牽引電動機發(fā)展概況

湘潭電機股份有限公司 錢明華

1 前言

用于軌道機車車輛和道路交通車輛上的電動機稱之為牽引電動機，在這些車輛上牽引電動機最大的用途是為車輛的運行提供所需驅(qū)動力及為車輛減速提供所需的制動力，使車輛完成其運輸?shù)墓δ堋Ｒ驗闋恳妱訖C也用來驅(qū)動上述車上的輔助設(shè)備如通風(fēng)機，空壓機、發(fā)電機組等，習(xí)慣上將用來驅(qū)動車輛運行的電動機稱之為主牽引電動機，而將用來驅(qū)動輔助設(shè)備的電動機叫輔助牽引電動機。傳統(tǒng)上作牽引動力使用的牽引電動機中以直流串勵電動機、直流它勵電動機、脈流牽引電動機、同步牽引電動機用的最多。在上世紀(jì)80年代后，隨著GTO、GTR、IGBT等大功率、全控型電力電子器件的出現(xiàn)，三相鼠籠式交流電動機和直線電動機也加入了牽引電動機的行列，其中三相鼠籠式交流電動機幾乎在所有的調(diào)速領(lǐng)域得到應(yīng)用，并因其調(diào)速范圍大，堅固耐用而發(fā)展迅速。而直線電機則主要用于高速磁懸浮列車和地鐵動車上，用于地鐵動車的主要是直線異步電動機。目前直線電機作地鐵、輕軌和城際列車動車驅(qū)動電機的比例不高，在這些領(lǐng)域內(nèi)三相交流鼠籠式電動機使用比例最高。作為牽引電氣設(shè)備分會，在以下的篇幅中，對所屬會員生產(chǎn)的主牽引電動機給予介紹。

2 牽引電動機的工作特點

2.1 牽引電氣設(shè)備分會所屬會員廠家生產(chǎn)的牽引電動機主要用來驅(qū)動地鐵、輕軌、工礦機車、電車和電動輪自卸車等，所以牽引電動機的結(jié)構(gòu)和安裝必須和減速齒輪裝置的結(jié)構(gòu)和安裝同時考慮，這對安裝空間極為有限的車底部來說是很受約束的，起、制動頻繁的地鐵、輕軌上的制動電阻，是個大功率的發(fā)熱器，牽引電動機在運行中本身也是個熱源，其自身需要冷卻，所以，牽引電動機如何安裝是很困難的問題。

2.2 車輛運行中，鐵軌或路面的一切動力沖擊都會影響牽引電動機，劇烈的振動沖擊除了會對齒輪傳動裝置和其它機械連接部件造成損害外，對工礦電機車和電動輪自卸車兩個仍是直流電動機占絕大部分的領(lǐng)域，直流電機的換向惡化也是不可避免的。

2.3 牽引電動機在惡劣的環(huán)境下運行時，極易受到沙塵、雨雪、油污臟物等的侵入，特別是在潮濕的礦井下運行的窄軌工礦車，其驅(qū)動電機的絕緣性能，絕緣結(jié)構(gòu)的劣化破損，會造成牽引電動機不能正常工作。

2.4 大型工礦電機車和在井下工作的窄軌電機車及地鐵、電動輪自卸車都要在狹窄的空間安裝并傳遞動力，如何周到、安全的處理是十分困難的，特別是電動輪自卸車，牽引電動機就裝在輪轂內(nèi)，集成度更高，傳遞的力矩又大。

2.5 由于驅(qū)動車輛的電動機特別是運輸距離短的工礦電機車、地鐵、輕軌、電動輪自卸車，它們需要頻繁的起動、弱磁加速、降速制動、停車、完成一個循環(huán)，又接著進入下一個循環(huán)，負載的變化也是空載滿載或超載的循環(huán)，這些特點使?fàn)恳妱訖C在運行中產(chǎn)生過大的火花，甚至形成嚴(yán)重的環(huán)火。

3 直流牽引電動機

3.1 直流牽引電機現(xiàn)狀

直流牽引電動機目前在地鐵輕軌領(lǐng)域內(nèi)除現(xiàn)在尚在運行的北京地鐵的部分凸輪車尚需要些備品直流電機外，可以說不會再推出新的機型了，但在工礦電機車和電動輪自卸車兩個領(lǐng)域內(nèi)，直流電機的生產(chǎn)仍將會延續(xù)一個較長的時期。

由于直流串勵電動機的特性非常符合“起動時力矩大，運行中能自動保持恒功率運行”的要求，所以牽引車輛無論在國內(nèi)還是國外，都一直是串勵電動機擔(dān)當(dāng)主角，這一地位至今沒有變。另一種他勵式直流電動機，通過對勵磁電流的連續(xù)調(diào)節(jié)也可以得到和直流串勵電動機一樣的工作特性，但這將導(dǎo)致控制系統(tǒng)變得復(fù)雜，所以他勵式直流電動機只運用在大功率的干線機車上，在窄軌工礦電機車上是不會用這類驅(qū)動系統(tǒng)的。湘電集團生產(chǎn)的SF3150型號154T電動輪自卸車就是用這種電機驅(qū)動的，該系統(tǒng)投產(chǎn)10多年來也不過生產(chǎn)了二十輛左右。

3.2 直流牽引電動機的發(fā)展

雖然直流牽引電動機在工礦電機車及電動輪自卸車上尚占有很大的份額,但必竟在交流電傳動技術(shù)方興未艾迅猛發(fā)展的形勢面前,呈現(xiàn)出前途渺茫的不景氣狀態(tài)，所以人們不大可能有大的興趣和力氣來開發(fā)新的直流牽引電動機的新產(chǎn)品新技術(shù)。所以說發(fā)展也只能是改良性的完善性的局部改進。這些改進，主要有如下幾個方面：

a) 提高主要的重點產(chǎn)品的絕緣等級

重要的直流牽引電動機產(chǎn)品中原用的絕緣等級B改為更高的F級和H級絕緣。如所有牽引電機的換向器片間云母板都改用了H級粉母板，大大降低了原換向器存在的隔片松動，高速時滑移或尺寸超差的現(xiàn)象。大部分換向器的對地絕緣用的V型絕緣套筒采用了H級塑型云母壓制，減少了換向器使用中的接地短路問題。

b) 工藝精細化提高了牽引電機的運行質(zhì)量

ZQDR-328直流電機換向器片間絕緣一直使用1.2~1.3厚的云母板片裝。在改用1.24±0.02厚的云母板后，圓周方向的尺寸控制精度大大提高，換向器片中心與電樞中的差值被嚴(yán)格控制，使電機運行中的火花等級降低了1級以上，電機正、反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)差由原來的15r/min下降到5r/min，運轉(zhuǎn)精度大有提高。

c) 換向片與電樞繞組的連接由錫焊改為TIG焊接，過去因錫的熔點低而在運轉(zhuǎn)中的甩錫現(xiàn)象也沒有了，提高了運行的可靠性。

d) 電刷和換向器接觸穩(wěn)定性的改進

這個問題是對電機運行可靠性的最大威脅，為此換向器片采用了含銀銅片，它和純銅片的比較見表1：

含銀銅片除電導(dǎo)率低于純銅外，表面耐磨性的硬度，耐熱性的軟化溫度及高溫強度均優(yōu)于純銅的冷拉硬銅排。

表1 不同材質(zhì)的性能

e) 采用恒壓彈簧壓指，使電刷在有效磨損量范圍內(nèi)，保持壓力的基本恒定。

f) 電刷采用兩分裂式炭刷增大電阻。

增大換向路中的阻值能使回路中電流下降，這樣在換向元件和電刷斷開時產(chǎn)生火花的能量下降。為此選用如圖1所示的分裂式電刷。

圖1 分裂式電刷

角度為120°的橡皮塊不僅能吸收震動保證電刷和換向器的良好接觸，還能保證壓力有較好的對中性。圖2為湘電集團生產(chǎn)的直流牽引電動機。

4 交流異步牽引電動機

用交流電動機來驅(qū)動地鐵列車應(yīng)該說是2000年以后的事，因此也可以說是在起步階段，湘電集團目前在電動輪自卸車領(lǐng)域內(nèi)采用交流電傳動是在2008年和美合作生產(chǎn)的兩臺200t交流電動輪自卸車上。在工礦大電機車上尚是空白，在窄軌工礦電機車方面約有10輛是由交流牽引電動機驅(qū)動的，因此在地鐵輕軌領(lǐng)域是做的最好的，下面的圖3、圖4分別為YQ-180-2和YQ-180-3兩款用在北京地鐵八通線和北京地鐵十號線上的交流電動機示圖。

交流異步三相鼠籠式牽引電動機和普通交流電動機相比，最大的不同是前者是由逆變器供給的非正弦波交流電源作為電機動力來使之轉(zhuǎn)動的。同時出于交流控制策略的需要，它和普通交流電機比較有如下區(qū)別：

a) 較高的絕緣等級，并采用真空浸漆

由于交流異步電機以非正弦交流電作動力，所以電流中含有很大的脈沖峰值；同時逆變器換流時產(chǎn)生的過電壓沖擊，要求絕緣材料的等級達H級以上，并使用耐電暈絕緣材料以防止絕緣結(jié)構(gòu)中的空氣被高的過電壓擊穿而發(fā)生局部放電。為根治絕緣結(jié)構(gòu)中存在空氣這個致命缺陷，所以絕緣結(jié)構(gòu)件必須采用真空浸漆。

b) 較大的氣隙

因牽引電機工況惡劣，雨、雪、風(fēng)、沙均會浸入電機內(nèi)部，所以在設(shè)置有空氣過濾器的前提下，仍須設(shè)計較大氣隙，以便檢修時轉(zhuǎn)子易于抽出。

c) 較大的額定轉(zhuǎn)差率，由于動車通常采用1C2MX2或1C4M結(jié)構(gòu)，所以車輛輪徑差對并聯(lián)運行的牽引電動機的負載分配有很大的影響，嚴(yán)重的會破壞電機的粘著，喪失動力，而采用較大的額轉(zhuǎn)差率會減小這種影響。當(dāng)然這也會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電阻增大而降低電機的效率。之所以要選用較大的額定轉(zhuǎn)差率而犧牲電機的效率，是因為轉(zhuǎn)差率的電機的力矩特性比較平緩，所以對電機的力矩較易控制。

d) 必須使用絕緣軸承

由于非正弦波電源供電及制造誤差導(dǎo)致磁場的不對稱并由此產(chǎn)生軸電流，為了防止軸承被腐蝕，所以交流變頻牽引電機必須使用絕緣軸承來固定轉(zhuǎn)子軸。圖5為成都地鐵設(shè)計的YQ-190電機交流鼠籠式電機的結(jié)構(gòu)。

圖中導(dǎo)條即為使電機有較大額定轉(zhuǎn)差率而選用的高電阻、高強度的銅鋅合金導(dǎo)條。端環(huán)為熱變化率較小的純銅制成的端環(huán)，它的熱膨脹率只有銅鋅合金材料的1/4左右，所以能較好地抑制變形，它們由中頻感應(yīng)裝置焊接而成。然后，在精車端環(huán)外圓后，用熱套方式裝上保持環(huán)，以保證電機轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力的作用下，仍有較高的強度和工作可靠性，這個結(jié)構(gòu)是中型交流牽引異步電機的典型結(jié)構(gòu)，之所以要這樣做就是為了產(chǎn)生較大的額定轉(zhuǎn)差率，并較簡單的控制電機的力矩。由于轉(zhuǎn)子電阻較大，所以和普通的Y系列交流異步電動機相比，在電壓相近、同等容量的條件下，交流牽引電機的效率要低2~3%。目前，我們生產(chǎn)的牽引交流異步電動機單位功率質(zhì)量為3kg/kW左右，所以還有改進完善的空間。

圖3

圖4

另外，湘電集團還研制了混合動力轎車用的永磁同步電動機，如圖6所示，為開發(fā)新能源保護我們生存環(huán)境作了有益嘗試。

圖5 YQ-190交流牽引電機結(jié)構(gòu)圖

圖6 永磁同步電動機