中低速磁悬浮直线牵引电机设计

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(中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南株洲 412001)

0 引言

中低速磁悬浮列车作为城市轨道交通车辆的选择方案之一，具有如下特点[1、2]：(1)运行噪声小，环境友好；(2)爬坡能力强，转弯半径小，线路设计灵活；(3)克服轮轨车辆的黏着限制、机械噪声和磨损，降低车辆的维护费用；(4)分布式的负载支撑降低对轨道结构的要求；(5)走行部包在轨道上，运行安全，不可能出轨。正是因为这些技术特点，日本、美国、韩国等国家都在开发中低速磁悬浮列车，国内的北京S1示范线、长沙机场线即将投入商业运营。

直线牵引电机是磁悬浮车辆的关键部件之一，其特性直接决定了列车的运行性能。每节车设置10台直线牵引电机(两边各布置5台)，采用5串2并的方式与牵引逆变器连接，牵引逆变器输出电压为AC1100V。由于电机安装在车体上，整车系统对电机的要求如下：(1)为增加列车的承载能力，电机的重量要轻；(2)电机安装在转向架上并承受车辆运行时传递的振动与冲击，电机的结构确保要有足够的刚度与强度；(3)电机的初级线圈裸露在外面，经受风霜雨雪、温度和湿度的考验，其绝缘可靠性比一般的民用电机及带有机座的旋转电机要求要高。

本文拟就电机的电磁设计、结构设计、制造工艺及试验等方面进行阐述。

1 电磁设计

以所采用的电磁结构方案建立仿真模型，对直线电机的电磁特性进行分析，具体结果如下。

1.1 电磁推力随转差率的变化

图1为初级电流200A，频率为20Hz～70Hz条件下，电磁推力随滑差率的变化曲线。由图1可以看出，在相同的初级电流条件下，不同的转差率影响电磁推力的大小。随着转差率的不断减小(即次级速度不断增大)，电磁推力逐渐增大并达到最大值；而在转差率接近零时(次级速度接近同步速度)时，推力迅速减小；说明存在一个最优转差率，此时电磁推力输出最大。

图1 电磁推力随转差率变化特性

1.2 电磁吸力随转差率的变化

图2为初级电流200A，电流频率为20Hz～70Hz条件下，电磁垂向力随滑差率的变化曲线。在相同的初级电流条件下，垂向力随转差率的变化而变化，随着转差率的不断减小(即次级速度不断增大)，垂向力由排斥力逐渐减小为零后变为吸引力，并且吸引力的幅值较排斥力大很多，在转差频率的变化区间，基本是吸引力占据主导地位。

图2 电磁吸力随转差率变化特性

1.3 电磁推力随滑差频率的变化

图3为电流恒定下，起动推力随转差频率的变化特性。在转差频率Fr=10Hz左右，起动推力达到最大值，之后，随转差频率的增加起动推力增长缓慢甚至降低。仿真结果说明，单就推力输出而言，存在一个最优转差频率点，在此转差频率点，电机推力输出最大。同时可以看出，在仿真的速度区域内，随着次级速度的增加，推力均是减小，但是高转差频率时推力波动较小，低转差频率时推力波动较大。

图3 电磁推力随滑差频率的变化特性

1.4 电磁吸力随滑差频率的变化

按照研究电磁推力的方法，我们同样可以在恒流、恒转差频率下对垂向力进行分析，仿真波形见图4。从图4可以看出，随转差频率的增加，垂向力逐渐降低，且垂向力波动趋缓。在转差频率较低(如Fr=3Hz)时，随次级速度的增加，垂向力由-28000N变化到-22000N，在仿真的速度范围内垂向力变化波动很大；在转差频率较高(如Fr=10Hz)时，随次级速度的增加，垂向力基本保持不变。

图4 电磁吸力随滑差频率的变化特性

2 结构设计

2.1 初级铁心结构

直线电机的初级铁心除放置初级绕组、提供磁路的作用外，还要承担将整个电机初级悬挂在车架上的固定作用。由于电机初级与次级感应板之间运行间隙的精度要求(初级铁心底面平面度为1mm)。因此电机初级铁心的设计，除考虑初级冲片电磁性能的要求外，还要进行机械受力仿真，以保证初级铁心的刚度与强度要求。

我们在样机试制过程中，先后进行框架结构、焊接结构及燕尾槽结构的工艺验证及结构仿真分析(见图5、图6、图7)。通过工艺验证及仿真结果分析，确定具有较低的机械应力分布及较好工艺性燕尾槽结构初级铁心为最终生产方案。

图5 框架结构初级铁心结构仿真

图6 焊接结构初级铁心结构仿真

图7 燕尾槽结构初级铁心结构仿真

2.2 绝缘结构

2.2.1 电磁线

虽然单个电机的额定电压只有220V，但是电压上升瞬间，逆变器的输出1100V施加在首台电机首个线圈上，因此初级线圈电磁线选用200级聚酰亚胺薄膜绕包烧结铝扁线，以提高绝缘可靠性。

2.2.2 对地绝缘

初级线圈对地绝缘采用聚酰亚胺薄膜半叠包2次，粉云母带半叠包2次，外包玻璃丝带半叠包1次。

2.2.3 引线绝缘

初级绕组裸露在外面经受风霜雨雪、温度、湿度的考验，所有这些都对直线电机的绝缘系统提出严峻考验[3]。其中线圈引线并头处更是绝缘系统的薄弱环节，我们在线圈引线并头处采用进口防水材料进行处理达到较好的防水效果。

图8 端部并头绝缘采用防水材料

2.2.4 槽绝缘

槽绝缘、槽底垫条、调整垫条及槽口绝缘等均采用NOMEX纸410；槽楔采用3mm厚聚酰亚胺上胶布。

2.2.5 浸漆处理

电机的绝缘系统采用200 级VPI整体浸漆, 电机绝缘的整体性好。电机经真空压力浸漆一次, 再沉浸一次, 能保证线圈的绝缘性能及防潮、防水和耐候性, 并能提高电机铁心的防潮性和耐候性。绕组和铁心表面喷涂二道覆盖绝缘漆, 可进一步提高绕组的抗污秽能力和防潮性能。

2.3 引出线处理

直线电机三线引出电缆采用铜导线，而直线电机极间引线为铝材料，如果两者直接连接，接触电阻会很大，当电机长期运行、过载时，连接处会迅速升温，轻则烧毁接头、缺相运行等事故，重则烧毁电机、火灾等。因此，我们采用经过特殊工艺处理焊接而成的铜铝过渡接头。

同时，由于铜与铝的热膨胀系数相差很大。铝的热膨胀系数比铜大36%左右。我们先将极间引线与铜铝接头铝端焊接，待接头热量释放完毕后再将引出电缆与接头铜端焊接。

图9 铜铝接头

2.4 线圈端部固定

在初级线圈嵌线完成后，将线圈端部通过固定杆、线棒绑扎、固定、整体浸漆固化为整体，可保证线圈端部具有较高的机械强度和绝缘可靠性。

3 关键工艺

3.1 初级铁心的冲制与叠压

初级铁心的叠压就是将一定数量的冲片叠齐、压紧成为一个整体。然而，直线电机的初级铁心与传统的旋转电机铁心不同，其冲片较长，槽数多，难以用传统的复冲模解决冲制精度问题，我们采用分段冲制、严格定位的方法来保证槽形尺寸精度。

铁心压装后的尺寸准确度和表面整齐度主要取决于压装工具的结构和精度。我们设计的燕尾槽结构初级铁心在压装时采用槽样棒定位，保证了槽形整齐和铁心底面平面度控制在0.5mm之内，同时初级铁心还具有较高的强度与刚度。

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3.2 线圈制造

由于采用耐电晕薄膜作为导线的匝间绝缘，为防止制造过程中的绝缘破损以及确保初级线圈嵌线浸漆后能通过浸水试验。在线圈涨形前，我们对导线整盘浸水检测导线匝间绝缘质量，线圈涨形包绝缘后采用电刷放电仪检测线圈对地绝缘有无破损，确保线圈绝缘质量满足设计要求。

3.3 线圈的并头焊接

为降低电机初级的重量，提高车辆的承载能力，初级线圈采用铝导线，线圈并头处的焊接工艺要求较铜导线要求高很多。线圈并头的质量不仅直接影响到电机的电气特性，同时还影响到其可靠性，而这些都取决于纯铝绕组的焊接质量。因此，对直线电机纯铝的焊接性能进行分析，并通过焊接工艺验证得到最优化的焊接参数显得十分重要[4]。

铝导线的焊接难点主要在于其本身具有较强的氧化能力、较大的热导率和比热容，焊接时容易产生未焊透、气孔、裂纹、咬边和夹钨等缺陷。焊接时一般采用气体保护，纯铝气体保护焊的主要方法有：TIG焊、MIG焊、钨极脉冲氩弧焊、熔化极脉冲氩弧焊等。同时焊丝的牌号与直径、焊接电流、保护气体流量等对焊接质量均有不同程度的影响。

通过多种方案的试验和比较，在实际制造中，采用了TIG焊的方法，同时对焊接参数也做了严格规定，以确保焊接质量可靠。

3.4 电机的绝缘处理

电机的绝缘系统采用真空压力浸漆(VPI)技术，电机绝缘整体性好。电机经真空压力浸漆一次, 再沉浸一次，能保证线圈的绝缘性能及防潮、防水和耐候性，并能提高电机铁心的防潮性和耐候性。绕组和铁心表面喷涂二道覆盖绝缘漆，可进一步提高绕组的抗污秽能力和防潮性能。

4 试验及试运

目前，电机的地面型式试验已完成，从已完成的有关试验表明，静态温升试验通过试验考核，绝缘介电能力通过浸水试验、耐压试验的考核，结构强度通过振动冲击试验考核，各项指标均满足设计要求。

目前，牵引系统正在进行装车后的系统联调试验，电机的可靠性经过一年装车运行证明是满足运行要求的。

5 结语

(1)合理的设计是基础

电机的电磁设计与结构设计是密不可分的。由于直线电机结构及用途的特殊性，我们不仅要使电磁参数合理，满足电机的性能输出；更要使结构可靠，确保电机可靠运行。

(2)良好的工艺手段是保证

电机制造质量要靠合理的工艺过程来保证，本电机为中等批量生产规模，良好的生产工艺可保证在线圈制造、铁心叠装、引线头焊接、绝缘处理等关键工序的制造质量。

(3)专门的工装设备必不可少

电机的制造质量要靠工装设备来保证，要充分保证工装、模具的制造精度，保证不同批次生产质量的一致性和互换性。

(4)先进的设计手段是创新动力

随着设计手段的不断进步，采用电磁场有限元软件对电机涡流分布、磁场分布、推力输出、垂向力分布等进行分析比较；采用结构受力有限元分析软件合理设计电机结构，确保结构应力分布优化。后续我们将对次级感应板结构、初级主磁场补偿、推力波动、涡流损耗等方面做深化研究。