雙源制調車電力機車用牽引電機研制

（中車株洲電機有限公司，湖南株洲 412001）

0.引言

配套該機車的牽引電機為三相交流異步牽引電機，具有結構簡單、可靠性高、體積小、重量輕、啟動快、維護少等優點。本文論述了該電機的技術要求、基本結構，同時對關鍵技術難點進行分析和解決，最后對試驗情況進行了闡述并給出結論。

1.總體技術要求

1.1 機車基本信息

機車軸式B0-B0，齒輪傳動比5.706，新輪輪徑1250mm、全磨耗輪徑1150mm，持續運行速度20km/h（電網）、15km/h（電池），最高設計速度80km/h，起動牽引力300kN，持續牽引力216kN（電網）、192kN（電池），整車額定牽引功率1200kW（電網）、800kW（電池）[1]。電機在機車上采用抱軸安裝。

1.2 環境條件

運行環境：溫度：-25℃～+40℃；最大相對濕度95%；海拔≤1400m；滿足風、沙、雨、雪、霧霾，偶有鹽霧、酸雨、沙塵暴。

1.3 變流器對電機要求

變流器對電機采用架控，額定點之前為恒磁通控制、之后為恒功率控制，輸出限制如表1所示。

表1 變流器對牽引電機輸出限制

2.電機結構

2.1 總體

電機由定子、轉子、端蓋、軸承、附件等部件組成，電機總體截面圖如圖1所示。

圖1 牽引電機總體結構截面圖

2.2 定子

定子主要由定子鐵心、定子繞組、接線盒等零部件組成，如圖1中“3”所示。其中定子鐵心采用無機殼焊接結構，具有結構緊湊、重量輕、散熱好等特點。定子繞組采用低電阻率無氧銅導線和有機硅絕緣漆，具有防潮、防霉、耐振、可靠性高、電氣性能好等優點。

2.3 轉子

轉子主要由導條、端環、轉軸、轉子沖片、轉子壓圈等部件組成，為鼠籠式結構，如圖1中“7”所示。轉軸采用優質合金鋼材料，具有機械強度高、抗疲勞和耐沖擊等優點。轉子導條和端環均采用低電阻率合金銅，兩者采用高頻感應釬焊進行連接。

2.4 端蓋

本電機傳動端和非傳動端端蓋均采用鑄鋼材料，如圖1中“2”“5”所示。在兩端端蓋上設計有迷宮式密封結構軸承室，確保兩端軸承可靠潤滑密封。

2.5 軸承及潤滑密封

電機兩端軸承均采用優質的絕緣圓柱滾子軸承，如圖1中“1”“6”所示，能夠有效防止電腐蝕，確保持續可靠運行。兩端軸承均采用脂潤滑并設計有儲脂室，確保良好潤滑和溫升正常；同時還都設計有補脂通道，方便后續日常維護。

2.6 測溫及測速裝置

在電機定子鐵心齒部安裝有PT100溫度傳感器，防止電機過熱。同時在電機非傳動端安裝有高精度雙通道霍爾式速度傳感器，如圖1中“4”所示，用于監測電機的速度及轉向。

3.電機特性

本電機為逆變器供電，且有兩種供電模式，因此需分別計算兩種電源供電的牽引和制動特性參數和曲線。

3.1 牽引特性

電機牽引特性參數如表2所示。

表2 電機牽引特性參數

3.2 制動特性

電機制動特性參數如表3所示。

表3 電機制動特性參數

4.電機關鍵技術難點

4.1 雙源制供電方式

電池供電時，電機輸入電壓較小，需分析其對牽引和制動的影響。通常電機在恒功區高速運行時需有一定的輸出轉矩裕量，即電機顛覆系數，確保可靠牽引和制動。通常電機顛覆系數不小于1.2。

當電機運行在恒功區時，電機顛覆系數主要受電機輸入電壓和定轉子漏感影響，且其和輸入電壓成反比，和定轉子漏感成正比[2]。因此本電機采用低損耗冷軋硅鋼片、半開口矩形轉子槽、定轉子槽口增加槽溝、加強同變流器匹配分析等方法，降低定轉子漏感，提高電機顛覆系數。經核算，極限工況下，電機牽引和制動顛覆系數均能滿足要求。

4.2 傳動端軸承潤滑密封結構

本電機因轉向架布置所限，兩端軸承均需采用脂潤滑。特別是傳動端軸承受電機熱傳導和冷卻風壓等影響，如何保證其溫升和潤滑密封可靠是本電機設計難點之一。本電機設計時，從軸承型號、氣壓平衡等方面采取解決措施。

在軸承選型上，對軸承允許轉速、額定動靜負荷、最小負荷、軸承壽命等進行了分析，選用了NU330軸承。在傳動端軸承密封設計上，在傳動端端蓋上設計了4組氣壓平衡孔，通過氣壓平衡試驗顯示傳動端軸承密封結構處為微正壓，有效避免氣壓變化對傳動端軸承潤滑密封的影響。

4.3 輕量化設計

本電機因機車總體要求，需進行輕量化設計。針對這一要求，本電機從轉子結構、端蓋結構、測速裝置設計等方面采取解決措施。

在轉子結構設計上，相較于機車牽引電機常用的轉子外套護環結構，本電機經過仿真分析和試驗驗證，確保轉子強度可靠性的情況上，取消了護環。在端蓋結構設計上，本電機兩端端蓋均采用GS-20Mn5鑄鋼材料和薄壁結構，同時傳動端端蓋多處使用加強筋結構，在結構可靠的同時減重。在測速裝置設計上，本電機采用了1.5模數霍爾式速度傳感器，在控制精度保持不變的情況下，本電機較同類電機測速齒盤外徑更小，重量相應減少約30%。

5.電機試驗

按照電機相關標準要求進行型式試驗，表4試驗結果表明，電機各項指標均滿足設計和標準要求。

表4 電機試驗結果

6.結語

根據雙源制調車電力機車總體技術要求，和變流器及轉向架對電機的要求，對關鍵技術難點進行了分析和解決，研制出的電機性能完全滿足機車整體性能要求和相關標準要求。