橫向耦合100%低地板車輛用牽引電機短定子壓圈結構的優化設計

唐子謀

（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001）

100%低地板有軌電車屬于中運量交通模式，填補了公共汽車與地鐵運量間的空白。她具有外形美觀、乘坐舒適、環保節能、工程造價低等眾多優點，是城市輕軌車輛目前發展的主要方向。

100%低地板車輛轉向架采用橫向或縱向耦合傳遞技術，牽引電機通常是布置在轉向架兩側，即平行于車體的縱向安裝方式，如圖1所示。

圖1 低地板牽引電機懸掛安裝示意圖

基于低地板縱向布置的結構要求，牽引電機的懸掛安裝點設置在電機兩端的端蓋上，如圖2所示。

圖2 低地板牽引電機結構示意圖

其中，定子鐵芯（如圖3所示）是兩端的定子壓圈與若干塊拉板通過焊接連接將疊壓好的硅鋼片壓緊，并維持片間一定的壓力防止硅鋼片松動散片。

圖3 定子鐵芯示意圖

由于電機的懸掛安裝不在定子壓圈上，使得其整體結構和形狀相對簡單和規則，其成型既可采用加工也可采用鑄造的方式。同時，為縮短供貨周期、節省鑄造模具成本，在工程上這種類型的定子壓圈推薦采用鋼板加工成型。

此時，定子壓圈軸向長度的設計就需要考慮常用鋼板厚度的限制。一般選取軸向長度小于50mm，習慣上稱這種尺寸的壓圈為短壓圈。下文將通過實例討論短定子壓圈的結構設計方面的技術和經驗。

1 低地板牽引電機短定子壓圈結構

1.1 短定子壓圈結構

某采用短定子壓圈結構的100%低地板牽引電機，在試制初期出現了壓圈與齒壓板之間局部存在縫隙、鐵芯齒張散片的問題。

圖4 定子鐵芯齒張

經分析，該問題是由兩端定子壓圈與拉板焊接過程中，在硅鋼片疊壓力和焊接收縮力共同作用下，定子壓圈發生過大的翻轉導致。

圖5 定子壓圈受力翻轉示意圖

1.2 短定子壓圈翻轉剛度

根據上文分析，硅鋼片疊壓力和焊接收縮力共同形成轉矩作用在定子壓圈上，從力學原理上與圓環受周向均布轉動力矩作用是一致的。

設圓環單位弧長上所受外加分布轉動力矩用m表示，圓環的等效半徑為Ro，圓環任意橫截面上均只有一個純彎的徑向力矩Mr=mR0。

圖6 圓環受周向均布力矩

在純彎力矩Mr作用下，圓環中性面偏轉角度θ有

其中，Ix為截面繞x軸的慣性矩，對矩形截面而言如圖7所示。

圖7 圓環變形示意圖

要提高壓圈翻轉剛度即減少偏轉角度θ，根據式（1）可知，在一定作用力下最有效的方法就是減少定子壓圈的等效半徑R0和增加定子壓圈的截面慣性矩Ix。

2 短定子壓圈結構的優化設計

2.1 短定子壓圈的結構優化

由理論分析可知，需要增加定子壓圈截面的慣性矩和減少等效回轉半徑。在定子壓圈整個軸向長度變化不大的情況下，可采取以下措施：

（1）壓圈外部材料向中心移動，增加有效寬度，從而提高截面慣性矩；

（2）將截面的形心向中心移動，從而減少等效回轉半徑；

（3）適當增加定子壓圈軸向長度。

優化前后定子壓圈截面形狀如圖8所示。

圖8 定子壓圈截面形狀優化

對比優化前后定子壓圈截面參數見所示，表明優化后定子壓圈截面慣性矩有明顯改善，理論翻轉剛度提高約2.4倍以上。

表1 優化前后定子截面參數對比表

2.2 短定子壓圈受力分析

通過有限元法對定子壓圈的受力變形進行計算分析，確認定子壓圈結構優化的是否達到了預期的效果。

對定子鐵芯進行建模，并有以下假設：

（1）涉及有裝配接觸關系的部位，為考慮為摩擦接觸，摩擦系數為0.12；

（2）在筋板與壓圈接觸處加載焊接收縮力；

（3）將定子鐵芯底部進行固定約束。

圖9 定子壓圈受力分析加載模型

定子壓圈的內圈軸向變形結果見表2所示，變形云圖見圖10所示。

表2 定子壓圈內圈變形統計

圖10 定子壓圈變形云圖

由仿真數據可知，優化方案的最大變形下降56.3%，翻轉剛度是原方案的2.3倍。由于實際的定子壓圈結構并非規則的圓環，因此，仿真結果與理論計算結果存在一定的差異，但總體趨勢是非常吻合的，優化達到了預期的效果。

3 實物驗證

根據上述的優化方案制作一臺樣機，通過測量未發現齒張（見圖11所示），所有尺寸滿足設計要求。驗證結果表明，改進措施可行有效，目前已進入小批量生產。

圖11 優化后定子鐵芯未發生齒張

4 結 論

本文基于圓環受轉動力矩下翻轉剛度理論，介紹一種牽引電機短定子壓圈結構的優化思路和措施，有效解決短壓圈結構下定子鐵芯齒張的問題。

通過樣機驗證結果表明，本文運用的設計結構優化措施切實可行，滿足工程化生產要求。同時，本文提出的優化原理可以為短壓圈結構的設計技術提供支撐和參考。