中低速磁懸浮直線牽引電機設(shè)計

，，

(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(huán)境友好；(2)爬坡能力強，轉(zhuǎn)彎半徑小，線路設(shè)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(jié)構(gòu)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(shù)特點，日本、美國、韓國等國家都在開發(fā)中低速磁懸浮列車，國內(nèi)的北京S1示范線、長沙機場線即將投入商業(yè)運營。

直線牽引電機是磁懸浮車輛的關(guān)鍵部件之一，其特性直接決定了列車的運行性能。每節(jié)車設(shè)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(tǒng)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(zhuǎn)向架上并承受車輛運行時傳遞的振動與沖擊，電機的結(jié)構(gòu)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(jīng)受風(fēng)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(zhuǎn)電機要求要高。

本文擬就電機的電磁設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝及試驗等方面進行闡述。

1 電磁設(shè)計

以所采用的電磁結(jié)構(gòu)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(jié)果如下。

1.1 電磁推力隨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)差率影響電磁推力的大小。隨著轉(zhuǎn)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(zhuǎn)差率接近零時(次級速度接近同步速度)時，推力迅速減??；說明存在一個最優(yōu)轉(zhuǎn)差率，此時電磁推力輸出最大。

圖1 電磁推力隨轉(zhuǎn)差率變化特性

1.2 電磁吸力隨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)差率的變化而變化，隨著轉(zhuǎn)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?yōu)槲?，并且吸引力的幅值較排斥力大很多，在轉(zhuǎn)差頻率的變化區(qū)間，基本是吸引力占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖2 電磁吸力隨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)差頻率的變化特性。在轉(zhuǎn)差頻率Fr=10Hz左右，起動推力達到最大值，之后，隨轉(zhuǎn)差頻率的增加起動推力增長緩慢甚至降低。仿真結(jié)果說明，單就推力輸出而言，存在一個最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率點，在此轉(zhuǎn)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(qū)域內(nèi)，隨著次級速度的增加，推力均是減小，但是高轉(zhuǎn)差頻率時推力波動較小，低轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)差頻率的增加，垂向力逐漸降低，且垂向力波動趨緩。在轉(zhuǎn)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(nèi)垂向力變化波動很大；在轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 初級鐵心結(jié)構(gòu)

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(dān)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(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)、焊接結(jié)構(gòu)及燕尾槽結(jié)構(gòu)的工藝驗證及結(jié)構(gòu)仿真分析(見圖5、圖6、圖7)。通過工藝驗證及仿真結(jié)果分析，確定具有較低的機械應(yīng)力分布及較好工藝性燕尾槽結(jié)構(gòu)初級鐵心為最終生產(chǎn)方案。

圖5 框架結(jié)構(gòu)初級鐵心結(jié)構(gòu)仿真

圖6 焊接結(jié)構(gòu)初級鐵心結(jié)構(gòu)仿真

圖7 燕尾槽結(jié)構(gòu)初級鐵心結(jié)構(gòu)仿真

2.2 絕緣結(jié)構(gòu)

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(jié)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(jīng)受風(fēng)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(tǒng)提出嚴峻考驗[3]。其中線圈引線并頭處更是絕緣系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，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(diào)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(tǒng)采用200 級VPI整體浸漆, 電機絕緣的整體性好。電機經(jīng)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(dǎo)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(dāng)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(zāi)等。因此，我們采用經(jīng)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(shù)相差很大。鋁的熱膨脹系數(shù)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(guān)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(shù)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(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機鐵心不同，其沖片較長，槽數(shù)多，難以用傳統(tǒng)的復(fù)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(zhǔn)確度和表面整齊度主要取決于壓裝工具的結(jié)構(gòu)和精度。我們設(shè)計的燕尾槽結(jié)構(gòu)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(nèi)，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(dǎo)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(dǎo)線整盤浸水檢測導(dǎo)線匝間絕緣質(zhì)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(zhì)量滿足設(shè)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(dǎo)線，線圈并頭處的焊接工藝要求較銅導(dǎo)線要求高很多。線圈并頭的質(zhì)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(zhì)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(yōu)化的焊接參數(shù)顯得十分重要[4]。

鋁導(dǎo)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(dǎo)率和比熱容，焊接時容易產(chǎn)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(zhì)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(shù)也做了嚴格規(guī)定，以確保焊接質(zhì)量可靠。

3.4 電機的絕緣處理

電機的絕緣系統(tǒng)采用真空壓力浸漆(VPI)技術(shù)，電機絕緣整體性好。電機經(jīng)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(guān)試驗表明，靜態(tài)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(jié)構(gòu)強度通過振動沖擊試驗考核，各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

目前，牽引系統(tǒng)正在進行裝車后的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗，電機的可靠性經(jīng)過一年裝車運行證明是滿足運行要求的。

5 結(jié)語

(1)合理的設(shè)計是基礎(chǔ)

電機的電磁設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計是密不可分的。由于直線電機結(jié)構(gòu)及用途的特殊性，我們不僅要使電磁參數(shù)合理，滿足電機的性能輸出；更要使結(jié)構(gòu)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(zhì)量要靠合理的工藝過程來保證，本電機為中等批量生產(chǎn)規(guī)模，良好的生產(chǎn)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(guān)鍵工序的制造質(zhì)量。

(3)專門的工裝設(shè)備必不可少

電機的制造質(zhì)量要靠工裝設(shè)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(chǎn)質(zhì)量的一致性和互換性。

(4)先進的設(shè)計手段是創(chuàng)新動力

隨著設(shè)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(jié)構(gòu)受力有限元分析軟件合理設(shè)計電機結(jié)構(gòu)，確保結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布優(yōu)化。后續(xù)我們將對次級感應(yīng)板結(jié)構(gòu)、初級主磁場補償、推力波動、渦流損耗等方面做深化研究。