方面已經(jīng)積累了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，具備了研制大功率永磁直驅(qū)電機(jī)的技術(shù)實力。

1.4 小結(jié)

在軌道交通領(lǐng)域，國內(nèi)外都已經(jīng)開展了永磁直驅(qū)傳動系統(tǒng)方面的研究及探索。

目前，國外在直驅(qū)傳動系統(tǒng)方面，主要應(yīng)用在城際、低地板車等領(lǐng)域，電機(jī)功率從46.6~500 kW不等，冷卻方式基本為水冷，成果主要體現(xiàn)在提高系統(tǒng)效率、節(jié)能、降噪等方面［1］。雖然在功率較大的機(jī)車領(lǐng)域SIEMENS進(jìn)行了研究，但沒有進(jìn)行實際應(yīng)用。因此，本項目的開展推動直驅(qū)傳動系統(tǒng)技術(shù)向機(jī)車領(lǐng)域延伸。

2 新型永磁直驅(qū)驅(qū)動單元總體結(jié)構(gòu)

驅(qū)動單元主要由輪對、電機(jī)、傳動裝置和電機(jī)懸掛裝置等組成。輪對主要由車軸、車輪等組成。傳動裝置主要由牽引電機(jī)、齒輪傳動系統(tǒng)裝配等組成。牽引電機(jī)采用架懸全懸掛方式；牽引電機(jī)設(shè)計有防脫落結(jié)構(gòu)。驅(qū)動單元三維效果圖如圖6所示，二維剖視圖如圖7所示。

圖6 驅(qū)動單元三維圖

圖7 驅(qū)動單元二維剖視圖

3 主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)如下：

軌距： 1 435 mm

軸重： 21 t

最大運營速度： 160 km/h

輪徑： 1 250 mm（新）1 150 mm（磨耗）

輪對內(nèi)側(cè)距： 1 353±1 mm

電機(jī)質(zhì)量： 3 430 kg

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速： 353 r/min

電機(jī)最高轉(zhuǎn)速： 706 r/min

電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩： 42 000 N?m

電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩： 33 142 N?m

牽引電機(jī)懸掛方式： 架懸全懸掛

傳動方式： 直驅(qū)傳動

傳動結(jié)構(gòu)： 電機(jī)空心軸+撓性板聯(lián)軸器

4 驅(qū)動單元主要部件的結(jié)構(gòu)、性能與特點

4.1 輪對

輪對組裝技術(shù)要求及零部件技術(shù)要求符合TB/T 1463《機(jī)車輪對組裝技術(shù)條件》的相關(guān)要求。輪對三維效果圖如圖8所示。輪對組裝主要由車軸、主動車輪、從動車輪、軸箱裝配等組成，采用輪盤制動方式。

圖8 輪對三維圖

4.2 傳動裝置

傳動裝置主要由電機(jī)及聯(lián)軸器組成，如圖9所示。

圖9 傳動裝置三維圖

4.2.1電機(jī)

由于采用直驅(qū)傳動后，隨著電機(jī)扭矩的成倍增加，電機(jī)體積增大，質(zhì)量增加，受輪對內(nèi)側(cè)空間、機(jī)車下部限界及驅(qū)動單元整體設(shè)計質(zhì)量的限制，電機(jī)設(shè)計空間有限，因此永磁直驅(qū)電機(jī)設(shè)計時須從電磁設(shè)計、冷卻方式、減重、強(qiáng)度、空間等多方面統(tǒng)籌考慮。

電機(jī)采用定子強(qiáng)迫通風(fēng)、轉(zhuǎn)子密封結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子采用空心軸、端面齒結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子兩端采用圓柱滾子軸承進(jìn)行支撐；為降低驅(qū)動單元質(zhì)量電機(jī)兩側(cè)端蓋采用鑄鋁合金結(jié)構(gòu)。永磁直驅(qū)電機(jī)按照滿足C6修要求進(jìn)行設(shè)計，降低了電機(jī)全壽命周期內(nèi)的檢修維護(hù)成本。

4.2.2聯(lián)軸器

聯(lián)軸器由左、右撓性膜片組、傳力盤、空心軸、傳動軸、傳動銷以及連接組件等組成，撓性膜片組由多層厚度相同的優(yōu)質(zhì)彈簧不銹鋼片組成。為了優(yōu)化電機(jī)及聯(lián)軸器的設(shè)計空間，與既有直驅(qū)技術(shù)完全不同的是采用了車輪傳動方式。

采用聯(lián)軸器傳動機(jī)構(gòu)較傳統(tǒng)空心軸六連桿傳動機(jī)構(gòu)減重約17%左右，同時軸向空間占比減小，為電機(jī)設(shè)計及驅(qū)動系統(tǒng)的組裝及檢修維護(hù)留出了寶貴的軸向空間，聯(lián)軸器三維效果圖如圖10所示。聯(lián)軸器一端通過傳力盤與電機(jī)轉(zhuǎn)子空心軸連接，另一端通過傳動銷與主動車輪連接，聯(lián)軸器空心軸貫穿電機(jī)轉(zhuǎn)子空心軸，撓性膜片組是實現(xiàn)電機(jī)相對于車軸變位的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，聯(lián)軸器空心軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子空心軸、車軸之間設(shè)計有足夠的相對運動間隙。

圖10 聯(lián)軸器三維圖

由牽引電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動力矩經(jīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸→傳力盤→聯(lián)軸器左側(cè)撓性膜片組→空心軸→傳動盤→聯(lián)軸器右側(cè)撓性膜片組→傳動銷→主動車輪→車軸→從動車輪。

聯(lián)軸器各零部件強(qiáng)度分析如圖11所示，結(jié)果表明各零部件具有足夠的安全系數(shù)。撓性板疲勞壽命計算了交變應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力，這2部分應(yīng)力用疲勞極限來評定，如圖12所示，疊片組件在啟動扭矩下，補(bǔ)償同時達(dá)到最大的疲勞安全系數(shù)為1.19，表明撓性板的理論計算壽命已進(jìn)入無限壽命。

圖11 極限載荷條件下聯(lián)軸器各主要零部件應(yīng)力云圖

圖12 Goodman疲勞極限圖

經(jīng)過對聯(lián)軸器的變位能力和剛度進(jìn)行計算，結(jié)果表明滿足轉(zhuǎn)向架一系懸掛和電機(jī)架懸合成的位移要求。

采用聯(lián)軸器使得電機(jī)與輪對成了2個“相對獨立”的運動體，聯(lián)軸器能夠緩解各個方向的沖擊振動，電機(jī)架懸使得電機(jī)質(zhì)量成為了簧上質(zhì)量，降低了輪軌動作用力，改善了電機(jī)的工作條件。聯(lián)軸器具有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度，可避免輪對在驅(qū)動過程中產(chǎn)生黏—滑振動［4］。

由于撓性膜片組為彈簧鋼片，使聯(lián)軸器性能在壽命周期內(nèi)各向剛度與新造相比具有很高的一致性，避免了傳統(tǒng)空心軸六連桿機(jī)構(gòu)橡膠關(guān)節(jié)老化后導(dǎo)致的機(jī)車橫向穩(wěn)定性變差問題；同時，聯(lián)軸器部件之間無相對磨損，因此聯(lián)軸器能夠滿足C6修的要求，降低了驅(qū)動系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的檢修維護(hù)成本，具有典型的技術(shù)優(yōu)勢。

4.3 電機(jī)懸掛裝置

驅(qū)動單元懸掛采用彈性架懸方式，主要由懸掛臂、吊桿、橡膠關(guān)節(jié)等組成，即電機(jī)一端通過裝有橡膠關(guān)節(jié)的懸掛臂懸掛于構(gòu)架，另一端通過裝有橡膠關(guān)節(jié)的2根吊桿懸掛于構(gòu)架，設(shè)有電機(jī)防落裝置，同時電機(jī)防落裝置兼?zhèn)渲箵豕δ?，如圖13所示。

圖13 驅(qū)動單元懸掛及防落

5 試驗驗證及性能分析

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，同時立足于掌握全新直驅(qū)傳動技術(shù)的各項性能，對車輪、車軸、聯(lián)軸器等零部件進(jìn)行了相關(guān)試驗驗證，其中進(jìn)行了多項研究性試驗項目。

5.1 車軸、車輪疲勞試驗

2018年，委托某車輛檢驗站，依據(jù)TJ/JW 037-2014《交流傳動機(jī)車車軸暫行技術(shù)條件》和TJ/JW 038-2014《交流傳動機(jī)車車輪暫行技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，對車軸、車輪進(jìn)行了疲勞試驗。經(jīng)試驗，車軸、車輪疲勞強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.2 聯(lián)軸器振動沖擊試驗

2018年，委托某公司按照IEC 61373標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了聯(lián)軸器振動沖擊試驗，如圖14所示。測得了聯(lián)軸器在10種位移狀態(tài)下的共振頻率，試驗完成后聯(lián)軸器探傷無裂紋，無塑性變形，緊固件無松動，滿足機(jī)車在各種工況下的運行要求。

圖14 振動沖擊試驗

5.3 聯(lián)軸器疲勞試驗和三向剛度試驗

疲勞試驗：聯(lián)軸器分別在電機(jī)額定扭矩和電機(jī)啟動扭矩工況下，在聯(lián)軸器大變位條件下，分別進(jìn)行了107次和106次的旋轉(zhuǎn)疲勞試驗，試驗完成后聯(lián)軸器探傷無裂紋，無塑性變形，緊固件無松動，滿足設(shè)計要求，如圖15所示。

圖15 聯(lián)軸器疲勞試驗

三向剛度試驗：對聯(lián)軸器進(jìn)行了三向（軸向、角向、扭轉(zhuǎn)）剛度測試，三向剛度分別檢測了聯(lián)軸器撓性膜片組在新造、疲勞試驗后、振動沖擊試驗后3種狀態(tài)下的剛度值，研究撓性膜片組理論分析剛度值的準(zhǔn)確性，并摸索聯(lián)軸器在運用后的三向剛度值變化情況。

5.4 聯(lián)軸器振動特性試驗

在某公司整車滾動試驗臺上進(jìn)行了聯(lián)軸器振動特性試驗，如圖16所示，試驗時通過在聯(lián)軸器主要零部件上布置三向加速度無線傳感器，測得聯(lián)軸器在試驗臺上的三向加速度，通過分析來研究聯(lián)軸器各部件的三向振動傳遞情況，研究撓性板聯(lián)軸器的振動衰減效果。

圖16 滾動試驗臺整車試驗

6 結(jié)語

采用“電機(jī)空心軸+撓性板聯(lián)軸器”傳動技術(shù)的新型直驅(qū)驅(qū)動單元的設(shè)計及應(yīng)用，極大地簡化了驅(qū)動單元的裝配工藝，降低了機(jī)車全壽命周期成本，降低了驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量，減小了輪軌沖擊動作用力，縮小了轉(zhuǎn)向架固定軸距，轉(zhuǎn)向架具有較小的轉(zhuǎn)動慣量，提高了機(jī)車的曲線通過性能，豐富了國內(nèi)機(jī)車轉(zhuǎn)向架驅(qū)動單元的傳動技術(shù)平臺。

截止到2021年12月，采用該新型驅(qū)動單元的機(jī)車已經(jīng)研制完成，并完成了關(guān)鍵零部件試驗驗證及整車型式試驗。通過試驗驗證，表明新型永磁直驅(qū)傳動系統(tǒng)噪音小，能耗低，傳動平穩(wěn)，運行狀態(tài)優(yōu)良，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。