淺談一種帶風(fēng)道的改進(jìn)型強(qiáng)迫風(fēng)冷直線電機(jī)

張永才，于曉杰，張雄飛，劉峰

（中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266111）

1 概述

目前，國(guó)內(nèi)外城市軌道交通用直線電機(jī)主要有兩種：自然風(fēng)冷直線電機(jī)和強(qiáng)迫風(fēng)冷直線電機(jī)，這兩種電機(jī)平臺(tái)比較成熟且應(yīng)用較多。自然風(fēng)冷直線電機(jī)靠列車(chē)走行風(fēng)進(jìn)行冷卻，其散熱效果受列車(chē)運(yùn)行速度影響較大，線路條件較差時(shí)，電機(jī)溫升過(guò)高容易發(fā)生燒損；強(qiáng)迫風(fēng)冷直線電機(jī)自身帶有冷卻風(fēng)機(jī)，依靠冷卻風(fēng)機(jī)對(duì)直線電機(jī)吹風(fēng)散熱，但冷卻風(fēng)機(jī)所受振動(dòng)沖擊較大，其軸承故障率較高。本文將設(shè)計(jì)一款改進(jìn)型強(qiáng)迫風(fēng)冷直線電機(jī)，結(jié)合兩種直線電機(jī)平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，保留既有自然風(fēng)冷直線電機(jī)的成熟結(jié)構(gòu)，僅在電機(jī)上部增加冷卻風(fēng)道；同時(shí)，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷直線電機(jī)的設(shè)計(jì)，但冷卻風(fēng)機(jī)不再安裝于電機(jī)本身，而是安裝于振動(dòng)沖擊相對(duì)較小的車(chē)體。

2 改進(jìn)型強(qiáng)迫風(fēng)冷直線電機(jī)設(shè)計(jì)

由于既有自然風(fēng)冷直線單機(jī)平臺(tái)成熟，且具有良好的應(yīng)用基礎(chǔ)。為提高改進(jìn)型直線電機(jī)的可用性和可靠性，本文基于自然風(fēng)冷直線電機(jī)平臺(tái)進(jìn)行改造，僅在電機(jī)上部增加冷卻風(fēng)道，總體結(jié)構(gòu)、安裝接口與既有平臺(tái)保持一致，使得電機(jī)結(jié)構(gòu)變動(dòng)盡量小，以使得電機(jī)電磁方案具有良好的繼承性。同時(shí)，避免新型研發(fā)帶來(lái)的未知風(fēng)險(xiǎn)，比如，框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足、線圈絕緣等級(jí)不夠等。具體描述如下。

2.1 直線電機(jī)風(fēng)道設(shè)計(jì)

本文改進(jìn)型直線電機(jī)在“排障器、二次防脫、引出線裝配、鐵芯裝配、懸掛”等方面均沿用既有自然風(fēng)冷直線電機(jī)成熟結(jié)構(gòu)，僅在框架中部通增設(shè)冷卻風(fēng)道，此時(shí)，直線電機(jī)框架也將作為風(fēng)道的一部分，如圖1和圖2所示。

圖1 既有自然風(fēng)冷直線電機(jī)

圖2 改進(jìn)后的帶風(fēng)道直線電機(jī)

2.2 冷卻通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)

既有自然風(fēng)冷直線電機(jī)純靠走行風(fēng)自然冷卻，但當(dāng)站間距短、坡道多、加減速頻繁時(shí)，電機(jī)溫升相當(dāng)顯著，極易超出電機(jī)溫升限值，造成直線電機(jī)燒損，給列車(chē)運(yùn)營(yíng)到來(lái)極大安全隱患，并嚴(yán)重影響運(yùn)營(yíng)效率。而既有強(qiáng)迫風(fēng)冷直線電機(jī)屬于全封閉結(jié)構(gòu)，僅保留進(jìn)出氣口，當(dāng)被異物阻塞時(shí)，也易造成電機(jī)溫升過(guò)高，需要經(jīng)常對(duì)電機(jī)進(jìn)行吹風(fēng)處理。

為解決自然風(fēng)冷電機(jī)溫升過(guò)高、強(qiáng)迫風(fēng)風(fēng)冷電機(jī)易被阻塞的問(wèn)題，特將冷風(fēng)從風(fēng)機(jī)頂部引入，并沿著風(fēng)道方向流通，使得電機(jī)中部鐵芯得以冷卻。同時(shí)，將既有直線電機(jī)平臺(tái)框架圓孔改為通風(fēng)用方孔，使得改進(jìn)型電機(jī)可以側(cè)出風(fēng)，電機(jī)外側(cè)線圈得以冷卻，如圖3所示。同時(shí)，保留了自然風(fēng)冷直線電機(jī)走行風(fēng)的冷卻方式，可以輔助直線電機(jī)底部散熱，如圖3展示了改進(jìn)型直線電機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)與走行風(fēng)的流向。

圖3 改進(jìn)型直線電機(jī)冷卻風(fēng)流向圖

此外，由于改進(jìn)型直線電機(jī)屬于半封閉結(jié)構(gòu)，進(jìn)出風(fēng)口基本不會(huì)出現(xiàn)異物（如柳絮、灰塵等）阻塞的問(wèn)題。

2.3 直線電機(jī)與車(chē)體冷卻風(fēng)道的連接設(shè)計(jì)

既有強(qiáng)迫風(fēng)冷直線電機(jī)及其冷卻風(fēng)機(jī)為一體，共同安裝于轉(zhuǎn)向架，但由于轉(zhuǎn)向架振動(dòng)沖擊比較強(qiáng)烈，極易造成冷卻風(fēng)機(jī)軸承故障，使得直線電機(jī)溫升過(guò)高，故需經(jīng)常更換冷卻風(fēng)機(jī)。

為解決上述冷卻風(fēng)機(jī)受振動(dòng)影響較大的問(wèn)題，改進(jìn)型直線電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)不再設(shè)置于電機(jī)本身，而是安裝于車(chē)體，并在車(chē)體上安裝冷卻風(fēng)道；車(chē)體冷卻風(fēng)道與冷卻風(fēng)機(jī)之間采用軟風(fēng)道連接。

為將冷卻風(fēng)引入改進(jìn)型直線電機(jī)，并彌補(bǔ)車(chē)體與轉(zhuǎn)向架之間的相對(duì)位移，在車(chē)體冷卻風(fēng)道與直線電機(jī)之間采用伸縮管連接。改進(jìn)型直線電機(jī)安裝于轉(zhuǎn)向架的，示意圖4所示。

圖4 車(chē)體冷卻風(fēng)道與直線電機(jī)連接示意圖

綜上所述，改進(jìn)型直線電機(jī)在與既有自然風(fēng)冷直線電機(jī)總體結(jié)構(gòu)和安裝接口一致的前提下，在框架中部區(qū)域設(shè)置了冷卻風(fēng)道，通過(guò)伸縮管與車(chē)體的冷卻風(fēng)機(jī)及冷卻風(fēng)道連接。冷卻風(fēng)從車(chē)體風(fēng)道引入后，流過(guò)中部鐵芯散熱，同時(shí)，可以從直線電機(jī)側(cè)面通風(fēng)口流出，輔助外側(cè)線圈散熱。

3 地面溫升試驗(yàn)驗(yàn)證

直線電機(jī)初級(jí)線圈（定子）安裝于車(chē)輛轉(zhuǎn)向架，次級(jí)線圈（轉(zhuǎn)子）安裝于軌道，該特點(diǎn)決定了其實(shí)際溫升性能只能通過(guò)裝車(chē)考核，但為驗(yàn)證改進(jìn)后直線電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，特進(jìn)行地面通流對(duì)比試驗(yàn)，以證明本文直線電機(jī)改進(jìn)方案的可行性。通過(guò)在“電機(jī)槽內(nèi)線圈層間”埋置PT100溫傳（共11處），在“鐵芯齒部、鐵心背部、線圈端部”粘貼PT100溫傳（共20處），并對(duì)圖1的自然風(fēng)冷直線電機(jī)和圖2改進(jìn)型直線電機(jī)，分別加載相同的特定電流（既有車(chē)實(shí)測(cè)電機(jī)RMS電流），其中改進(jìn)型直線電機(jī)通以2200m3/h的風(fēng)量（根據(jù)既有車(chē)可以提供的風(fēng)量核算）。在加載特定電流后，當(dāng)電機(jī)溫度在一小時(shí)內(nèi)變化小于2K時(shí)，認(rèn)為電機(jī)溫度已經(jīng)穩(wěn)定，最終試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如下。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，相比自然風(fēng)冷直線電機(jī)，雖然改進(jìn)型直線電機(jī)加入風(fēng)道，整體結(jié)構(gòu)變?yōu)榘敕忾]，但由于冷卻風(fēng)機(jī)的設(shè)置，溫升下降效果明顯，且損耗降低20%，同時(shí)，有利于車(chē)輛的節(jié)能設(shè)計(jì)。

表1 溫升試驗(yàn)對(duì)比表

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種可以用于城市軌道交通列車(chē)的改進(jìn)型強(qiáng)迫風(fēng)冷直線電機(jī)，其自身帶有冷卻風(fēng)道，通過(guò)安裝在車(chē)體上的冷卻風(fēng)機(jī)及風(fēng)道進(jìn)行吹風(fēng)冷卻，車(chē)體風(fēng)道與電機(jī)風(fēng)道之間采用伸縮管連接。本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)型強(qiáng)迫風(fēng)冷直線電機(jī)，具有如下明顯的優(yōu)勢(shì)。（1）與既有自然風(fēng)冷直線電機(jī)相比，設(shè)置了冷卻風(fēng)道，具備了強(qiáng)迫風(fēng)冷功能，與走行風(fēng)相比，冷卻效果更好，可以大幅降低電機(jī)繞組溫升，有效提升電機(jī)運(yùn)行可靠性，同時(shí)利于電機(jī)功率擴(kuò)充及整車(chē)性能提升。（2）與既有強(qiáng)迫風(fēng)冷直線電機(jī)相比，冷卻風(fēng)機(jī)安裝于車(chē)體，振動(dòng)沖擊較小，故障率將會(huì)降低，使用壽命將大大提高。