700 kW 氫燃料電池混合動(dòng)力機(jī)車牽引電機(jī)設(shè)計(jì)研究★

韓志業(yè)，張文元，高生嵐

（中車大同電力機(jī)車有限公司技術(shù)中心，山西 大同 037038）

引言

2020 年12 月，中車大同電力機(jī)車有限公司研發(fā)的700 kW 氫燃料電池混合動(dòng)力機(jī)車成功下線，機(jī)車采用“動(dòng)力蓄電池+氫燃料電池系統(tǒng)”混合動(dòng)力供電方式，最高運(yùn)行速度為80 km/h，主要適用于機(jī)務(wù)段、礦山、港口等場所的調(diào)車、轉(zhuǎn)運(yùn)等任務(wù)。氫燃料機(jī)車設(shè)計(jì)中涉及眾多關(guān)鍵技術(shù)，針對牽引電機(jī)設(shè)計(jì)小型化、寬速度范圍運(yùn)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(yàn)證。

1 氫燃料機(jī)車簡述

氫燃料機(jī)車采用動(dòng)力蓄電池和氫燃料電池供電方式，變流器對牽引電機(jī)采用架控方式，直流母線電壓范圍在DC640 V～DC832 V，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。氫燃料電池根據(jù)動(dòng)力蓄電池電壓等級進(jìn)行充電，蓄電池直接給牽引逆變器供電，直流電源波動(dòng)范圍較寬。

圖1 氫燃料機(jī)車主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

機(jī)車恒功運(yùn)行速度范圍在11.8～80 km/h，起動(dòng)牽引力250 kN，最大再生制動(dòng)力160 kN。機(jī)車常用牽引速度一般都處于較低轉(zhuǎn)速區(qū)間，牽引電機(jī)和變流器負(fù)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(diào)節(jié)；牽引特性控制曲線如圖2所示。

圖2 機(jī)車牽引特性曲線

2 牽引電機(jī)主要結(jié)構(gòu)和參數(shù)

牽引電機(jī)采用6 極鼠籠式三相感應(yīng)電機(jī)，以滾抱方式安裝在轉(zhuǎn)向架上，主動(dòng)齒輪安裝在電機(jī)傳動(dòng)端軸承內(nèi)側(cè)；非傳動(dòng)端為非絕緣圓柱滾子軸承+角圈帶電刷，采用脂潤滑；傳動(dòng)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(jié)構(gòu)，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(jìn)行沒水試驗(yàn)。定子外部裝有接線盒，并引出三相引出線。轉(zhuǎn)子鐵心由低損耗厚0.5 mm 冷軋硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)子鼠籠為池槽式對接結(jié)構(gòu)，由高強(qiáng)度純銅導(dǎo)條與鉻鋯銅端環(huán)通過感應(yīng)釬焊而成。導(dǎo)條打入槽后，用專用工裝將導(dǎo)條漲緊。傳動(dòng)端套裝齒輪。電機(jī)定子鐵心安裝一個(gè)溫度傳感器（PT100），用于監(jiān)控定子的溫度，保證電機(jī)的安全運(yùn)行。非傳動(dòng)端安裝速度傳感器。電機(jī)傳動(dòng)端與非傳動(dòng)端預(yù)留軸承溫度和振動(dòng)傳感器安裝接口，用于安裝6 A 系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)軸承溫度和振動(dòng)狀態(tài)。

電機(jī)采用軸向強(qiáng)迫通風(fēng)方式進(jìn)行冷卻，進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在傳動(dòng)端，定子拉板與定子鐵心間設(shè)計(jì)有風(fēng)道，為改善轉(zhuǎn)子的散熱，轉(zhuǎn)子上開有軸向通風(fēng)孔，冷卻風(fēng)通過轉(zhuǎn)子通風(fēng)孔和定轉(zhuǎn)子間的氣隙從非傳動(dòng)端端蓋軸向排出。

電機(jī)三維模型如下頁圖3 所示。

圖3 牽引電機(jī)三維模型

電機(jī)的基本參數(shù)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(zhuǎn)速范圍為289.6～1 970 r/min；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為6 880 N·m；額定效率為88%；冷卻風(fēng)壓為650 Pa；冷卻風(fēng)量為0.5 m3/s；絕緣等級為200 級；質(zhì)量為1 650 kg。

電機(jī)的牽引特性曲線見圖4。

圖4 牽引特性曲線

3 電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

相對普通機(jī)車，氫燃料機(jī)車要求牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速不高、恒功點(diǎn)速度低，考慮調(diào)車機(jī)車限界空間限制，四極電機(jī)無法實(shí)現(xiàn)，因此選擇6 極感應(yīng)電機(jī)。繞組匝數(shù)多，電機(jī)電壓高，電流小，電機(jī)發(fā)熱少，電壓調(diào)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(jī)車恒功倍數(shù)高，同時(shí)電壓較低，增加匝數(shù)會(huì)降低恒功速度。斟酌考慮電機(jī)匝數(shù)選擇3 匝。

氫燃料混合動(dòng)力機(jī)車在滿足最大啟動(dòng)牽引力條件下，合理匹配電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和齒輪傳動(dòng)比，在保證齒輪強(qiáng)度的前提下，盡量選擇大傳動(dòng)比，可以減小電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，降低電機(jī)的磁場飽和度，電機(jī)控制精確穩(wěn)定，同時(shí)降低了成本。綜合考慮確定齒輪傳動(dòng)比為103/22，牽引電機(jī)最大啟動(dòng)扭矩為6 880 N·m。

針對氫燃料機(jī)車牽引電機(jī)，主要技術(shù)問題在保證電機(jī)良好的散熱性能。從電機(jī)設(shè)計(jì)角度，電機(jī)定子采用全疊片無機(jī)殼結(jié)構(gòu)，以減輕重量和改善散熱；在保證過載能力的同時(shí)，盡可能提高繞組匝數(shù)，以提高電機(jī)額定電壓，降低變流器供電諧波，從而減少發(fā)熱量；電機(jī)的繞組、導(dǎo)條、端環(huán)選用低電阻率材料，優(yōu)化定、轉(zhuǎn)子槽型和導(dǎo)條規(guī)格；同時(shí)增加定、轉(zhuǎn)子槽口深度，提高散熱面積；在定子和轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)中考慮了通風(fēng)路徑，加強(qiáng)冷卻風(fēng)對定子繞組端部的冷卻，提高冷卻風(fēng)的利用率。同時(shí)，為防止出風(fēng)端軸承溫升高，在出風(fēng)端軸承室設(shè)計(jì)隔熱層，有效隔開熱源與端蓋軸承室熱量的傳遞，降低出風(fēng)端軸承的溫度。

采用fluent 流體分析軟件建立電機(jī)模型，對電機(jī)在額定工況下的流場和溫度場進(jìn)行仿真分析，設(shè)定通風(fēng)量為0.5 m3/s，環(huán)境溫度為20 ℃。仿真結(jié)果如圖5所示，最高溫度出現(xiàn)在電機(jī)定子線圈上，最高溫度為155.55 ℃，最高點(diǎn)溫升為135.55 K，滿足電機(jī)200 級絕緣等級設(shè)計(jì)要求。電機(jī)各部件溫度分布如表1 所示。

圖5 電機(jī)各部件溫度（℃）分布圖

表1 電機(jī)各部件溫度分布

同時(shí)，開展了電機(jī)溫升試驗(yàn)研究，試驗(yàn)條件與仿真中電機(jī)運(yùn)行工況、通風(fēng)條件設(shè)定相同，環(huán)境溫度為29.5 ℃。溫升試驗(yàn)電機(jī)在額定工況運(yùn)行3 h，電機(jī)各部件溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)，電機(jī)定子線圈上出現(xiàn)最高溫度為140.3 ℃，最高點(diǎn)溫升為110.8 K。對比電機(jī)試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果，電機(jī)散熱分析結(jié)果一致，仿真數(shù)據(jù)留有較大余量。同時(shí)，觀測電機(jī)出風(fēng)端軸承溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)為47 K，滿足脂潤滑軸承要求[1-3]。

4 結(jié)語

氫燃料電池混合動(dòng)力機(jī)車成功下線標(biāo)志著氫能進(jìn)入機(jī)車牽引領(lǐng)域。設(shè)計(jì)過程中涉及眾多關(guān)鍵技術(shù)，需牽引電機(jī)適應(yīng)寬范圍直流供電，滿足電機(jī)小型化、寬速度范圍運(yùn)行條件。電機(jī)的設(shè)計(jì)依據(jù)、散熱設(shè)計(jì)等關(guān)鍵問題經(jīng)過了深入研究，并通過仿真驗(yàn)證和試驗(yàn)驗(yàn)證對比證明設(shè)計(jì)的正確性，為類似電機(jī)設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。