内、电共用异步牵引电机技术研究

中车永济电机有限公司 陕西 西安 710018

随着经济的发展,电商专列、快捷货运将成为中国铁路货运今后发展的重点方向,需要大量大容积、高速度、适应现代物流运输特点的铁路货车做支撑。牵引电机作为货车驱动力提供设备,将电能转换为机械能,发挥自身最优特性,实现货车的牵引和制动功能。

由于电源的提供方式不同,在设计时为发挥各自在内燃或电力工况下最优特性,电机存在一定的差异性。为了实现简统化设计,满足电机在内燃和电力工况下共用,本文从以下几个方面进行了研究。

1 环境适应性研究

不同于电力机车适用于电气化线路,内燃机车适用范围更广,特别是一些高海拔、高气压差和高温差等条件恶劣地区。需要针对内燃机车使用环境的特殊性进行以下研究。

1．1 低温条件下结构部件的选材 依据内、电牵引电机使用工况和使用环境的差异,电机的端盖和机座等关键受力部件,选择耐低温的铸钢275－485材料。铸件需完成－40℃低温冲击功检测。

1．2 选择耐低温轴承润滑脂,满足低温启动性能要求。

选择国内常用的美孚、克虏伯和长城牌润滑脂,对比试验了常用的润滑脂工作温度和粘度,如表1。

表1

牵引电机低温启动时,较高粘度的润滑脂泵送性、低温扭矩等较差,润滑性能下降。克虏伯和长城润滑脂的粘度较低,并且克虏伯润滑脂的工作温度更低,范围更宽。综合对比,内、电共用型牵引电机的润滑脂选择克虏伯L152。

1．3 整机低温考核 依据GB2423．1－2008的规定,完成了低温存放试验和低温启动试验。

(1)低温存放试验:环境温度－40℃,存放16h,恢复至环温后检查电机,空载启动正常。

(2)低温启动试验:环境温度降至－25℃时,电机启动及运行正常;继续降温至－40℃,电机能够正常运行。

1．4 高海拔对电机通风冷却影响 海拔升高,大气压力下降,空气密度降低,温差和湿度变化较大,这些因素都会影响电机散热。依据TB3213－2009《高原机车车辆电工电子产品通用技术条件》规定,仿真分析了牵引电机温升相同时,不同海拔下,电机需要的冷却通风量,如表2;分析了相同的冷却风量,不同海拔下,电机绕组平均温升的变化,如表3。

表2

工 况 3 3000 2．11 30 0．78196工 况 4 4000 2．36 25 0．70154工 况 5 5100 2．64 19．5 0．61705

表3

依据不同海拔下电机冷风风量和温升的对比分析,指导内、电共用平台牵引电机冷却风量和电机温升裕量的选择。

2 依托现有牵引电机技术平台进行电磁和结构研究

依托同一时速平台电力和内燃机车牵引电机,从工作特性、轴承选型、外形接口及整机结构四个方面进行对比研究,旨在论证牵引电机内、电共用依存条件及后续的设计规范。

2．1 牵引电机工作特性对比研究 受柴油机功率限制,内燃机车相对于电力机车,其牵引电机功率小。为获得相近的持续转矩及最高恒功运行速度,内燃机车牵引电机恒功范围宽,一般在4倍左右,而电力机车牵引电机恒功范围窄,保持在2倍左右。

a．两种牵引电机按照内燃机车特性计算时发热对比。如上表,内燃和电力机车牵引电机均按照内燃机车电机牵引特性计算,电力机车电机较内燃机车电机在进恒功点、持续点及恒功高速点,即长时运行段,发热因数最大降低了5%,损耗最大降低了4%。整个电机发热状况会进一步得到优化。

b．两种牵引电机按照电力机车特性计算时发热对比。如上表,内燃机车牵引电机在按照电力机车特性计算时,发热因数最大提高了约30%,损耗也增加了约20%,计算绕组温升已超过200K以上。但只要采取升压恒功策略,即在保证低速点磁负荷不饱的情况下升高恒功高速点电压就可以将温升控制在180K以内。

2．2 电机轴承结构研究 目前大功率机车牵引电机主要采用三种动力驱动结构和轴承布置:悬臂结构、单端支承、双端支承结构。

表4

HXD1B、HXD1F内锥轴＋柔性联轴节＋斜齿轮轴NUB＋(NU＋NU＋QJ)双端支承HXD2F 内锥轴＋柔性联轴节＋直齿轮轴NUB＋(NU＋NJ)HXD3B、HXD3D、HXN3 K内锥轴＋薄板法兰＋斜齿轮轴NUB＋(NU＋NU＋QJ)

对3种动力驱动结构进行受力分析,设作用在齿轮上的啮合力为F,如驱动端均采用相同圆柱滚子轴承,将悬臂结构的轴承寿命设为1,在三种结构的受力和寿命如下表:

表5

从上表中可以看出双端支承结构的效果最好,可大大提高轴承寿命。本平台内燃和电力机车牵引电机均采用双端支撑的动力驱动结构和轴承布置。

2．3 电机外形接口对比研究 本平台内燃和电力机车牵引电机与转向架连接方式均为架悬式。其一端通过吊杆吊装在转向架上,另一端通过空心连接装置实现与轮轴非接触式转向架安装。电机除轴向长度相差33．5mm外,其余外形安装尺寸均相同。两种电机可以在两个平台之间互换安装。

2．4 整机结构研究 本平台牵引电机的定子与承载式齿轮箱通过止口定位,螺栓连接。电机本体结构中转子只有非传动端单轴承支撑,传动端通过联轴节传递扭矩以驱动轮对,并依靠齿轮箱轴承支撑定位。两种电机结构统一。

3 轻量化研究

由于内燃机车和电力机车布置结构的差异性,考虑机车轴重的限制,如何实现内、电通用异步牵引电机的重量统一,主要针对铁心结构形式、连线结构形式、压圈结构形式等开展三维实体设计,对比不同结构形式下相同参数牵引电机的重量,寻求最优化结构。

a．对既有电机从结构件开展去除冗余工作,比如铸件重量控制,接线盒采用绝缘材质,密封环等配件采用铸铝材质等,从而降低电机结构件的重量。

b．对于新设计电机采用碳纤维等新材料等以减轻电机重量。

4 绝缘耐受性试验

为了验证牵引电机绝缘的耐受性,选取现有机车牵引电机绝缘结构进行耐受性试验。将电机定子预烘至245℃后施加击穿电压,记录击穿电压值和击穿点并检测胶含量,以此判断绝缘结构的耐受性。根据试验结果分析,现有绝缘结构可以长时工作的温度极限是245℃。

5 温升试验

5．1 转子通风方案验证 为了验证电机转子不同通风方案对整机温升的影响,完成了有限元仿真分析和试验验证,为后续内、电通用大功率异步牵引电机转子通风结构的选择提供理论和试验依据。

图1 通风孔结构优化

根据有限元分析,转子32个通风孔堵12个通风口后,进风口的风压由1471Pa增大到1667Pa,风量占比提高了约10%;定子线圈的平均温升降低了约8K,转子铁芯的平均温度增大了约17K。

根据试验结果分析,转子加堵后风压增加172Pa,绕组温升降低了5 K,转子温升增加了8K,达到了198℃;我们再次选取一台没有加堵的电机进行温升,风压增加了52Pa,温升降低了13K。通过以上两次实验对比,说明了转子加堵方案能够一定程度上降低电机绕组温升。

鉴于内、电平台共用电机的电磁方案相同,整机通风结构的优化只有集中在定、转子风量的分配上,即转子通风结构对整机温升的影响。选择不同转子通风方案,进行有限元仿真分析和试验验证,得出温升变化趋势。

5．2 绝缘层厚度对温升的影响 由于内燃和电力机车异步牵引电机工作电压的差异性,电机绝缘结构不同,包括材料和厚度的差异。如果要实现内、电异步牵引电机的绝缘共用,势必存在低电压电机使用加厚的绝缘结构。本试验通过选择不同风量下,不同绝缘厚度进行温度场仿真分析,掌握绝缘层加厚对电机温升的影响,即绝缘层厚度增加1倍,电机的平均温升增加约6K,如表6。

表6

6 结论

通过对电机环境适应性等方面研究,并依托既有电机进行工作特性、结构等方面对比研究,提出了牵引电机内、电共用的可行性及依存条件,为后续内、电共用牵引电机设计提供了理论支撑和试验依据。