700 kW 氢燃料电池混合动力机车牵引电机设计研究★

韩志业，张文元，高生岚

（中车大同电力机车有限公司技术中心，山西 大同 037038）

引言

2020 年12 月，中车大同电力机车有限公司研发的700 kW 氢燃料电池混合动力机车成功下线，机车采用“动力蓄电池+氢燃料电池系统”混合动力供电方式，最高运行速度为80 km/h，主要适用于机务段、矿山、港口等场所的调车、转运等任务。氢燃料机车设计中涉及众多关键技术，针对牵引电机设计小型化、宽速度范围运行、具备良好散热能力等需求，需要开展一系列研究和分析验证。

1 氢燃料机车简述

氢燃料机车采用动力蓄电池和氢燃料电池供电方式，变流器对牵引电机采用架控方式，直流母线电压范围在DC640 V～DC832 V，主电路拓扑结构如图1 所示。氢燃料电池根据动力蓄电池电压等级进行充电，蓄电池直接给牵引逆变器供电，直流电源波动范围较宽。

图1 氢燃料机车主电路拓扑结构

机车恒功运行速度范围在11.8～80 km/h，起动牵引力250 kN，最大再生制动力160 kN。机车常用牵引速度一般都处于较低转速区间，牵引电机和变流器负荷较大，牵引特性控制为恒牵引力模式，司控器手柄为9 级，可平滑调节；牵引特性控制曲线如图2所示。

图2 机车牵引特性曲线

2 牵引电机主要结构和参数

牵引电机采用6 极鼠笼式三相感应电机，以滚抱方式安装在转向架上，主动齿轮安装在电机传动端轴承内侧；非传动端为非绝缘圆柱滚子轴承+角圈带电刷，采用脂润滑；传动端为非绝缘圆柱滚子轴承，采用油润滑。定子铁心由低损耗厚0.5 mm 的冷轧硅钢片叠压而成，全叠片焊接结构，定子线圈采用薄膜电磁线绕制而成，定子嵌线后整体浸漆，然后进行没水试验。定子外部装有接线盒，并引出三相引出线。转子铁心由低损耗厚0.5 mm 冷轧硅钢片叠压而成。转子鼠笼为池槽式对接结构，由高强度纯铜导条与铬锆铜端环通过感应钎焊而成。导条打入槽后，用专用工装将导条涨紧。传动端套装齿轮。电机定子铁心安装一个温度传感器（PT100），用于监控定子的温度，保证电机的安全运行。非传动端安装速度传感器。电机传动端与非传动端预留轴承温度和振动传感器安装接口，用于安装6 A 系统实时监控电机轴承温度和振动状态。

电机采用轴向强迫通风方式进行冷却，进风口设置在传动端，定子拉板与定子铁心间设计有风道，为改善转子的散热，转子上开有轴向通风孔，冷却风通过转子通风孔和定转子间的气隙从非传动端端盖轴向排出。

电机三维模型如下页图3 所示。

图3 牵引电机三维模型

电机的基本参数如下：额定功率179 kW；额定电压为300 V；额定电流为495 A；恒功转速范围为289.6～1 970 r/min；启动转矩为6 880 N·m；额定效率为88%；冷却风压为650 Pa；冷却风量为0.5 m3/s；绝缘等级为200 级；质量为1 650 kg。

电机的牵引特性曲线见图4。

图4 牵引特性曲线

3 电机关键技术设计和验证

相对普通机车，氢燃料机车要求牵引电机转速不高、恒功点速度低，考虑调车机车限界空间限制，四极电机无法实现，因此选择6 极感应电机。绕组匝数多，电机电压高，电流小，电机发热少，电压调制比高，谐波抑制能力好。在可选情况一般以多匝为好，但由于机车恒功倍数高，同时电压较低，增加匝数会降低恒功速度。斟酌考虑电机匝数选择3 匝。

氢燃料混合动力机车在满足最大启动牵引力条件下，合理匹配电机的起动转矩和齿轮传动比，在保证齿轮强度的前提下，尽量选择大传动比，可以减小电机起动转矩，降低电机的磁场饱和度，电机控制精确稳定，同时降低了成本。综合考虑确定齿轮传动比为103/22，牵引电机最大启动扭矩为6 880 N·m。

针对氢燃料机车牵引电机，主要技术问题在保证电机良好的散热性能。从电机设计角度，电机定子采用全叠片无机壳结构，以减轻重量和改善散热；在保证过载能力的同时，尽可能提高绕组匝数，以提高电机额定电压，降低变流器供电谐波，从而减少发热量；电机的绕组、导条、端环选用低电阻率材料，优化定、转子槽型和导条规格；同时增加定、转子槽口深度，提高散热面积；在定子和转子设计中考虑了通风路径，加强冷却风对定子绕组端部的冷却，提高冷却风的利用率。同时，为防止出风端轴承温升高，在出风端轴承室设计隔热层，有效隔开热源与端盖轴承室热量的传递，降低出风端轴承的温度。

采用fluent 流体分析软件建立电机模型，对电机在额定工况下的流场和温度场进行仿真分析，设定通风量为0.5 m3/s，环境温度为20 ℃。仿真结果如图5所示，最高温度出现在电机定子线圈上，最高温度为155.55 ℃，最高点温升为135.55 K，满足电机200 级绝缘等级设计要求。电机各部件温度分布如表1 所示。

图5 电机各部件温度（℃）分布图

表1 电机各部件温度分布

同时，开展了电机温升试验研究，试验条件与仿真中电机运行工况、通风条件设定相同，环境温度为29.5 ℃。温升试验电机在额定工况运行3 h，电机各部件温度达到稳态，电机定子线圈上出现最高温度为140.3 ℃，最高点温升为110.8 K。对比电机试验结果和仿真结果，电机散热分析结果一致，仿真数据留有较大余量。同时，观测电机出风端轴承温升试验数据为47 K，满足脂润滑轴承要求[1-3]。

4 结语

氢燃料电池混合动力机车成功下线标志着氢能进入机车牵引领域。设计过程中涉及众多关键技术，需牵引电机适应宽范围直流供电，满足电机小型化、宽速度范围运行条件。电机的设计依据、散热设计等关键问题经过了深入研究，并通过仿真验证和试验验证对比证明设计的正确性，为类似电机设计积累了经验。