浅谈一种带风道的改进型强迫风冷直线电机

张永才，于晓杰，张雄飞，刘峰

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）

1 概述

目前，国内外城市轨道交通用直线电机主要有两种：自然风冷直线电机和强迫风冷直线电机，这两种电机平台比较成熟且应用较多。自然风冷直线电机靠列车走行风进行冷却，其散热效果受列车运行速度影响较大，线路条件较差时，电机温升过高容易发生烧损；强迫风冷直线电机自身带有冷却风机，依靠冷却风机对直线电机吹风散热，但冷却风机所受振动冲击较大，其轴承故障率较高。本文将设计一款改进型强迫风冷直线电机，结合两种直线电机平台的优点，保留既有自然风冷直线电机的成熟结构，仅在电机上部增加冷却风道；同时，采用强迫风冷直线电机的设计，但冷却风机不再安装于电机本身，而是安装于振动冲击相对较小的车体。

2 改进型强迫风冷直线电机设计

由于既有自然风冷直线单机平台成熟，且具有良好的应用基础。为提高改进型直线电机的可用性和可靠性，本文基于自然风冷直线电机平台进行改造，仅在电机上部增加冷却风道，总体结构、安装接口与既有平台保持一致，使得电机结构变动尽量小，以使得电机电磁方案具有良好的继承性。同时，避免新型研发带来的未知风险，比如，框架结构强度不足、线圈绝缘等级不够等。具体描述如下。

2.1 直线电机风道设计

本文改进型直线电机在“排障器、二次防脱、引出线装配、铁芯装配、悬挂”等方面均沿用既有自然风冷直线电机成熟结构，仅在框架中部通增设冷却风道，此时，直线电机框架也将作为风道的一部分，如图1和图2所示。

图1 既有自然风冷直线电机

图2 改进后的带风道直线电机

2.2 冷却通风散热设计

既有自然风冷直线电机纯靠走行风自然冷却，但当站间距短、坡道多、加减速频繁时，电机温升相当显著，极易超出电机温升限值，造成直线电机烧损，给列车运营到来极大安全隐患，并严重影响运营效率。而既有强迫风冷直线电机属于全封闭结构，仅保留进出气口，当被异物阻塞时，也易造成电机温升过高，需要经常对电机进行吹风处理。

为解决自然风冷电机温升过高、强迫风风冷电机易被阻塞的问题，特将冷风从风机顶部引入，并沿着风道方向流通，使得电机中部铁芯得以冷却。同时，将既有直线电机平台框架圆孔改为通风用方孔，使得改进型电机可以侧出风，电机外侧线圈得以冷却，如图3所示。同时，保留了自然风冷直线电机走行风的冷却方式，可以辅助直线电机底部散热，如图3展示了改进型直线电机强迫风与走行风的流向。

图3 改进型直线电机冷却风流向图

此外，由于改进型直线电机属于半封闭结构，进出风口基本不会出现异物（如柳絮、灰尘等）阻塞的问题。

2.3 直线电机与车体冷却风道的连接设计

既有强迫风冷直线电机及其冷却风机为一体，共同安装于转向架，但由于转向架振动冲击比较强烈，极易造成冷却风机轴承故障，使得直线电机温升过高，故需经常更换冷却风机。

为解决上述冷却风机受振动影响较大的问题，改进型直线电机冷却风机不再设置于电机本身，而是安装于车体，并在车体上安装冷却风道；车体冷却风道与冷却风机之间采用软风道连接。

为将冷却风引入改进型直线电机，并弥补车体与转向架之间的相对位移，在车体冷却风道与直线电机之间采用伸缩管连接。改进型直线电机安装于转向架的，示意图4所示。

图4 车体冷却风道与直线电机连接示意图

综上所述，改进型直线电机在与既有自然风冷直线电机总体结构和安装接口一致的前提下，在框架中部区域设置了冷却风道，通过伸缩管与车体的冷却风机及冷却风道连接。冷却风从车体风道引入后，流过中部铁芯散热，同时，可以从直线电机侧面通风口流出，辅助外侧线圈散热。

3 地面温升试验验证

直线电机初级线圈（定子）安装于车辆转向架，次级线圈（转子）安装于轨道，该特点决定了其实际温升性能只能通过装车考核，但为验证改进后直线电机的优势，特进行地面通流对比试验，以证明本文直线电机改进方案的可行性。通过在“电机槽内线圈层间”埋置PT100温传（共11处），在“铁芯齿部、铁心背部、线圈端部”粘贴PT100温传（共20处），并对图1的自然风冷直线电机和图2改进型直线电机，分别加载相同的特定电流（既有车实测电机RMS电流），其中改进型直线电机通以2200m3/h的风量（根据既有车可以提供的风量核算）。在加载特定电流后，当电机温度在一小时内变化小于2K时，认为电机温度已经稳定，最终试验对比结果如下。

根据试验结果可以看出，相比自然风冷直线电机，虽然改进型直线电机加入风道，整体结构变为半封闭，但由于冷却风机的设置，温升下降效果明显，且损耗降低20%，同时，有利于车辆的节能设计。

表1 温升试验对比表

4 结语

本文设计了一种可以用于城市轨道交通列车的改进型强迫风冷直线电机，其自身带有冷却风道，通过安装在车体上的冷却风机及风道进行吹风冷却，车体风道与电机风道之间采用伸缩管连接。本文设计的改进型强迫风冷直线电机，具有如下明显的优势。（1）与既有自然风冷直线电机相比，设置了冷却风道，具备了强迫风冷功能，与走行风相比，冷却效果更好，可以大幅降低电机绕组温升，有效提升电机运行可靠性，同时利于电机功率扩充及整车性能提升。（2）与既有强迫风冷直线电机相比，冷却风机安装于车体，振动冲击较小，故障率将会降低，使用寿命将大大提高。