永磁同步直驅電機懸掛模式研究*

羅湘萍 張文超 吳凱樺

（同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海∥第一作者，副教授）

傳統異步交流電機輸出特性與輪對需求不匹配，需設置變速箱作為中間傳動環節對力矩和速度進行調整。該機械環節帶來了能量傳遞損耗、質量和噪聲增加等一系列問題。而永磁同步電機具有體積小、質量輕、功率密度大、低速輸出轉矩大、效率高、維護簡單等優點，其輸出特性適用于直驅模式。采用永磁同步電機直接輪驅或軸驅，可取消變速箱，簡化動力驅動系統，減少效率損失，降低維護量和傳動噪聲。永磁直驅電機替代傳統異步電機實現傳動系統升級正成為技術發展的趨勢。

永磁同步直驅電機懸掛有多種模式，其中最主要的是架懸和軸懸模式。永磁同步直驅電機軸懸模式下的電機質量全部由車軸承擔，屬簧下質量。永磁同步直驅電機架懸模式下的電機懸掛于構架上，輸出力矩通過獨立空心軸傳遞至車軸，電機質量由構架完全承擔，屬簧上質量。驅動裝置質量分配于簧下的量級直接影響軌道交通車輛高速運行時的振動沖擊及噪聲大小。

本文針對下一代140 km/h城市軌道交通車輛，在相同線路條件和運行速度下，就永磁同步直驅電機架懸和軸懸2種技術模式進行輪軌垂向沖擊作用力計算分析，以作用力指標確定永磁同步直驅電機懸掛優選方案。

1 永磁同步直驅電機懸掛模式

（1）永磁同步直驅電機軸懸模式。德國西門子公司2007年研發了新一代城市軌道交通車輛轉向架Syntegra（見圖1）。Syntegra轉向架采用永磁同步電機軸懸直驅方式，電機轉子即車軸，電機轉矩直接施加在車軸上，傳動效率高。軸箱與電機定子采用一體化設計，軸箱內置，電機定子與軸箱共用1對一體式軸承，驅動裝置沒有其他附加機構，結構較為簡單。為了保持轉子與定子之間的小氣隙，需要轉子軸有足夠的剛度，因而車軸直徑較大，顯著增加了簧下質量。

（2）永磁同步直驅電機架懸模式。德國在高速列車上也成功試驗了永磁電機直驅技術。早期在ICE3的技術要求和規格基礎上研制了2臺永磁同步電機驅動單元，將其用彈性懸掛的方式安裝在構架上（見圖2），電機輸出轉矩通過第一六連桿、錐形空心軸、第二六連桿、法蘭傳遞至車軸。各環節均采用彈性聯接，加上錐形空心軸的使用，使得整套驅動裝置具有一定的動態變位能力。空心軸六連桿機構的徑向剛度較大，轉動過程中的偏心很小，但結構復雜，制造及維修成本較高。

圖1 德國永磁同步電機軸懸結構圖［1］

軸懸和架懸模式各有其優缺點，本文的重點旨在分析不同懸掛模式對輪軌垂向作用力的影響。根據這兩種懸掛模式簧上簧下不同的質量分布，建立相應的輪軌垂向沖擊作用力計算模型，分析在相同線路條件和運行速度下的輪軌垂向作用力。

2 輪軌滾動接觸瞬態計算建模

道岔、軌縫、波磨、輪對的多邊形磨耗等因素都將引起輪軌垂向沖擊作用。分析不同永磁同步直驅電機懸掛模式對垂向作用力的影響只需在諸多因素中選擇1種因素作為分析基準即可。

隨著軌道交通的發展，為了降低輪軌沖擊力，減小振動沖擊噪聲，焊接無縫鋼軌已得到廣泛應用；波磨、輪對多邊形磨耗等屬于后期運行中產生的局部病害，可通過打磨和鏇輪加以控制。道岔是軌道交通線路的關鍵設備，不可或缺。高速鐵路道岔采用可動岔心，消除了有害空間，而城市軌道交通線路采用的道岔均為普通道岔，客觀上存在物理有害空間。故選擇考量軌道交通車輛直線全速通過道岔時車輪與道岔間的垂向作用力對論證永磁同步電機直驅模式的可用性和適用性具有普遍參照意義。

2.1 輪軌滾動接觸有限元模型

由于輪軌系統相對輪對中心線所處的垂向平面具有對稱性，故只建立單輪單軌的垂向模型。

依據車輪踏面和道岔結構，利用HyperMesh前處理軟件，采用實體單元對結構進行有限元網格建模。在HyperMesh中施加約束和載荷后，再導出至Ls-dyna軟件中解算，由Ls-dyna軟件進行后處理得到分析結果。軌縫模型，如圖3所示。其中車輪采用LMA型踏面，鋼軌使用60 kg/m鋼軌。

在有限元建模中，將軌道交通車輛簧上質量簡化為一個質點通過一系懸掛在軸箱處與輪對相連，以質量點代替簧上質量。永磁同步電機軸懸直驅時，簧下質量相對于永磁同步電機架懸直驅時增加了電機自身質量。通過分配不同的簧上簧下質量來實現不同懸掛模式的參數建立。

2.2 輪軌滾動接觸計算模型驗證

鋼軌接頭是鐵路線路3大薄弱環節之一。20世紀七八十年代以來，國內外相關機構對軌道交通車輛車輪通過鋼軌接頭沖擊進行了實測，獲得了具有參考價值的車輪過鋼軌接頭輪軌力變化曲線［3］。采用單車輪過軌縫的仿真結果與實測結果進行對比，驗證所采用的研究方法是否能夠準確模擬車輪通過道岔的瞬態行為。

圖3 輪軌瞬態滾動接觸有限元模型

采用單輪模型，將軌道由道岔更替為帶軌縫的單邊鋼軌，有限元模型如圖3a）所示。

計算過程對車輪施加初始運動速度，將獲得瞬時顯式解的沖擊計算結果（見圖4 a））與輪軌實測結果［3］（見圖 4 b））對比。由此可見，利用 LS-Dyna軟件以顯式時間積分方法求解所得的輪軌垂向接觸力與文獻［3］的輪軌實測結果變化規律基本一致。

3 輪軌滾動接觸瞬態計算結果與分析

圖4 單車輪過軌縫計算結果與實測結果對比圖

3.1 輪軌滾動接觸計算工況

通過考察軌道交通車輛以不同速度等級通過道岔轍叉區時車輪與軌道間的垂向沖擊力，來研究論證永磁同步電機直驅模式選擇。分析輪軌瞬態接觸時，車輛運行速度設為80 km/h、100 km/h、120 km/h、140 km/h共4個等級，計算結果見表1。

表1 不同速度下輪軌滾動接觸瞬態垂向力

3.2 輪軌滾動接觸計算結果與分析

采用上述模型計算不同工況得到輪軌接觸瞬態響應結果見表1，典型工況結果見圖5。

結合圖5及表1的數據可知：

（1）車輪以一定速度通過轍叉區的有害空間時，會產生較大的輪軌垂向沖擊力。不論采用何種驅動模式，沖擊力大小會隨著速度的提高明顯增大。

（2）當車輛運行速度為80 km/h時，永磁電機架懸模式下，輪軌間的最大垂向作用力為213.5 kN；永磁電機軸懸模式下，輪軌間的最大垂向作用力為255.7 kN，兩者相差并不顯著。

（3）當車輛運行速度為140 km/h時，永磁電機架懸模式下，輪軌間的最大垂向作用力為329.4 kN；永磁電機軸懸模式下，輪軌間的最大垂向作用力為433.3 kN，兩者相差較大。

圖5 永磁同步電機架懸與軸懸直驅輪軌垂向力

（4）從輪軌沖擊力角度分析，80 km/h速度等級下，這兩種模式均可采用，但軸懸模式的轉子軸永磁體處于簧下，將受到的較大振動沖擊，存在易退磁的風險。

（5）隨著運行速度提高，永磁電機架懸模式的輪軌垂向作用力比軸懸模式的小，且轉子軸永磁體處于簧上，受振動沖擊退磁的風險也小。故本文推薦下一代140 km/h城市軌道交通車輛選擇采用永磁電機架懸直驅技術方案。

4 結論

本文建立了基于輪對踏面外形和道岔結構的輪軌沖擊力學模型，通過分析軌道交通車輛直線通過道岔時電機不同懸掛方式下的輪軌垂向作用力，優選適用于不同速度等級下的永磁同步電機懸掛方案。當運行速度較低時，綜合考慮電機懸掛結構復雜度與輪軌作用力，優選軸懸直驅作為電機懸掛方案；當運行速度較高時，主要考慮輪軌作用力及永磁體受振動沖擊退磁的風險度，優選架懸直驅作為電機懸掛方案。

［ 1］ ANDREAS J，LARS L，MARTIN T.Syntegra○R-：Innovatives Triebfahrwerk mit Direktantrieben=Syntegra-：Innovative motor bogie technology with direct drives［J］.Zev Rail Glasers Annalen，2006，130（9）：1.

［2］ CKEL A J.Intra Ice a novel direct drive system for future high speed trains ［J］.Zev Rail Glasers Annalen，2007，110（8）：1.

［3］ 李定清.輪軌垂直相互動力作用及其動力響應［J］.鐵道學報，1987（1）：1.

［4］ 聞方宇，任尊松，孫守光，等.基于ANSYS/DYNA軟件的高速車輪通過道岔的輪軌動力研究［J］.鐵道學報，2014（3）：14.