牵引电动机发展概况

湘潭电机股份有限公司 钱明华

1 前言

用于轨道机车车辆和道路交通车辆上的电动机称之为牵引电动机，在这些车辆上牵引电动机最大的用途是为车辆的运行提供所需驱动力及为车辆减速提供所需的制动力，使车辆完成其运输的功能。因为牵引电动机也用来驱动上述车上的辅助设备如通风机，空压机、发电机组等，习惯上将用来驱动车辆运行的电动机称之为主牵引电动机，而将用来驱动辅助设备的电动机叫辅助牵引电动机。传统上作牵引动力使用的牵引电动机中以直流串励电动机、直流它励电动机、脉流牵引电动机、同步牵引电动机用的最多。在上世纪80年代后，随着GTO、GTR、IGBT等大功率、全控型电力电子器件的出现，三相鼠笼式交流电动机和直线电动机也加入了牵引电动机的行列，其中三相鼠笼式交流电动机几乎在所有的调速领域得到应用，并因其调速范围大，坚固耐用而发展迅速。而直线电机则主要用于高速磁悬浮列车和地铁动车上，用于地铁动车的主要是直线异步电动机。目前直线电机作地铁、轻轨和城际列车动车驱动电机的比例不高，在这些领域内三相交流鼠笼式电动机使用比例最高。作为牵引电气设备分会，在以下的篇幅中，对所属会员生产的主牵引电动机给予介绍。

2 牵引电动机的工作特点

2.1 牵引电气设备分会所属会员厂家生产的牵引电动机主要用来驱动地铁、轻轨、工矿机车、电车和电动轮自卸车等，所以牵引电动机的结构和安装必须和减速齿轮装置的结构和安装同时考虑，这对安装空间极为有限的车底部来说是很受约束的，起、制动频繁的地铁、轻轨上的制动电阻，是个大功率的发热器，牵引电动机在运行中本身也是个热源，其自身需要冷却，所以，牵引电动机如何安装是很困难的问题。

2.2 车辆运行中，铁轨或路面的一切动力冲击都会影响牵引电动机，剧烈的振动冲击除了会对齿轮传动装置和其它机械连接部件造成损害外，对工矿电机车和电动轮自卸车两个仍是直流电动机占绝大部分的领域，直流电机的换向恶化也是不可避免的。

2.3 牵引电动机在恶劣的环境下运行时，极易受到沙尘、雨雪、油污脏物等的侵入，特别是在潮湿的矿井下运行的窄轨工矿车，其驱动电机的绝缘性能，绝缘结构的劣化破损，会造成牵引电动机不能正常工作。

2.4 大型工矿电机车和在井下工作的窄轨电机车及地铁、电动轮自卸车都要在狭窄的空间安装并传递动力，如何周到、安全的处理是十分困难的，特别是电动轮自卸车，牵引电动机就装在轮毂内，集成度更高，传递的力矩又大。

2.5 由于驱动车辆的电动机特别是运输距离短的工矿电机车、地铁、轻轨、电动轮自卸车，它们需要频繁的起动、弱磁加速、降速制动、停车、完成一个循环，又接着进入下一个循环，负载的变化也是空载满载或超载的循环，这些特点使牵引电动机在运行中产生过大的火花，甚至形成严重的环火。

3 直流牵引电动机

3.1 直流牵引电机现状

直流牵引电动机目前在地铁轻轨领域内除现在尚在运行的北京地铁的部分凸轮车尚需要些备品直流电机外，可以说不会再推出新的机型了，但在工矿电机车和电动轮自卸车两个领域内，直流电机的生产仍将会延续一个较长的时期。

由于直流串励电动机的特性非常符合“起动时力矩大，运行中能自动保持恒功率运行”的要求，所以牵引车辆无论在国内还是国外，都一直是串励电动机担当主角，这一地位至今没有变。另一种他励式直流电动机，通过对励磁电流的连续调节也可以得到和直流串励电动机一样的工作特性，但这将导致控制系统变得复杂，所以他励式直流电动机只运用在大功率的干线机车上，在窄轨工矿电机车上是不会用这类驱动系统的。湘电集团生产的SF3150型号154T电动轮自卸车就是用这种电机驱动的，该系统投产10多年来也不过生产了二十辆左右。

3.2 直流牵引电动机的发展

虽然直流牵引电动机在工矿电机车及电动轮自卸车上尚占有很大的份额,但必竟在交流电传动技术方兴未艾迅猛发展的形势面前,呈现出前途渺茫的不景气状态，所以人们不大可能有大的兴趣和力气来开发新的直流牵引电动机的新产品新技术。所以说发展也只能是改良性的完善性的局部改进。这些改进，主要有如下几个方面：

a) 提高主要的重点产品的绝缘等级

重要的直流牵引电动机产品中原用的绝缘等级B改为更高的F级和H级绝缘。如所有牵引电机的换向器片间云母板都改用了H级粉母板，大大降低了原换向器存在的隔片松动，高速时滑移或尺寸超差的现象。大部分换向器的对地绝缘用的V型绝缘套筒采用了H级塑型云母压制，减少了换向器使用中的接地短路问题。

b) 工艺精细化提高了牵引电机的运行质量

ZQDR-328直流电机换向器片间绝缘一直使用1.2~1.3厚的云母板片装。在改用1.24±0.02厚的云母板后，圆周方向的尺寸控制精度大大提高，换向器片中心与电枢中的差值被严格控制，使电机运行中的火花等级降低了1级以上，电机正、反转的转差由原来的15r/min下降到5r/min，运转精度大有提高。

c) 换向片与电枢绕组的连接由锡焊改为TIG焊接，过去因锡的熔点低而在运转中的甩锡现象也没有了，提高了运行的可靠性。

d) 电刷和换向器接触稳定性的改进

这个问题是对电机运行可靠性的最大威胁，为此换向器片采用了含银铜片，它和纯铜片的比较见表1：

含银铜片除电导率低于纯铜外，表面耐磨性的硬度，耐热性的软化温度及高温强度均优于纯铜的冷拉硬铜排。

表1 不同材质的性能

e) 采用恒压弹簧压指，使电刷在有效磨损量范围内，保持压力的基本恒定。

f) 电刷采用两分裂式炭刷增大电阻。

增大换向路中的阻值能使回路中电流下降，这样在换向元件和电刷断开时产生火花的能量下降。为此选用如图1所示的分裂式电刷。

图1 分裂式电刷

角度为120°的橡皮块不仅能吸收震动保证电刷和换向器的良好接触，还能保证压力有较好的对中性。图2为湘电集团生产的直流牵引电动机。

4 交流异步牵引电动机

用交流电动机来驱动地铁列车应该说是2000年以后的事，因此也可以说是在起步阶段，湘电集团目前在电动轮自卸车领域内采用交流电传动是在2008年和美合作生产的两台200t交流电动轮自卸车上。在工矿大电机车上尚是空白，在窄轨工矿电机车方面约有10辆是由交流牵引电动机驱动的，因此在地铁轻轨领域是做的最好的，下面的图3、图4分别为YQ-180-2和YQ-180-3两款用在北京地铁八通线和北京地铁十号线上的交流电动机示图。

交流异步三相鼠笼式牵引电动机和普通交流电动机相比，最大的不同是前者是由逆变器供给的非正弦波交流电源作为电机动力来使之转动的。同时出于交流控制策略的需要，它和普通交流电机比较有如下区别：

a) 较高的绝缘等级，并采用真空浸漆

由于交流异步电机以非正弦交流电作动力，所以电流中含有很大的脉冲峰值；同时逆变器换流时产生的过电压冲击，要求绝缘材料的等级达H级以上，并使用耐电晕绝缘材料以防止绝缘结构中的空气被高的过电压击穿而发生局部放电。为根治绝缘结构中存在空气这个致命缺陷，所以绝缘结构件必须采用真空浸漆。

b) 较大的气隙

因牵引电机工况恶劣，雨、雪、风、沙均会浸入电机内部，所以在设置有空气过滤器的前提下，仍须设计较大气隙，以便检修时转子易于抽出。

c) 较大的额定转差率，由于动车通常采用1C2MX2或1C4M结构，所以车辆轮径差对并联运行的牵引电动机的负载分配有很大的影响，严重的会破坏电机的粘着，丧失动力，而采用较大的额转差率会减小这种影响。当然这也会导致转子电阻增大而降低电机的效率。之所以要选用较大的额定转差率而牺牲电机的效率，是因为转差率的电机的力矩特性比较平缓，所以对电机的力矩较易控制。

d) 必须使用绝缘轴承

由于非正弦波电源供电及制造误差导致磁场的不对称并由此产生轴电流，为了防止轴承被腐蚀，所以交流变频牵引电机必须使用绝缘轴承来固定转子轴。图5为成都地铁设计的YQ-190电机交流鼠笼式电机的结构。

图中导条即为使电机有较大额定转差率而选用的高电阻、高强度的铜锌合金导条。端环为热变化率较小的纯铜制成的端环，它的热膨胀率只有铜锌合金材料的1/4左右，所以能较好地抑制变形，它们由中频感应装置焊接而成。然后，在精车端环外圆后，用热套方式装上保持环，以保证电机转子在高速旋转时产生的离心力的作用下，仍有较高的强度和工作可靠性，这个结构是中型交流牵引异步电机的典型结构，之所以要这样做就是为了产生较大的额定转差率，并较简单的控制电机的力矩。由于转子电阻较大，所以和普通的Y系列交流异步电动机相比，在电压相近、同等容量的条件下，交流牵引电机的效率要低2~3%。目前，我们生产的牵引交流异步电动机单位功率质量为3kg/kW左右，所以还有改进完善的空间。

图3

图4

另外，湘电集团还研制了混合动力轿车用的永磁同步电动机，如图6所示，为开发新能源保护我们生存环境作了有益尝试。

图5 YQ-190交流牵引电机结构图

图6 永磁同步电动机