淺談一種帶風道的改進型強迫風冷直線電機

張永才，于曉杰，張雄飛，劉峰

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

1 概述

目前，國內外城市軌道交通用直線電機主要有兩種：自然風冷直線電機和強迫風冷直線電機，這兩種電機平臺比較成熟且應用較多。自然風冷直線電機靠列車走行風進行冷卻，其散熱效果受列車運行速度影響較大，線路條件較差時，電機溫升過高容易發生燒損；強迫風冷直線電機自身帶有冷卻風機，依靠冷卻風機對直線電機吹風散熱，但冷卻風機所受振動沖擊較大，其軸承故障率較高。本文將設計一款改進型強迫風冷直線電機，結合兩種直線電機平臺的優點，保留既有自然風冷直線電機的成熟結構，僅在電機上部增加冷卻風道；同時，采用強迫風冷直線電機的設計，但冷卻風機不再安裝于電機本身，而是安裝于振動沖擊相對較小的車體。

2 改進型強迫風冷直線電機設計

由于既有自然風冷直線單機平臺成熟，且具有良好的應用基礎。為提高改進型直線電機的可用性和可靠性，本文基于自然風冷直線電機平臺進行改造，僅在電機上部增加冷卻風道，總體結構、安裝接口與既有平臺保持一致，使得電機結構變動盡量小，以使得電機電磁方案具有良好的繼承性。同時，避免新型研發帶來的未知風險，比如，框架結構強度不足、線圈絕緣等級不夠等。具體描述如下。

2.1 直線電機風道設計

本文改進型直線電機在“排障器、二次防脫、引出線裝配、鐵芯裝配、懸掛”等方面均沿用既有自然風冷直線電機成熟結構，僅在框架中部通增設冷卻風道，此時，直線電機框架也將作為風道的一部分，如圖1和圖2所示。

圖1 既有自然風冷直線電機

圖2 改進后的帶風道直線電機

2.2 冷卻通風散熱設計

既有自然風冷直線電機純靠走行風自然冷卻，但當站間距短、坡道多、加減速頻繁時，電機溫升相當顯著，極易超出電機溫升限值，造成直線電機燒損，給列車運營到來極大安全隱患，并嚴重影響運營效率。而既有強迫風冷直線電機屬于全封閉結構，僅保留進出氣口，當被異物阻塞時，也易造成電機溫升過高，需要經常對電機進行吹風處理。

為解決自然風冷電機溫升過高、強迫風風冷電機易被阻塞的問題，特將冷風從風機頂部引入，并沿著風道方向流通，使得電機中部鐵芯得以冷卻。同時，將既有直線電機平臺框架圓孔改為通風用方孔，使得改進型電機可以側出風，電機外側線圈得以冷卻，如圖3所示。同時，保留了自然風冷直線電機走行風的冷卻方式，可以輔助直線電機底部散熱，如圖3展示了改進型直線電機強迫風與走行風的流向。

圖3 改進型直線電機冷卻風流向圖

此外，由于改進型直線電機屬于半封閉結構，進出風口基本不會出現異物（如柳絮、灰塵等）阻塞的問題。

2.3 直線電機與車體冷卻風道的連接設計

既有強迫風冷直線電機及其冷卻風機為一體，共同安裝于轉向架，但由于轉向架振動沖擊比較強烈，極易造成冷卻風機軸承故障，使得直線電機溫升過高，故需經常更換冷卻風機。

為解決上述冷卻風機受振動影響較大的問題，改進型直線電機冷卻風機不再設置于電機本身，而是安裝于車體，并在車體上安裝冷卻風道；車體冷卻風道與冷卻風機之間采用軟風道連接。

為將冷卻風引入改進型直線電機，并彌補車體與轉向架之間的相對位移，在車體冷卻風道與直線電機之間采用伸縮管連接。改進型直線電機安裝于轉向架的，示意圖4所示。

圖4 車體冷卻風道與直線電機連接示意圖

綜上所述，改進型直線電機在與既有自然風冷直線電機總體結構和安裝接口一致的前提下，在框架中部區域設置了冷卻風道，通過伸縮管與車體的冷卻風機及冷卻風道連接。冷卻風從車體風道引入后，流過中部鐵芯散熱，同時，可以從直線電機側面通風口流出，輔助外側線圈散熱。

3 地面溫升試驗驗證

直線電機初級線圈（定子）安裝于車輛轉向架，次級線圈（轉子）安裝于軌道，該特點決定了其實際溫升性能只能通過裝車考核，但為驗證改進后直線電機的優勢，特進行地面通流對比試驗，以證明本文直線電機改進方案的可行性。通過在“電機槽內線圈層間”埋置PT100溫傳（共11處），在“鐵芯齒部、鐵心背部、線圈端部”粘貼PT100溫傳（共20處），并對圖1的自然風冷直線電機和圖2改進型直線電機，分別加載相同的特定電流（既有車實測電機RMS電流），其中改進型直線電機通以2200m3/h的風量（根據既有車可以提供的風量核算）。在加載特定電流后，當電機溫度在一小時內變化小于2K時，認為電機溫度已經穩定，最終試驗對比結果如下。

根據試驗結果可以看出，相比自然風冷直線電機，雖然改進型直線電機加入風道，整體結構變為半封閉，但由于冷卻風機的設置，溫升下降效果明顯，且損耗降低20%，同時，有利于車輛的節能設計。

表1 溫升試驗對比表

4 結語

本文設計了一種可以用于城市軌道交通列車的改進型強迫風冷直線電機，其自身帶有冷卻風道，通過安裝在車體上的冷卻風機及風道進行吹風冷卻，車體風道與電機風道之間采用伸縮管連接。本文設計的改進型強迫風冷直線電機，具有如下明顯的優勢。（1）與既有自然風冷直線電機相比，設置了冷卻風道，具備了強迫風冷功能，與走行風相比，冷卻效果更好，可以大幅降低電機繞組溫升，有效提升電機運行可靠性，同時利于電機功率擴充及整車性能提升。（2）與既有強迫風冷直線電機相比，冷卻風機安裝于車體，振動沖擊較小，故障率將會降低，使用壽命將大大提高。