橫向耦合100%低地板車輛用牽引電機(jī)短定子壓圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

唐子謀

（中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412001）

100%低地板有軌電車屬于中運(yùn)量交通模式，填補(bǔ)了公共汽車與地鐵運(yùn)量間的空白。她具有外形美觀、乘坐舒適、環(huán)保節(jié)能、工程造價(jià)低等眾多優(yōu)點(diǎn)，是城市輕軌車輛目前發(fā)展的主要方向。

100%低地板車輛轉(zhuǎn)向架采用橫向或縱向耦合傳遞技術(shù)，牽引電機(jī)通常是布置在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)，即平行于車體的縱向安裝方式，如圖1所示。

圖1 低地板牽引電機(jī)懸掛安裝示意圖

基于低地板縱向布置的結(jié)構(gòu)要求，牽引電機(jī)的懸掛安裝點(diǎn)設(shè)置在電機(jī)兩端的端蓋上，如圖2所示。

圖2 低地板牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

其中，定子鐵芯（如圖3所示）是兩端的定子壓圈與若干塊拉板通過焊接連接將疊壓好的硅鋼片壓緊，并維持片間一定的壓力防止硅鋼片松動(dòng)散片。

圖3 定子鐵芯示意圖

由于電機(jī)的懸掛安裝不在定子壓圈上，使得其整體結(jié)構(gòu)和形狀相對(duì)簡(jiǎn)單和規(guī)則，其成型既可采用加工也可采用鑄造的方式。同時(shí)，為縮短供貨周期、節(jié)省鑄造模具成本，在工程上這種類型的定子壓圈推薦采用鋼板加工成型。

此時(shí)，定子壓圈軸向長度的設(shè)計(jì)就需要考慮常用鋼板厚度的限制。一般選取軸向長度小于50mm，習(xí)慣上稱這種尺寸的壓圈為短壓圈。下文將通過實(shí)例討論短定子壓圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

1 低地板牽引電機(jī)短定子壓圈結(jié)構(gòu)

1.1 短定子壓圈結(jié)構(gòu)

某采用短定子壓圈結(jié)構(gòu)的100%低地板牽引電機(jī)，在試制初期出現(xiàn)了壓圈與齒壓板之間局部存在縫隙、鐵芯齒張散片的問題。

圖4 定子鐵芯齒張

經(jīng)分析，該問題是由兩端定子壓圈與拉板焊接過程中，在硅鋼片疊壓力和焊接收縮力共同作用下，定子壓圈發(fā)生過大的翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致。

圖5 定子壓圈受力翻轉(zhuǎn)示意圖

1.2 短定子壓圈翻轉(zhuǎn)剛度

根據(jù)上文分析，硅鋼片疊壓力和焊接收縮力共同形成轉(zhuǎn)矩作用在定子壓圈上，從力學(xué)原理上與圓環(huán)受周向均布轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作用是一致的。

設(shè)圓環(huán)單位弧長上所受外加分布轉(zhuǎn)動(dòng)力矩用m表示，圓環(huán)的等效半徑為Ro，圓環(huán)任意橫截面上均只有一個(gè)純彎的徑向力矩Mr=mR0。

圖6 圓環(huán)受周向均布力矩

在純彎力矩Mr作用下，圓環(huán)中性面偏轉(zhuǎn)角度θ有

其中，Ix為截面繞x軸的慣性矩，對(duì)矩形截面而言如圖7所示。

圖7 圓環(huán)變形示意圖

要提高壓圈翻轉(zhuǎn)剛度即減少偏轉(zhuǎn)角度θ，根據(jù)式（1）可知，在一定作用力下最有效的方法就是減少定子壓圈的等效半徑R0和增加定子壓圈的截面慣性矩Ix。

2 短定子壓圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 短定子壓圈的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由理論分析可知，需要增加定子壓圈截面的慣性矩和減少等效回轉(zhuǎn)半徑。在定子壓圈整個(gè)軸向長度變化不大的情況下，可采取以下措施：

（1）壓圈外部材料向中心移動(dòng)，增加有效寬度，從而提高截面慣性矩；

（2）將截面的形心向中心移動(dòng)，從而減少等效回轉(zhuǎn)半徑；

（3）適當(dāng)增加定子壓圈軸向長度。

優(yōu)化前后定子壓圈截面形狀如圖8所示。

圖8 定子壓圈截面形狀優(yōu)化

對(duì)比優(yōu)化前后定子壓圈截面參數(shù)見所示，表明優(yōu)化后定子壓圈截面慣性矩有明顯改善，理論翻轉(zhuǎn)剛度提高約2.4倍以上。

表1 優(yōu)化前后定子截面參數(shù)對(duì)比表

2.2 短定子壓圈受力分析

通過有限元法對(duì)定子壓圈的受力變形進(jìn)行計(jì)算分析，確認(rèn)定子壓圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化的是否達(dá)到了預(yù)期的效果。

對(duì)定子鐵芯進(jìn)行建模，并有以下假設(shè)：

（1）涉及有裝配接觸關(guān)系的部位，為考慮為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.12；

（2）在筋板與壓圈接觸處加載焊接收縮力；

（3）將定子鐵芯底部進(jìn)行固定約束。

圖9 定子壓圈受力分析加載模型

定子壓圈的內(nèi)圈軸向變形結(jié)果見表2所示，變形云圖見圖10所示。

表2 定子壓圈內(nèi)圈變形統(tǒng)計(jì)

圖10 定子壓圈變形云圖

由仿真數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化方案的最大變形下降56.3%，翻轉(zhuǎn)剛度是原方案的2.3倍。由于實(shí)際的定子壓圈結(jié)構(gòu)并非規(guī)則的圓環(huán)，因此，仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果存在一定的差異，但總體趨勢(shì)是非常吻合的，優(yōu)化達(dá)到了預(yù)期的效果。

3 實(shí)物驗(yàn)證

根據(jù)上述的優(yōu)化方案制作一臺(tái)樣機(jī)，通過測(cè)量未發(fā)現(xiàn)齒張（見圖11所示），所有尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)證結(jié)果表明，改進(jìn)措施可行有效，目前已進(jìn)入小批量生產(chǎn)。

圖11 優(yōu)化后定子鐵芯未發(fā)生齒張

4 結(jié) 論

本文基于圓環(huán)受轉(zhuǎn)動(dòng)力矩下翻轉(zhuǎn)剛度理論，介紹一種牽引電機(jī)短定子壓圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化思路和措施，有效解決短壓圈結(jié)構(gòu)下定子鐵芯齒張的問題。

通過樣機(jī)驗(yàn)證結(jié)果表明，本文運(yùn)用的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施切實(shí)可行，滿足工程化生產(chǎn)要求。同時(shí)，本文提出的優(yōu)化原理可以為短壓圈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)提供支撐和參考。