机车轴端永磁同步发电机技术研究

雷军

摘要：随着机车车辆对备用电源系统的升级改造，需在机车转向架轴箱上加装轴端发电机，传统永磁同步发电机难以满足机车转向架安装要求，为此开展一种新型机车轴端永磁同步发电机技术的研究。该项研究的主要技术特点为：取消传统电机两端轴承的使用，避免机车振动大造成电机轴承故障。该新型机车轴端永磁同步发电机结构简单、重量较轻，能够满足现有机车转向架箱体安装空间限制及车辆系统用电功率要求。該项技术研究在国内属于首创，已进行装车试验满足其性能要求，其成果将在机车及同类型车辆上具有推广应用的意义。

关键词：轴端;轴承结构;空心转子;表贴式转子

0  引言

铁路机车由于需要不断拆解编组进行无火回送，除牵引车外，其它车厢普遍缺少电源，备用的蓄电池与实际使用需求存在较大的差距，机车无法提供足够的电源供车厢相关设备和随车人员使用，目前应用于机车的轴端发电机为传统永磁同步发电机或永磁直流发电机，无论是从电机的功率上还是可靠性上均不能满足使用要求，因此需要研究开发一款适用于机车的新型轴端永磁同步发电机。

根据机车转向架箱体结构的特点，受车辆轻量化的要求，在重量和安装空间限制下，传统发电机难以满足要求的，提出研究开发一款输出功率不低于3kVA的高可靠性机车轴端永磁同步发电机，当机车被拖运运行时，车轴旋转并带动电机转子转动，永磁同步发电机发出3～5kVA电源提供给机车使用。

1  技术背景

1.1 现有技术方案

早期铁路机车所用的轴端发电机，主要为客车提供辅助电源，普遍采用皮带传动，发电机挂在构架前后两端，在车轴处加装皮带轮与发电机相连。这种设计结构复杂、重量及体积大，输出的功率也大，并且此种发电机对转向架改动较大，在机车转向架上加装十分困难。

国外的铁路机车车轴发电机中，FAG公司生产的轴承带集成发电装置，在轴承内圈装置永磁体作为转子，在轴箱盖中线圈作为定子，为轴承诊断和故障信息检测等功能提供电源，这种设备最高输出功率为100W，供电电源为6～14V。该轴承装置价格昂贵，且供电电能太小，不足以满足机车无火回送时用电设备的使用。

1.2 技术目的

开发一种机车轴端电源装置：安装在机车轴端的永磁同步发电机，可为目前的无火回送机车车厢提供足够的电源供车厢设备和随车人员使用。发电机输出功率不低于3kVA，电机结构简单，成本较低，有较高的可靠性和安全性，满足机车轴端安装和使用的要求。

2  技术设计方案

2.1 总体设计思路分析

通过对机车轮对安装位置的分析，由于不能对机车车轴和机车轴箱进行大的结构改造，只能在现有的基础上进行加装发电机，见图1机车转向架组装图，采用传统类型电机存在两大的问题：一是车轴与电机轴无法直接对接安装，车轴与电机轴不能联接传递扭矩，需要加装过渡联轴器，整个电机方案需要加长;二是机车轮对上轴承的游隙会比电机使用轴承的游隙大的多，机车使用的FAG公司生产的TORL150型圆锥滚子轴承径向游隙最大为0.26mm，而电机外形结构的限制，选用轴承内径100mm圆柱滚子轴承较为合适，该轴承C4径向游隙为0.125～0.165mm远小于机车轴承游隙，当电机转轴与机车车轴硬联接时正常运行时，很快便会将电机轴承损坏。综上所述，传统电机很难满足要求，因此将电机设计成无轴承结构的电机。

根据与机车转向架联接技术接口要求，安装时不能改动原车轴上的现有轴承和密封结构，只能将轴箱端盖和轴承端压板拆下，因此设计转子可替代压板，安装于原轴端压板处，设计定子可替代原轴箱端盖，通过机车的原螺栓与车轴、轴箱联轴安装，实现轴端永磁同步发电机随车运行时发电的功能。

2.2 主要性能参数计算

采用Ansoft软件实施电机电磁方案计算，发现电机输出功率的难点主要是机车在低速运行时要求电机输出3kVA电源，由于该电机安装在车轴上，车轴的轴承游隙大且转向架本身的振幅大，电机的气隙必须足够的大，但气隙大影响电机的气隙磁密，导致相同体积大小电机输出功率不够，由于电机最大体积已经限定了，因此需要找到一个设计气隙平衡点，为防止电机出现扫膛，电机最小气隙不能小于1.5mm，在功率允许的情况下尽量加大气隙，通过计算得出气隙在2mm时可满足电机设计要求。经过优化计算得到以下数据满足其电机性能要求，主要性能参数如下：

①额定功率   3～5kVA

②额定电压   110～300V

③额定电流   9.5～15A

④额定频率   32～55.5Hz

⑤额定转速   245～416r/min

⑥极数         16

⑦额定效率   88～82%

⑧空载电压   310～522V

⑨短路电流   18.4A

2.3 电机结构设计

根据无轴承结构永磁同步发电机的设计思路，电机主要由定子组件和转子两大独立部件组成，转子直接悬挂安装在车轴端，定子悬挂安装在轴箱上，分别通过螺栓安装固定，大大缩短了发电机的长度，满足减小体积和减轻重量要求，同时避免传统电机轴承故障的风险，提高了发电机的可靠性。

2.3.1 电机定子

定子由定子铁心和定子绕组组成，定子铁心是由冲制的硅钢片叠成，在定子铁心槽上嵌有定子绕组，用来产生感应电势。将嵌线定子过盈压装在机座上，再将机座通过螺栓固定在转向架的轴箱上，机座后端安装带有密封圈的端盖，具有防尘、防水效果，安全可靠。

2.3.2 转子

转子结构设计成空心杯的形式，主要由空心轴、永磁体、防护圈和转子挡板组成，其结构包括。本电机设计与传统电机最大的区别在就转子部分，删除使用轴承的结构，采用空心轴加表贴式永磁体，大大的减轻转子重量，符合轻量化和高可靠性的设计原则。

2.3.3 电机轴

电机轴设计成空心轴，在安装端进行止口定位设计，通过螺栓实现与车轴轴端之间连接固定，避免对车轴的改动，方便转子的固定及安装。将空心轴外圆上设计均布的槽形，用于安装固定永磁体，省去转子冲片，简单可靠。

2.3.4 永磁体

永磁体选用高性能稀土永磁材料，设计成瓦片弧形径向充磁形式，在空心轴外表面径向均匀布置，可安装放置更多的永磁体，以提高气隙磁密，相邻永磁体磁场方向相反。

2.3.5 防护圈

设计防护圈和转子挡板对永磁体进行固定和防护，防护圈采用隔磁材料，将永磁体通过防护圈套装在空心轴上，再压入转子挡板在空心轴上，转子挡板、防护圈和空心轴焊接成一个整体。

2.3.6 密封性结构设计

轴端永磁同步发电机通过沿用机车轴箱端盖的密封设计原理，在机座与轴箱，机座与端盖的端盖采用O型密封圈的设计结构，保障电机内部的密封性，实现防尘、防水等功能。

3  技术特点分析

①通过设计空心杯式转子，空心轴圆周上设计均布的槽形，采用瓦片弧形径向充磁的永磁体，发电机本体内无轴承结构，转子无硅钢片结构，极大的简化了发电要的结构和减轻了发电机的重量，消除发电机轴承的故障风险，性能更加可靠。由于转子上没有冲片结构，只有简单的空心轴，转子的重量较小，安装在车轴上，对車轴重量的增加基本可以忽略，因此对车轴的轴承无影响，符合设计要求。

②发电机定子固定在转向架的轴箱上，代替了车轴的轴箱盖，发电机机后端安装端盖密封，防尘、防水，安全可靠，发电机为短粗形，对车轴轴箱的轴向伸出长度方向基本没有增加，满足空间尺寸要求。

③发电机采用永磁技术使该电机功率密度高，体积小，重量轻，机车轴端直接装配发电机，节省运动传递机构，使发电机装置变得更简单，安装空间更小，电机成本低。

4  试验验证

将轴端永磁同步发电机安装在韶4机车上进行装车验证，通过安装导向杆将电机顺利安装在机车上，轴端永磁同步发电机安装图，安装后进行试车运行，发电机正常发电，通过带阻性负载测试，电机性能满足设计要求，通过试验数据分析与计算数据对比，发现电机低速与设计值一致，高速运行区域电机输出功率高出设计值，可进一步优化，后续需将轴端永磁同步发电机装车运营考核，以验证电机的可靠性和寿命。

5  结语

通过机车轴端永磁同步发电机技术研究，开发的机车轴端永磁同步发电机通过装车试验验证，性能达到设计要求，能够满足现有机车转向架箱体安装空间限制及车辆系统用电功率要求，解决机车无火回送时用电设备电力不足的技术问题。该轴端永磁同步发电机结构简单，性能可靠，电机成本低，具有在机车和同类型车辆上推广应用的价值和意义。

参考文献：

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