強(qiáng)迫風(fēng)冷直線感應(yīng)牽引電機(jī)工程化設(shè)計(jì)

李汛保,何云風(fēng),王松巖,龔斯琦

(中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引 言

直線牽引電機(jī)城市軌道車輛相比傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)牽引電機(jī)車輛，具有轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)、隧道盾構(gòu)面小、隧道建設(shè)成本低、噪音小和維護(hù)簡單等特點(diǎn)[1]。國內(nèi)軌道交通市場應(yīng)用直線電機(jī)車輛的線路主要有北京地鐵首都機(jī)場線、廣州地鐵4、5、6號線，也有磁浮領(lǐng)域中低速磁懸浮長沙機(jī)場磁浮線、北京S1示范線、清遠(yuǎn)磁浮線等，相比傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)牽引電機(jī)車輛還處于起步階段，有許多待解決的問題，因而吸引了許多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)單位學(xué)者進(jìn)行直線電機(jī)的應(yīng)用研究與產(chǎn)品開發(fā)[2～5]。

配套北京地鐵首都機(jī)場線車輛的牽引電機(jī)為大功率強(qiáng)迫風(fēng)冷直線電機(jī)，強(qiáng)迫風(fēng)冷方案可以有效平衡電機(jī)重量、推力和溫升的關(guān)系。強(qiáng)迫風(fēng)冷直線電機(jī)的牽引特性計(jì)算是研究熱點(diǎn)[6～8]，工程化設(shè)計(jì)研究較少。本文側(cè)重在電機(jī)的工程化設(shè)計(jì)，在電機(jī)結(jié)構(gòu)方面，進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，以滿足電機(jī)輕量化指標(biāo)，在電機(jī)溫升方面，進(jìn)行了風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低電機(jī)風(fēng)阻，達(dá)到對電機(jī)繞組的溫升高點(diǎn)均勻化效果處理，有效減低電機(jī)溫升高點(diǎn)。

1 電機(jī)總體

1.1 總體結(jié)構(gòu)

直線電機(jī)分為初級和次級，初級懸掛在車輛上，采用三點(diǎn)懸掛式，通過前、后吊架安裝在轉(zhuǎn)向架上，次級鋪設(shè)在軌道上，如圖1所示。

圖1 強(qiáng)迫風(fēng)冷直線電機(jī)總體結(jié)構(gòu)

直線電機(jī)主要部件包括鐵心及其焊接件、定子繞組及其固定部件、風(fēng)路結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)、及其電氣接口部件等。電機(jī)剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電機(jī)剖面結(jié)構(gòu)

1.2 主要參數(shù)

強(qiáng)迫風(fēng)冷直線電機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)參數(shù)

2 部件設(shè)計(jì)

2.1 鐵心設(shè)計(jì)

鐵心由沖片、端板板通過長螺桿裝配成鐵心，前、后端懸掛通過鉚釘鉚接在夾板兩端。鐵心四周焊接框架結(jié)構(gòu)，前后焊接結(jié)構(gòu)主要功能用作電機(jī)防撞器，電機(jī)兩側(cè)框架主要用于固定繞組及搭接電機(jī)密封外殼,如圖3所示。

圖3 鐵心

2.2 線圈設(shè)計(jì)

線圈采用4根并繞，單個(gè)線圈4匝，匝間截面排布為2×2，雙引線出現(xiàn)設(shè)計(jì)在線圈外層。為解決繞組排布空間問題，改善電機(jī)繞組散熱能力，該直線電機(jī)繞組線圈設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)牽引電機(jī)線圈設(shè)計(jì)有2處不同：為控制電機(jī)重心在電機(jī)中心，斜邊長度并頭端與非并頭端非等長；該線圈兩個(gè)引線都在線圈外層出線，該方案繞線方案是第一個(gè)餅先繞外層再繞內(nèi)層線圈，再過渡到另一個(gè)餅，從內(nèi)層繞到外層線圈，線圈的引入線和引出線都在線圈外層邊。線圈換匝結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 線圈換匝結(jié)構(gòu)

2.3 懸掛設(shè)計(jì)

直線電機(jī)車輛的一系懸掛需控制直線電機(jī)與軌道的氣隙穩(wěn)定，在運(yùn)行過程中，不能通過較大位移的均勻減速度進(jìn)行減振，導(dǎo)致直線電機(jī)承受的振動(dòng)、沖擊量級更大，直線電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境相比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架安裝的牽引電機(jī)振動(dòng)量級更大。

直線電機(jī)與車輛的機(jī)械接口有3個(gè)吊掛點(diǎn)，如圖5所示。前端1個(gè)橫向安裝孔，負(fù)責(zé)垂向、縱向限位，橫向?qū)儆谌跸尬?球形彈性襯套具有小的偏轉(zhuǎn)自由度)；后端2個(gè)縱向安裝孔，負(fù)責(zé)垂向和橫向限位，縱向存在屬于弱限位。

圖5 直線電機(jī)懸掛

直線電機(jī)產(chǎn)生的推力通過前端吊掛點(diǎn)，傳遞給車輛轉(zhuǎn)向架，為車輛提供動(dòng)力。后端吊掛點(diǎn)作為前端懸掛的輔助懸掛點(diǎn)，保持電機(jī)垂向的平衡。

直線電機(jī)前后3個(gè)吊掛安裝接口孔內(nèi)，都設(shè)計(jì)了球形彈性襯套，用于緩沖直線電機(jī)來自轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)、沖擊。

2.4 輕量化材料應(yīng)用

對直線電機(jī)的非承載結(jié)構(gòu)的外殼密封結(jié)構(gòu)采用鋁合金薄板結(jié)構(gòu)，電機(jī)出風(fēng)口采用薄板的百葉窗結(jié)構(gòu)等，可以有效減小電機(jī)整體重量。

電機(jī)風(fēng)道內(nèi)部的非承載結(jié)構(gòu)件，選用了輕質(zhì)的PPS塑料進(jìn)行注塑成型，節(jié)省部件加工成本的同時(shí)，還可以降低電機(jī)整體重量，為電機(jī)整體重量設(shè)計(jì)留出余量。

3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冷風(fēng)由風(fēng)機(jī)壓入充氣室，隨著充氣室的壓強(qiáng)增大，冷風(fēng)經(jīng)過散熱片、齒壓板及夾板的通風(fēng)口，均勻地流向端部風(fēng)室，變流裝置改變冷風(fēng)流動(dòng)方向，使冷風(fēng)流向繞組端部，擋風(fēng)板強(qiáng)迫冷風(fēng)改變方向，使之流向繞組端部的末端，冷風(fēng)通過繞組端部末端后，往排氣窗流出，達(dá)到冷卻電機(jī)的目的。

圖6 風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，關(guān)乎電機(jī)內(nèi)部風(fēng)路風(fēng)阻，影響風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓等指標(biāo)要求。直線電機(jī)風(fēng)冷效果影響因素如表2所示。

表2 風(fēng)冷效果影響因素

3.1 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

直線電機(jī)冷卻系統(tǒng)冷采用兩個(gè)軸流式風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)，通過螺栓安裝在鐵心背板上。原型機(jī)風(fēng)機(jī)的風(fēng)筒、導(dǎo)流片、電機(jī)定子外殼采用鋁合金一體鑄造而成，轉(zhuǎn)子為鑄鋁轉(zhuǎn)子，葉輪為鑄鋁模壓而成，如圖7所示，該方案可使得風(fēng)機(jī)整體重量控制在最小。

圖7 風(fēng)機(jī)裝配結(jié)構(gòu)

對風(fēng)機(jī)進(jìn)行了性能試驗(yàn)，其特性曲線如圖8～圖10所示。風(fēng)機(jī)在風(fēng)量900 m3/h時(shí)，靜壓360 Pa，此時(shí)風(fēng)機(jī)效率達(dá)到最高，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在風(fēng)量15 m3/min，靜壓360 Pa，此時(shí)滿足電機(jī)溫升散熱需求。

圖8 風(fēng)量與靜壓關(guān)系曲線

圖9 風(fēng)量與全壓關(guān)系曲線

圖10 風(fēng)量與風(fēng)機(jī)效率關(guān)系曲線

3.2 鐵心散熱器設(shè)計(jì)

鐵心散熱器設(shè)計(jì)與鐵心一體沖制而成，如圖11所示。散熱齒的疏密需要平衡制造成本、散熱能力決定，單個(gè)齒槽距離內(nèi)的散熱齒數(shù)量必須為整數(shù)。散熱齒的高度和寬度需要平衡電機(jī)的重量、散熱效率進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖11 沖片(散熱器)

3.3 風(fēng)道結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)

直線電機(jī)內(nèi)部需要對冷卻氣體進(jìn)行導(dǎo)流，控制冷卻氣體流動(dòng)路徑，以提高冷卻效率。冷卻氣體需要均勻的經(jīng)過散熱器的換熱表面和線圈間隙，導(dǎo)流板設(shè)計(jì)需要對冷卻氣體流動(dòng)進(jìn)行精準(zhǔn)控制。端部導(dǎo)流板如圖12所示。

圖12 端部導(dǎo)流板

導(dǎo)流板需要設(shè)計(jì)成弧形，以減小冷卻氣體在風(fēng)道內(nèi)部的紊流現(xiàn)象，降低電機(jī)整體噪聲。

3.4 風(fēng)口防護(hù)設(shè)計(jì)

電機(jī)入風(fēng)口在風(fēng)機(jī)上方，采用帶有百葉窗孔的濾風(fēng)罩，該濾風(fēng)罩可以防止異物順著風(fēng)道入口直接落入電機(jī)內(nèi)部，濾風(fēng)罩的設(shè)計(jì)需要平衡過濾效果和風(fēng)阻。

出風(fēng)口設(shè)計(jì)在電機(jī)兩側(cè)，電機(jī)內(nèi)部冷卻氣體流經(jīng)繞組表面后，從電機(jī)兩側(cè)流出，在出風(fēng)口設(shè)計(jì)百葉窗結(jié)構(gòu)。出風(fēng)口百葉窗具有防止雨水、沙石從電機(jī)兩側(cè)飛入電機(jī)內(nèi)部損壞電機(jī)絕緣，降低電機(jī)可靠性。

4 溫度保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

強(qiáng)迫風(fēng)冷直線電機(jī)在應(yīng)用過程中，隨著季節(jié)變化，空氣中雜物較多，如北京春天楊絮較多，通常會被吸入電機(jī)，造成電機(jī)冷卻風(fēng)道的堵塞，從而導(dǎo)致電機(jī)繞組溫度上升，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致電機(jī)繞組燒損。

為避免這類情況，需要在電機(jī)內(nèi)部安裝溫度傳感器對電機(jī)進(jìn)行溫度保護(hù)。本項(xiàng)目在電機(jī)繞組端部安裝3個(gè)PT100，RT1、RT2、RT3，其中RT1、RT2接入電連接器中，正常情況采集RT1信號，當(dāng)RT1故障時(shí)，采集RT2信號，停機(jī)后拆開電機(jī)機(jī)殼，將RT1從電連接器上拆除，同時(shí)將RT3接入電連接器。設(shè)計(jì)多個(gè)溫度傳感器可以有效提高溫度保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

從電機(jī)設(shè)計(jì)的絕緣等級可靠性角度，確定電機(jī)溫度保護(hù)報(bào)警邏輯如下：

(1)溫度達(dá)到180℃時(shí)報(bào)警；

(2)溫度達(dá)到200℃時(shí)報(bào)警+運(yùn)行30 min內(nèi)給電機(jī)斷電；

(3)溫度達(dá)到220℃時(shí)直接給電機(jī)斷電。

5 電機(jī)試驗(yàn)

對強(qiáng)迫風(fēng)冷直線電機(jī)工程化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行樣機(jī)試制，試制產(chǎn)品如圖13所示。

圖13 試制產(chǎn)品

電機(jī)已經(jīng)完成地面相關(guān)型式試驗(yàn)，從已完成的試驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)堵動(dòng)推力、繞組溫升、浸水、耐壓試驗(yàn)等項(xiàng)點(diǎn)都通過了試驗(yàn)考核，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度通過振動(dòng)沖擊試驗(yàn)考核，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

電機(jī)性能指標(biāo)地面試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

電機(jī)進(jìn)行地面溫升試驗(yàn)時(shí)(電源頻率28.8 Hz, 電流400 A)，在60 min左右，溫升達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定在107 K左右，電機(jī)升溫過程如圖14所示。

圖14 電機(jī)升溫過程

6 結(jié) 語

強(qiáng)迫風(fēng)冷直線電機(jī)的工程化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是平衡電機(jī)的推力、重量、溫升等性能指標(biāo)，本文從工程設(shè)計(jì)的角度，簡述了強(qiáng)迫風(fēng)冷直線電機(jī)關(guān)鍵設(shè)計(jì)方案，對輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新材料的應(yīng)用、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電機(jī)溫度保護(hù)等方面的設(shè)計(jì)研究進(jìn)行了說明，通過試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案符合設(shè)計(jì)要求。