700 kW 氫燃料電池混合動力機車牽引電機設計研究★

韓志業，張文元，高生嵐

（中車大同電力機車有限公司技術中心，山西 大同 037038）

引言

2020 年12 月，中車大同電力機車有限公司研發的700 kW 氫燃料電池混合動力機車成功下線，機車采用“動力蓄電池+氫燃料電池系統”混合動力供電方式，最高運行速度為80 km/h，主要適用于機務段、礦山、港口等場所的調車、轉運等任務。氫燃料機車設計中涉及眾多關鍵技術，針對牽引電機設計小型化、寬速度范圍運行、具備良好散熱能力等需求，需要開展一系列研究和分析驗證。

1 氫燃料機車簡述

氫燃料機車采用動力蓄電池和氫燃料電池供電方式，變流器對牽引電機采用架控方式，直流母線電壓范圍在DC640 V～DC832 V，主電路拓撲結構如圖1 所示。氫燃料電池根據動力蓄電池電壓等級進行充電，蓄電池直接給牽引逆變器供電，直流電源波動范圍較寬。

圖1 氫燃料機車主電路拓撲結構

機車恒功運行速度范圍在11.8～80 km/h，起動牽引力250 kN，最大再生制動力160 kN。機車常用牽引速度一般都處于較低轉速區間，牽引電機和變流器負荷較大，牽引特性控制為恒牽引力模式，司控器手柄為9 級，可平滑調節；牽引特性控制曲線如圖2所示。

圖2 機車牽引特性曲線

2 牽引電機主要結構和參數

牽引電機采用6 極鼠籠式三相感應電機，以滾抱方式安裝在轉向架上，主動齒輪安裝在電機傳動端軸承內側；非傳動端為非絕緣圓柱滾子軸承+角圈帶電刷，采用脂潤滑；傳動端為非絕緣圓柱滾子軸承，采用油潤滑。定子鐵心由低損耗厚0.5 mm 的冷軋硅鋼片疊壓而成，全疊片焊接結構，定子線圈采用薄膜電磁線繞制而成，定子嵌線后整體浸漆，然后進行沒水試驗。定子外部裝有接線盒，并引出三相引出線。轉子鐵心由低損耗厚0.5 mm 冷軋硅鋼片疊壓而成。轉子鼠籠為池槽式對接結構，由高強度純銅導條與鉻鋯銅端環通過感應釬焊而成。導條打入槽后，用專用工裝將導條漲緊。傳動端套裝齒輪。電機定子鐵心安裝一個溫度傳感器（PT100），用于監控定子的溫度，保證電機的安全運行。非傳動端安裝速度傳感器。電機傳動端與非傳動端預留軸承溫度和振動傳感器安裝接口，用于安裝6 A 系統實時監控電機軸承溫度和振動狀態。

電機采用軸向強迫通風方式進行冷卻，進風口設置在傳動端，定子拉板與定子鐵心間設計有風道，為改善轉子的散熱，轉子上開有軸向通風孔，冷卻風通過轉子通風孔和定轉子間的氣隙從非傳動端端蓋軸向排出。

電機三維模型如下頁圖3 所示。

圖3 牽引電機三維模型

電機的基本參數如下：額定功率179 kW；額定電壓為300 V；額定電流為495 A；恒功轉速范圍為289.6～1 970 r/min；啟動轉矩為6 880 N·m；額定效率為88%；冷卻風壓為650 Pa；冷卻風量為0.5 m3/s；絕緣等級為200 級；質量為1 650 kg。

電機的牽引特性曲線見圖4。

圖4 牽引特性曲線

3 電機關鍵技術設計和驗證

相對普通機車，氫燃料機車要求牽引電機轉速不高、恒功點速度低，考慮調車機車限界空間限制，四極電機無法實現，因此選擇6 極感應電機。繞組匝數多，電機電壓高，電流小，電機發熱少，電壓調制比高，諧波抑制能力好。在可選情況一般以多匝為好，但由于機車恒功倍數高，同時電壓較低，增加匝數會降低恒功速度。斟酌考慮電機匝數選擇3 匝。

氫燃料混合動力機車在滿足最大啟動牽引力條件下，合理匹配電機的起動轉矩和齒輪傳動比，在保證齒輪強度的前提下，盡量選擇大傳動比，可以減小電機起動轉矩，降低電機的磁場飽和度，電機控制精確穩定，同時降低了成本。綜合考慮確定齒輪傳動比為103/22，牽引電機最大啟動扭矩為6 880 N·m。

針對氫燃料機車牽引電機，主要技術問題在保證電機良好的散熱性能。從電機設計角度，電機定子采用全疊片無機殼結構，以減輕重量和改善散熱；在保證過載能力的同時，盡可能提高繞組匝數，以提高電機額定電壓，降低變流器供電諧波，從而減少發熱量；電機的繞組、導條、端環選用低電阻率材料，優化定、轉子槽型和導條規格；同時增加定、轉子槽口深度，提高散熱面積；在定子和轉子設計中考慮了通風路徑，加強冷卻風對定子繞組端部的冷卻，提高冷卻風的利用率。同時，為防止出風端軸承溫升高，在出風端軸承室設計隔熱層，有效隔開熱源與端蓋軸承室熱量的傳遞，降低出風端軸承的溫度。

采用fluent 流體分析軟件建立電機模型，對電機在額定工況下的流場和溫度場進行仿真分析，設定通風量為0.5 m3/s，環境溫度為20 ℃。仿真結果如圖5所示，最高溫度出現在電機定子線圈上，最高溫度為155.55 ℃，最高點溫升為135.55 K，滿足電機200 級絕緣等級設計要求。電機各部件溫度分布如表1 所示。

圖5 電機各部件溫度（℃）分布圖

表1 電機各部件溫度分布

同時，開展了電機溫升試驗研究，試驗條件與仿真中電機運行工況、通風條件設定相同，環境溫度為29.5 ℃。溫升試驗電機在額定工況運行3 h，電機各部件溫度達到穩態，電機定子線圈上出現最高溫度為140.3 ℃，最高點溫升為110.8 K。對比電機試驗結果和仿真結果，電機散熱分析結果一致，仿真數據留有較大余量。同時，觀測電機出風端軸承溫升試驗數據為47 K，滿足脂潤滑軸承要求[1-3]。

4 結語

氫燃料電池混合動力機車成功下線標志著氫能進入機車牽引領域。設計過程中涉及眾多關鍵技術，需牽引電機適應寬范圍直流供電，滿足電機小型化、寬速度范圍運行條件。電機的設計依據、散熱設計等關鍵問題經過了深入研究，并通過仿真驗證和試驗驗證對比證明設計的正確性，為類似電機設計積累了經驗。