全封闭式自通风异步牵引电机关键技术研究*

李 新 ， 何艳芳 ， 张振伟

（1.湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001；中科盛创（青岛）电气股份有限公司，山东 青岛 266009）

1 概述

现代有轨电车的运行站站间距短，相对于高铁和地铁具有启动加速度大、启停频繁等特点，因此决定了其牵引特性与大铁路机车和动车不同，大铁路机车和动车达到额定功率时，维持额定功率运行，而有轨电车达到最大功率时维持最大功率恒功率运行，然后根据电机特性进入自然特性运行阶段。

1）国外概况。ABB应用于100%低地板的牵引电机以平台化方式进行开发，包括中心高200、225系列，电机持续功率65 kW、120 kW、150 kW等各系列牵引电机供客户选择，并可根据具体线路的车辆载荷谱进行电机温升发热等温度场仿真分析，应用于各具体项目分析。奥地利TSA基于一定中心高提供定制化电机，根据车辆牵引特性要求，牵引计算功率需求，进行参数调整和设计优化。目前TSA暂无国内工厂，以整机进口为主。捷克SKD拥有75 kW、120 kW两款异步牵引电机，主要供给INEKON公司低地板车辆进行电机选型。德国VEM电机在低地板车辆业务板块主要为西门子、庞巴迪等轨道车辆供货。同时，西门子、庞巴迪等整车企业都有自己的电机自主开发业务，西门子以齿轮箱和牵引电机组成的驱动单元整体向外供货[1-5]。

2）国内概况。相关企业具有成熟的地铁电机、高铁电机的开发经验，但在低地板电机开发方面，经验不足，成功应用的案例较少。湘潭电机引进日本东洋技术进行地铁异步牵引电机的生产制造多年，目前尚未开展低地板有轨电车用异步牵引电机的开发。株洲电机在进行车辆牵引开发时，与相关单位进行了永磁水冷牵引电机的开发，进行了装车运行。中车永济电机开发了应用于浑南线70%低地板的牵引电机，未大批量应用[6-7]。

2 低地板有轨电车异步牵引电机特点和应用

根据有轨电车的应用环境要求，有轨电车主要应用于城市轨道交通，车辆载客量最大在9人/平方米，牵引电机主要安装于车辆底部转向架构架，受安装空间及电机运行环境限制，国内外公司提供的低地板牵引电机标定的额定功率范围最大不超过130 kW，在一定的线路条件和牵引系统配置下，基本能满足车辆应用技术规格参数的要求。西门子、VEM等公司提供的低地板用异步电机常用额定功率为105 kW；ABB、TSA、SKD提供的电机额定功率120 kW，ABB、TSA可标定最大额定功率130 kW，但根据具体线路核算，已达到线路载荷的最大值。

2.1 牵引电机设计要点

特性参数计算是异步牵引电机设计中的一个重要内容。普通工频异步电机的特性参数计算已有比较成熟的理论和方法，但由逆变器供电的异步牵引电机与工频异步电机相比在运行特性等方面有很大的区别，要想取得满意的技术经济效能，需对异步电动机电磁设计参数的选取、牵引电动机与逆变器的匹配进行讨论，对牵引电机进行电磁设计和稳态校核。

由于变频电源输出的谐波影响，变频调速异步电动机的电磁负荷应取较小的值。但是，其特殊的周围环境，使得对其外部尺寸和重量指标有严格的要求，不允许体积和重量过大，这就使得将其电磁负荷取较大值成为必要。因此，电机零部件的电气、电磁、绝缘性能，结构件强度，电机冷却方式等都是低地板有轨电车牵引电机需反复考虑的技术点[8-11]。

2.2 结构特点

目前，低地板有轨电车牵引电机中，主要以异步鼠笼牵引电机为主，如图1所示。电机安装于低地板车辆底面，空间狭小，靠近地面，运行环境条件恶劣，电机以全封闭式、单端轴承支撑为主，使电机在符合车辆牵引制动特性需求的情况下，既要满足恶劣的环境要求，又要满足空间安装尺寸要求；在全封闭式自通风结构的前提下要确保电机温升满足要求。

图1 低地板有轨电车用牵引电机

异步鼠笼牵引电机结构如图2所示，主要零部件包括：无机壳定子、铜鼠笼转子、绝缘轴承、后端盖、离心风扇、前端盖、出线盒、传感器、定子绕组、定子铁芯、转轴等[12]。

图2 牵引电机结构图

电机与齿轮箱构成车辆的驱动单元，驱动单元通过电机后端盖两个吊挂点、齿轮箱一个吊挂点共同固定在车辆转向架上。电机通过后端盖上的两吊挂孔固定在转向架上，电机前端法兰与齿轮箱法兰面配合，螺栓紧固；电机驱动端通过联轴节与齿轮箱轴系联接，组成整个驱动系统的轴系。电机的轴伸端也就通过齿轮箱的轴承得以支撑。驱动单元装配图如图3所示。

图3 驱动单元装配图

3 关键技术

由于低地板有轨电车牵引电机的电气特性、可靠性要求高，安装尺寸空间小，全寿命周期成本低等严格限制，使得牵引电机的设计开发相对普通电机提出了更高的要求，同时也促进了相关电机技术的进一步提升。低地板异步牵引电机大部分采用全封闭式自通风的冷却结构，是为了确保电机的通风冷却，且内部结构与外部环境隔离，确保电机的安全运行；为减小轴向尺寸，电机采用单端支撑结构，非驱动端的绝缘轴承同时杜绝了电机轴电流。

3.1 电磁方案设计

根据车辆运行的速度范围、齿轮箱传动比、轮径大小范围确定电机的转速范围，并根据车辆牵引制动要求，确定电机的牵引制动特性，根据确定的特性要求，进行电机电磁方案设计，确定电机的电磁负荷，在运行速度范围内，电机的各项指标满足车辆要求。

3.2 转子鼠笼选材与焊接

与地铁电机不同，低地板异步牵引电机转子鼠笼采用铜导条和铜端环焊接结构，考虑电机的整体性能和结构可靠性，一般选用结构强度高、导电性稍逊色于纯铜的合金铜导条和端环结构[13]。由于电机最高转速达到5 000 r/min以上，转子端环与导条的可靠焊接是电机结构强度的要求，也是电机电气性能的要求，焊接质量好坏直接影响电机转子鼠笼的导电性及整个转子的结构强度。

3.3 电机绕组绝缘

牵引电机的工作环境要求绝缘等级按200级进行绝缘设计。对电磁线的绝缘薄膜材质和介电特性、主绝缘和槽绝缘等弯折绝缘性提出了更高要求；定子绝缘漆浸渍不仅要保证电机绝缘性能，固化后需达到一定的结构强度，同时在湿热交变环境下，确保绝缘能满足电机运行要求。整个绝缘设计应使在寿命周期内，绝缘可靠、散热均衡、结构强度满足要求。

3.4 电机端盖

电机端盖既要承受电机本身的负荷，在车辆运行过程中还要承受轮轨传递来的振动和冲击，并且制动拉杆的反作用力对电机后端盖强度提出了更高要求，在某一转向架结构下，为确保电机后端盖适应不同规格大小的制动拉杆反作用力，缓解振动和冲击影响，加强电机端盖的结构强度，需采用高强度球墨铸铁结构。端盖的各个位置配合接口尺寸各异，导致端盖是厚薄不均的结构件，需提高模具和工艺水平，确保端盖的铸造和加工质量。

3.5 电机试验

轨道交通用异步牵引电机试验按《IEC 60349-2—2010电力牵引.铁路与道路车辆用旋转电机.第2部分：电子变流器补偿的交流电动机》进行，并结合牵引变流器按《IEC 61377—2016 轨道交通.铁路车辆.牵引系统组合试验方法》进行整车牵引系统的联合测试。例如，关于电机在试验站温升结果与电机逆变器联调时的温升不一致，主要由于电机温升试验站使用的是试验站电源，波形畸变比联调试验时牵引变流器给出电源的波形畸变小。而牵引联调试验并没有对变流器输出电压的波形畸变率做出要求，电机试验标准也未对电机输入电压波形畸变的限制做具体要求。

4 国内自主开发需解决的问题

1）国内自主开发在电机方案确定阶段必须详细考虑线路网压，车辆运行的线路条件、载荷变化、站间距和运营站点时刻表等各项参数。线路网压的波动影响变流器对电机的牵引输入、电机的制动输出，需要核算牵引电机在各种工况下的运行特性，确保满足车辆运行要求的前提下，电机可靠。在综合分析国内外车辆线路及车辆牵引技术规格要求的前提下，进行牵引电机产品的定型化设计开发，满足大范围的应用环境。

2）牵引电机安装于车辆转向架，承受来自轮轨的振动，对电机各零部件的结构强度提出了要求，需要结合振动数据、使用寿命要求等进行强度计算，疲劳分析，跟踪实际使用情况，优化仿真分析的条件设置，使设计仿真数据更能体现车辆运行环境下的电机工作状况。

3）牵引电机零部件的加工精度直接影响电机的装配精度及车辆接口的牢固配合，确保固定件、弹性支撑点的配合公差在合理范围之内。做好电机转子鼠笼的焊接、定子的绝缘工艺，确保电机的定转子具有完全的互换性。

4）在产品寿命周期内，不断收集电机运行及维护的各项数据，为电机的优化设计、可靠性设计、全寿命周期成本分析提供可靠的数据，为全面开展低地板异步牵引电机的设计、生产制造、试验交付、售后服务提供系统化的技术支撑。

5 结语

我国国内拥有各类型及不同应用行业的电机研发制造企业共计2 000~3 000家，针对各种类型的电动机和发电机均有生产制造，并向海外出口。在电机设计开发、工艺设计及生产制造加工方面有丰富的经验。但低地板异步牵引电机以进口和外资企业生产为主，牵引电机价格高居不下，加大了整车制造成本和交货周期，不利于产品交付后的技术服务，增加了项目风险。在现有电机技术的基础上，结合低地板车辆的实际需求，不断完善电机的设计研发等各个关键过程，逐步提高对牵引电机的设计开发能力和生产制造质量的把控，实现低地板牵引电机的国产化。结合国内的材料资源、设计研发能力、生产制造加工能力，完全有能力掌握牵引电机的各项核心技术，开展低地板有轨电车的自主开发，降低牵引电机的制造成本，使电机的利润空间在合理范围之内。