城轨车辆用交流异步牵引电机的研制

滕强, 姜辉，张春红

(大连日牵电机有限公司，辽宁大连 116100)

城轨车辆用交流异步牵引电机的研制

滕强, 姜辉，张春红

(大连日牵电机有限公司，辽宁大连 116100)

交流异步牵引电机作为现代城市轨道车辆驱动系统的核心，日益受到用户重视。其设计受到车辆自身结构、运行线路等多方面因素的影响。从电磁设计、结构设计两方面介绍了城轨车辆用200kW交流异步牵引电机的总体设计方案，并通过试验验证，为实现公司城轨车辆用交流异步牵引电机系列化开发打下坚实的基础。

城轨车辆;牵引电机；电磁设计；结构设计

0 引言

随着城市规模的不断扩大，交通日益拥挤，各国对能源消耗和环境污染的逐渐关注，人们开始倾向于选择绿色、快捷、安全的出行方式，城市轨道交通系统便完全符合这种需求，目前被各国政府大力提倡。牵引电机作为城市轨道车辆驱动系统的核心部件，其重要性也日益受到重视。

对于城市轨道车辆用异步牵引电机，其设计受到牵引特性、转向架尺寸、安装形式、齿轮传动比等约束。不同的车辆，其运行参数和结构参数、电机的外形尺寸、功率都不尽相同[1]。这就需要根据车辆根据不同线路的运行特点进行针对性的开发。

我公司近年来相继开发并投入使用了多个规格的矿山自卸车用交流牵引电机、矿山支线机车用牵引电机、节能与新能源车用交流牵引电机。随着这些机型的成熟运用，我公司又开发出城轨车辆用200kW交流异步牵引电机，其性能和结构尺寸满足了用户的需求。

1 电磁设计

1.1 性能选取

牵引电机是城轨车辆的动力来源，它的工作状态直接影响车辆的运行。与传统变频调速异步电机相比，其性能上具有转矩倍数大、过载能力强、加速和制动响应快、调速范围宽等特点。在城轨车辆运行时，由于两站间的距离较短，需要电机适应车辆周期性加速、减速的要求。若以车辆在两站之间运行作为一个周期，则一周期一般包括：牵引、惰行、制动、停车四个阶段。

车辆开始起步即进入牵引阶段。由于城轨车辆运行速度范围宽，牵引电机既要保证低速时的大转矩，又要满足最高时速所需的功率。根据整车的牵引特性及控制系统容量设计出最优的电机牵引参数曲线，满足车辆恒转矩、恒功率、自然特性三个区域的牵引要求。

车辆开始起步至快速加速段，电机运行在恒转矩区，通过变压变频控制使电机内部磁场始终保持在饱和状态，最大程度利用电机铁磁导电材料，使牵引电机充分并持续地输出大转矩保证车辆所需的瞬间起动和低速段强劲的加速能力。

随着车辆速度的提升，其对加速能力的需求有所降低，电机进入恒功率区。这时电机功率维持恒定，电机的内部磁场和输出转矩随着车速的提升，逐渐减弱和下降。车辆仍处于加速过程中，但加速趋势减缓。

车速持续提升，车辆达到最大允许车速，电机进入自然特性区。此时由于电机已处于弱磁段的尾部，内部磁场较弱，可维持车辆额定运行，无法提供更大的加速能力[2]。最后，控制系统根据线路设定会择机进行牵引和惰性状态的切换，至此电机牵引过程结束。

表1 牵引特性参数

车辆即将到站前要减速，牵引电机进入制动状态。制动分为自然特性段、恒转矩段，需要满足车辆的制动特性。

表2 制动特性参数

1.2 参数确定

根据电机整个运行区段的等效发热，确定电机额定参数如下：电机型号：YPQ-200；相数：三相；额定功率：200kW；额定电压：1100V AC；极数：4极；额定频率：86Hz；工作制：S1；定子绕组连接方式：Y；绝缘等级：200级；防护等级：IP44；冷却方式：自扇空冷；安装方式：独立悬挂。

2 结构设计

2.1 机械结构

电机结构图如图1所示，其中定子采用外压装结构，铁心为开口槽型，嵌入成型线圈绕组。机壳采用焊接结构，既保证电机整体强度要求，还要参与电机的风路和安装结构。机座上部焊有坚固的鼻悬和支座使其能安装于转向架上。

图1 电机结构图

在非驱动端设计有进风口，从车体下部获取冷却空气经过滤后进入电机内部，首先冷却一侧绕组端部。然后，一部分经气隙穿过铁心到达另一侧，另一部分冷却转子端部导条和端环后经转子铁心到达另一侧。汇合后冷却另一侧绕组端部，最终进入风扇，从端盖上的排气孔排出。

转子为焊接铜条式，导条采用电阻温度系数较小的高强度铜合金，与纯铜锻制端环焊接并精加工后，套入护环提升高速运行时的端部强度。转轴用优质合金钢锻造，后经粗加工、调质、精加工和磨削加工而成。优质的材料和合理的设计要使转轴具有高强度又有好的抗冲击韧性。电机上部配有接线盒方便配线和维护。

2.2 轴承选取

由于该类电机轴承要承受高转速、重负荷、高温升、强振动等苛刻运行条件的考验，所以轴承的选择要有针对性，并采取相应的保护和维护措施。传动端载荷较大，选用大尺寸的NUP型圆柱滚子轴承作为定位轴承，除承受径向负荷外，还承担电机轴向定位和轴向负荷。非传动端载荷小，选用小尺寸的NU型圆柱滚子轴承。选择时，按轴承载荷能力和极限转速间的最佳结合确定选择中系列轴承。

为避免定子绕组中性点电位不为零而形成的共模电压引起的轴电流及逆变器产生的高次谐波对轴承的电蚀，该电机选用绝缘轴承。且两侧轴承内外盖分别与各自挡尘环形成无接触式迷宫结构，并设置有导气通道。不仅可避免废油脂进入电机内部，还能防止由于两侧气压不等造成灰尘随气流进入轴承室，污染轴承润滑脂的现象。

2.3 绝缘结构

该电机由逆变器供电，波形中含大量谐波和尖峰脉冲，脉冲峰值可达基准电压的几倍，且波前时间短，这都对电机绝缘系统的绝缘强度、耐电晕能力提出了很高的要求。如表3所示，该电机绝缘材料的绝缘等级均采用200级。定子绕组采用C级真空压力浸漆，提高电气性能的同时也增强了整体机械强度和导热能力。

表3 绝缘结构表

2.4 焊接工艺

定子线圈间联接线、极间相间联接线均采用中频感应焊接。焊夹夹紧后，焊机产生的瞬间感应高温将联接处填充的银基钎料片融化，快速联接成一体，牢固可靠，对临近绝缘损伤小。该焊机所用焊夹采用了冷却水降温的方法，保证了四周绝缘材料不烧损[3]。

转子导条与端环的焊接也采用专用的中频感应焊机，可有效提高焊接质量，降低成本，提高工作效率。

3 试验验证

3.1 负载试验

电机额定点运行作负载性能试验，如表4所示。从数据对比可以看出，试验值与设计值相符。

表4 负载试验数据

3.2 噪声试验

电机运行时的主要噪声来源有：机械噪声、电磁噪声、风道噪声。经过不断的优化电磁结构设计和通风设计可将噪声控制到合理范围内。对电机的不同位置进行噪声测量，测量位置如图2所示，测量结果如表5所示，试验结果符合用户要求。

图2 电机噪声测量位置

3.3 振动试验

电机运行时自身产生的振动过大不仅对自身有影响，对其相联的设备也会造成危害。模拟实际安装方式将电机安装于试验平台，在额定转速下对不同位置的振动速度进行测量，测量位置如图3所示，测量结果如表6所示，试验结果符合用户要求。

图3 电机振动测量位置

3.4 温升试验

电机在86Hz、200kW、129A、1100V供电条件下持续运行，电机的温升为74.3K，即使考虑到谐波损耗及变流器供电的影响。电机的温升也低于200级绝缘系统所允许的温升极限。

4 结语

通过对城轨车辆用200kW交流异步牵引电机从设计、试验等方面进行论证，得出了以下结论：(1)从性能选取、参数确定两方面论证了电磁设计的合理性；(2)从机械结构、轴承选取、绝缘结构、焊接工艺四方面阐述了结构设计的可靠性；(3)负载试验值与设计值吻合；电机噪声、振动符合用户要求。电机温升满足使用要求。

[1] 仝力，徐国卿，陶生桂. 城市轨道车辆异步牵引电动机型谱特点及额定参数的确定[J]. 城市轨道交通研究. 1999(2):16-19.

[2] 陈世坤．电机设计[M].北京：机械工业出版社,1990.

[3] 冯苏．GE窄轨机车牵引电机大修工艺[J]．机车车辆工艺，1999(2):19-21.

Development of AC Asynchronous Traction Motor forUrban Railway Vehicle

TengQiang,JiangHui,andZhangChunhong

(Dalian Riqian Electrical Machine Co., Ltd., Dalian 116100, China)

As core of the driving system of modern urban railway vehicle, AC asynchronous traction motor is increasingly valued by users, and its design is influenced by many factors such as vehicle structure and operating line. This paper introduces the overall design scheme of a 200kW AC asynchronous traction motor for urban railway vehicles in aspects of electromagnetic design and structural design. It laies a certain foundation for serial development of AC asynchronous traction motor of urban railway vehicle.

Urban railway vehicle;traction motor;electromagnetic design;structural design

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.02.03

TM302

A

1008-7281(2017)02-0008-004

滕强 男 1982年生；毕业于沈阳工业大学电气工程及其自动化，现主要从事特种牵引电机的设计及研发。

2016-11-28