李汛保,何云風,王松巖,龔斯琦

(中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引 言

直線牽引電機城市軌道車輛相比傳統(tǒng)旋轉牽引電機車輛，具有轉彎半徑小、爬坡能力強、隧道盾構面小、隧道建設成本低、噪音小和維護簡單等特點[1]。國內(nèi)軌道交通市場應用直線電機車輛的線路主要有北京地鐵首都機場線、廣州地鐵4、5、6號線，也有磁浮領域中低速磁懸浮長沙機場磁浮線、北京S1示范線、清遠磁浮線等，相比傳統(tǒng)旋轉牽引電機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構和企業(yè)單位學者進行直線電機的應用研究與產(chǎn)品開發(fā)[2～5]。

配套北京地鐵首都機場線車輛的牽引電機為大功率強迫風冷直線電機，強迫風冷方案可以有效平衡電機重量、推力和溫升的關系。強迫風冷直線電機的牽引特性計算是研究熱點[6～8]，工程化設計研究較少。本文側重在電機的工程化設計，在電機結構方面，進行了輕量化設計，以滿足電機輕量化指標，在電機溫升方面，進行了風道結構優(yōu)化，降低電機風阻，達到對電機繞組的溫升高點均勻化效果處理，有效減低電機溫升高點。

1 電機總體

1.1 總體結構

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

圖1 強迫風冷直線電機總體結構

直線電機主要部件包括鐵心及其焊接件、定子繞組及其固定部件、風路結構、密封結構、風機、及其電氣接口部件等。電機剖面結構如圖2所示。

圖2 電機剖面結構

1.2 主要參數(shù)

強迫風冷直線電機的主要參數(shù)如表1所示。

表1 電機參數(shù)

2 部件設計

2.1 鐵心設計

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構，前后焊接結構主要功能用作電機防撞器，電機兩側框架主要用于固定繞組及搭接電機密封外殼,如圖3所示。

圖3 鐵心

2.2 線圈設計

線圈采用4根并繞，單個線圈4匝，匝間截面排布為2×2，雙引線出現(xiàn)設計在線圈外層。為解決繞組排布空間問題，改善電機繞組散熱能力，該直線電機繞組線圈設計與傳統(tǒng)牽引電機線圈設計有2處不同：為控制電機重心在電機中心，斜邊長度并頭端與非并頭端非等長；該線圈兩個引線都在線圈外層出線，該方案繞線方案是第一個餅先繞外層再繞內(nèi)層線圈，再過渡到另一個餅，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。線圈換匝結構如圖4所示。

圖4 線圈換匝結構

2.3 懸掛設計

直線電機車輛的一系懸掛需控制直線電機與軌道的氣隙穩(wěn)定，在運行過程中，不能通過較大位移的均勻減速度進行減振，導致直線電機承受的振動、沖擊量級更大，直線電機的運行環(huán)境相比傳統(tǒng)轉向架安裝的牽引電機振動量級更大。

直線電機與車輛的機械接口有3個吊掛點，如圖5所示。前端1個橫向安裝孔，負責垂向、縱向限位，橫向屬于弱限位(球形彈性襯套具有小的偏轉自由度)；后端2個縱向安裝孔，負責垂向和橫向限位，縱向存在屬于弱限位。

圖5 直線電機懸掛

直線電機產(chǎn)生的推力通過前端吊掛點，傳遞給車輛轉向架，為車輛提供動力。后端吊掛點作為前端懸掛的輔助懸掛點，保持電機垂向的平衡。

直線電機前后3個吊掛安裝接口孔內(nèi)，都設計了球形彈性襯套，用于緩沖直線電機來自轉向架的振動、沖擊。

2.4 輕量化材料應用

對直線電機的非承載結構的外殼密封結構采用鋁合金薄板結構，電機出風口采用薄板的百葉窗結構等，可以有效減小電機整體重量。

電機風道內(nèi)部的非承載結構件，選用了輕質的PPS塑料進行注塑成型，節(jié)省部件加工成本的同時，還可以降低電機整體重量，為電機整體重量設計留出余量。

3 冷卻系統(tǒng)設計

冷風由風機壓入充氣室，隨著充氣室的壓強增大，冷風經(jīng)過散熱片、齒壓板及夾板的通風口，均勻地流向端部風室，變流裝置改變冷風流動方向，使冷風流向繞組端部，擋風板強迫冷風改變方向，使之流向繞組端部的末端，冷風通過繞組端部末端后，往排氣窗流出，達到冷卻電機的目的。

圖6 風道結構設計

風路結構設計，關乎電機內(nèi)部風路風阻，影響風機風量、風壓等指標要求。直線電機風冷效果影響因素如表2所示。

表2 風冷效果影響因素

3.1 風機設計

直線電機冷卻系統(tǒng)冷采用兩個軸流式風機強迫通風，通過螺栓安裝在鐵心背板上。原型機風機的風筒、導流片、電機定子外殼采用鋁合金一體鑄造而成，轉子為鑄鋁轉子，葉輪為鑄鋁模壓而成，如圖7所示，該方案可使得風機整體重量控制在最小。

圖7 風機裝配結構

對風機進行了性能試驗，其特性曲線如圖8～圖10所示。風機在風量900 m3/h時，靜壓360 Pa，此時風機效率達到最高，風機工作點設計在風量15 m3/min，靜壓360 Pa，此時滿足電機溫升散熱需求。

圖8 風量與靜壓關系曲線

圖9 風量與全壓關系曲線

圖10 風量與風機效率關系曲線

3.2 鐵心散熱器設計

鐵心散熱器設計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的重量、散熱效率進行設計。

圖11 沖片(散熱器)

3.3 風道結構部件設計

直線電機內(nèi)部需要對冷卻氣體進行導流，控制冷卻氣體流動路徑，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，導流板設計需要對冷卻氣體流動進行精準控制。端部導流板如圖12所示。

圖12 端部導流板

導流板需要設計成弧形，以減小冷卻氣體在風道內(nèi)部的紊流現(xiàn)象，降低電機整體噪聲。

3.4 風口防護設計

電機入風口在風機上方，采用帶有百葉窗孔的濾風罩，該濾風罩可以防止異物順著風道入口直接落入電機內(nèi)部，濾風罩的設計需要平衡過濾效果和風阻。

出風口設計在電機兩側，電機內(nèi)部冷卻氣體流經(jīng)繞組表面后，從電機兩側流出，在出風口設計百葉窗結構。出風口百葉窗具有防止雨水、沙石從電機兩側飛入電機內(nèi)部損壞電機絕緣，降低電機可靠性。

4 溫度保護系統(tǒng)設計

強迫風冷直線電機在應用過程中，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，造成電機冷卻風道的堵塞，從而導致電機繞組溫度上升，嚴重的可能導致電機繞組燒損。

為避免這類情況，需要在電機內(nèi)部安裝溫度傳感器對電機進行溫度保護。本項目在電機繞組端部安裝3個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RT1故障時，采集RT2信號，停機后拆開電機機殼，將RT1從電連接器上拆除，同時將RT3接入電連接器。設計多個溫度傳感器可以有效提高溫度保護系統(tǒng)的可靠性。

從電機設計的絕緣等級可靠性角度，確定電機溫度保護報警邏輯如下：

(1)溫度達到180℃時報警；

(2)溫度達到200℃時報警+運行30 min內(nèi)給電機斷電；

(3)溫度達到220℃時直接給電機斷電。

5 電機試驗

對強迫風冷直線電機工程化設計方案進行樣機試制，試制產(chǎn)品如圖13所示。

圖13 試制產(chǎn)品

電機已經(jīng)完成地面相關型式試驗，從已完成的試驗結果表明，電機堵動推力、繞組溫升、浸水、耐壓試驗等項點都通過了試驗考核，結構強度通過振動沖擊試驗考核，各項指標均滿足設計要求。

電機性能指標地面試驗結果如表3所示，試驗結果符合設計要求。

表3 試驗結果

電機進行地面溫升試驗時(電源頻率28.8 Hz, 電流400 A)，在60 min左右，溫升達到穩(wěn)定，穩(wěn)定在107 K左右，電機升溫過程如圖14所示。

圖14 電機升溫過程

6 結 語

強迫風冷直線電機的工程化設計的難點是平衡電機的推力、重量、溫升等性能指標，本文從工程設計的角度，簡述了強迫風冷直線電機關鍵設計方案，對輕量化結構設計、新材料的應用、冷卻系統(tǒng)設計、電機溫度保護等方面的設計研究進行了說明，通過試驗驗證設計方案符合設計要求。