新型永磁直驅驅動單元技術的設計和分析*

徐艷暉

（中車大同電力機車有限公司 技術中心，山西大同 037038）

多年來，隨著國內外軌道交通行業對永磁電機直驅傳動技術的研究及運用，以及國內各行業永磁同步電機技術的不斷應用及發展，國內永磁同步電機的研發及制造技術越來越成熟。由于以前在軌道交通行業，永磁同步電機技術在城市軌道交通領域有了一定的研究和應用，但是在相對功率更大的鐵路機車領域國內目前還沒有相應的研究及應用，鐵路機車領域的直驅傳動技術目前國內還是空白［1］。因此，永磁同步電機技術的發展為鐵路機車直驅傳動技術的實現奠定了良好的基礎，同時直驅傳動技術也將成為推動鐵路機車行業傳動技術的突破方向。

1 直驅傳動技術在國內外的應用現狀

目前國外進行直驅傳動技術研究的主要機構和公司有：日本的相關研究機構和公司、德國的SIEMENS公司和瑞士的SKODA公司。

1.1 日本公司[2]

早在20世紀90年代，日本就開始了對直驅傳動系統的研究，迄今為止已進行了多次試制。東日本鐵路公司從1999年起，就開始開發永磁直驅輪對驅動單元以用來裝車AC Train電動車組，永磁直驅電機采用架懸懸掛方式，傳動機構采用橡膠結構，采用車軸傳動方式，如圖1所示。運行結果表明其噪聲降低了5 dB，節能10%以上，提高了效率。

圖1 東日本鐵路公司開發的永磁直驅輪對驅動單元

1.2 SIEMENS公司

德國SIEMENS公司采用直驅技術路線分別開發出ICE3動車組用永磁直驅傳動系統、Syntegra轉向架用永磁直驅傳動系統及以BR152機車為基礎開展的永磁直驅技術研究。

（1）ICE3動車組用永磁直驅系統

SIEMENS公司以ICE3型動車為應用載體，開展了永磁直驅傳動方式的研究，電機功率為500 kW，電機采用架懸懸掛方式，傳動機構采用連桿橡膠關節結構，車軸傳動方式如圖2所示，采用全封閉水冷結構。在ICE3車上實現了裝車，裝車車輛最高速度為330 km/h。

圖2 ICE3直驅輪對驅動單元

（2）Syntegra轉向架用永磁直驅系統

SIEMENS針對城軌車輛開發了永磁直驅電機新型轉向架Syntegra。電機功率為150 kW，采用軸懸懸掛方式，車軸同時也是電機的轉子軸，如圖3所示，采用全封閉水冷結構。

圖3 Syntegra用永磁直驅電機

測試結果表明：在使用直驅傳動系統時比異步傳動系統的效率提高3%，體積減少了30%，噪聲降低了15 dB。

（3）永磁直驅機車的研究［3］

SIEMENS以BR152型機車異步電機傳動系統為基礎，對采用永磁電機直驅傳動系統的技術進行了研究。電機按照功率1 600 kW、軸懸懸掛方式、全封閉水冷結構的方案進行了相應技術研究。通過研究表明由于簧下質量的增大，車輪垂直載荷力有所增加，導致機車最高運行速度有所降低。

1.3 SKODA公司

SKODA公司于2010年針對低地板車開發了永磁直驅電機，如圖4所示。電機功率為46.6 kW，采用全封閉水冷結構。

圖4 SKODA永磁直驅電機

2018年柏林軌道交通展，SKODA公司展出了一款城軌用永磁直驅輪對驅動單元產品，如圖5所示，是本屆展會展出的唯一一款永磁直驅產品。電機功率為150 kW，采用軸懸懸掛方式，車軸同時也是電機的轉子軸，自然風冷結構。

圖5 SKODA公司直驅輪對驅動單元

國內在軌道交通領域，目前中車浦鎮、中車四方等企業已完成了永磁直驅城軌車輛的研制，填補了國內軌道交通行業直驅傳動技術領域的空白。同時，中車永濟、中車株所、中車株洲電機等企業在永磁直驅電機的研制、運用等方面已經積累了一定的技術基礎，具備了研制大功率永磁直驅電機的技術實力。

1.4 小結

在軌道交通領域，國內外都已經開展了永磁直驅傳動系統方面的研究及探索。

目前，國外在直驅傳動系統方面，主要應用在城際、低地板車等領域，電機功率從46.6~500 kW不等，冷卻方式基本為水冷，成果主要體現在提高系統效率、節能、降噪等方面［1］。雖然在功率較大的機車領域SIEMENS進行了研究，但沒有進行實際應用。因此，本項目的開展推動直驅傳動系統技術向機車領域延伸。

2 新型永磁直驅驅動單元總體結構

驅動單元主要由輪對、電機、傳動裝置和電機懸掛裝置等組成。輪對主要由車軸、車輪等組成。傳動裝置主要由牽引電機、齒輪傳動系統裝配等組成。牽引電機采用架懸全懸掛方式；牽引電機設計有防脫落結構。驅動單元三維效果圖如圖6所示，二維剖視圖如圖7所示。

圖6 驅動單元三維圖

圖7 驅動單元二維剖視圖

3 主要技術參數

主要技術參數如下：

軌距： 1 435 mm

軸重： 21 t

最大運營速度： 160 km/h

輪徑： 1 250 mm（新）1 150 mm（磨耗）

輪對內側距： 1 353±1 mm

電機質量： 3 430 kg

電機額定轉速： 353 r/min

電機最高轉速： 706 r/min

電機啟動轉矩： 42 000 N?m

電機額定轉矩： 33 142 N?m

牽引電機懸掛方式： 架懸全懸掛

傳動方式： 直驅傳動

傳動結構： 電機空心軸+撓性板聯軸器

4 驅動單元主要部件的結構、性能與特點

4.1 輪對

輪對組裝技術要求及零部件技術要求符合TB/T 1463《機車輪對組裝技術條件》的相關要求。輪對三維效果圖如圖8所示。輪對組裝主要由車軸、主動車輪、從動車輪、軸箱裝配等組成，采用輪盤制動方式。

圖8 輪對三維圖

4.2 傳動裝置

傳動裝置主要由電機及聯軸器組成，如圖9所示。

圖9 傳動裝置三維圖

4.2.1電機

由于采用直驅傳動后，隨著電機扭矩的成倍增加，電機體積增大，質量增加，受輪對內側空間、機車下部限界及驅動單元整體設計質量的限制，電機設計空間有限，因此永磁直驅電機設計時須從電磁設計、冷卻方式、減重、強度、空間等多方面統籌考慮。

電機采用定子強迫通風、轉子密封結構；轉子采用空心軸、端面齒結構，轉子兩端采用圓柱滾子軸承進行支撐；為降低驅動單元質量電機兩側端蓋采用鑄鋁合金結構。永磁直驅電機按照滿足C6修要求進行設計，降低了電機全壽命周期內的檢修維護成本。

4.2.2聯軸器

聯軸器由左、右撓性膜片組、傳力盤、空心軸、傳動軸、傳動銷以及連接組件等組成，撓性膜片組由多層厚度相同的優質彈簧不銹鋼片組成。為了優化電機及聯軸器的設計空間，與既有直驅技術完全不同的是采用了車輪傳動方式。

采用聯軸器傳動機構較傳統空心軸六連桿傳動機構減重約17%左右，同時軸向空間占比減小，為電機設計及驅動系統的組裝及檢修維護留出了寶貴的軸向空間，聯軸器三維效果圖如圖10所示。聯軸器一端通過傳力盤與電機轉子空心軸連接，另一端通過傳動銷與主動車輪連接，聯軸器空心軸貫穿電機轉子空心軸，撓性膜片組是實現電機相對于車軸變位的執行機構，聯軸器空心軸與電機轉子空心軸、車軸之間設計有足夠的相對運動間隙。

圖10 聯軸器三維圖

由牽引電機產生的驅動力矩經電機轉子軸→傳力盤→聯軸器左側撓性膜片組→空心軸→傳動盤→聯軸器右側撓性膜片組→傳動銷→主動車輪→車軸→從動車輪。

聯軸器各零部件強度分析如圖11所示，結果表明各零部件具有足夠的安全系數。撓性板疲勞壽命計算了交變應力和穩態應力，這2部分應力用疲勞極限來評定，如圖12所示，疊片組件在啟動扭矩下，補償同時達到最大的疲勞安全系數為1.19，表明撓性板的理論計算壽命已進入無限壽命。

圖11 極限載荷條件下聯軸器各主要零部件應力云圖

圖12 Goodman疲勞極限圖

經過對聯軸器的變位能力和剛度進行計算，結果表明滿足轉向架一系懸掛和電機架懸合成的位移要求。

采用聯軸器使得電機與輪對成了2個“相對獨立”的運動體，聯軸器能夠緩解各個方向的沖擊振動，電機架懸使得電機質量成為了簧上質量，降低了輪軌動作用力，改善了電機的工作條件。聯軸器具有足夠的扭轉剛度，可避免輪對在驅動過程中產生黏—滑振動［4］。

由于撓性膜片組為彈簧鋼片，使聯軸器性能在壽命周期內各向剛度與新造相比具有很高的一致性，避免了傳統空心軸六連桿機構橡膠關節老化后導致的機車橫向穩定性變差問題；同時，聯軸器部件之間無相對磨損，因此聯軸器能夠滿足C6修的要求，降低了驅動系統全壽命周期內的檢修維護成本，具有典型的技術優勢。

4.3 電機懸掛裝置

驅動單元懸掛采用彈性架懸方式，主要由懸掛臂、吊桿、橡膠關節等組成，即電機一端通過裝有橡膠關節的懸掛臂懸掛于構架，另一端通過裝有橡膠關節的2根吊桿懸掛于構架，設有電機防落裝置，同時電機防落裝置兼備止擋功能，如圖13所示。

圖13 驅動單元懸掛及防落

5 試驗驗證及性能分析

按照相關標準要求，同時立足于掌握全新直驅傳動技術的各項性能，對車輪、車軸、聯軸器等零部件進行了相關試驗驗證，其中進行了多項研究性試驗項目。

5.1 車軸、車輪疲勞試驗

2018年，委托某車輛檢驗站，依據TJ/JW 037-2014《交流傳動機車車軸暫行技術條件》和TJ/JW 038-2014《交流傳動機車車輪暫行技術條件》標準相關要求，對車軸、車輪進行了疲勞試驗。經試驗，車軸、車輪疲勞強度滿足標準要求。

5.2 聯軸器振動沖擊試驗

2018年，委托某公司按照IEC 61373標準要求進行了聯軸器振動沖擊試驗，如圖14所示。測得了聯軸器在10種位移狀態下的共振頻率，試驗完成后聯軸器探傷無裂紋，無塑性變形，緊固件無松動，滿足機車在各種工況下的運行要求。

圖14 振動沖擊試驗

5.3 聯軸器疲勞試驗和三向剛度試驗

疲勞試驗：聯軸器分別在電機額定扭矩和電機啟動扭矩工況下，在聯軸器大變位條件下，分別進行了107次和106次的旋轉疲勞試驗，試驗完成后聯軸器探傷無裂紋，無塑性變形，緊固件無松動，滿足設計要求，如圖15所示。

圖15 聯軸器疲勞試驗

三向剛度試驗：對聯軸器進行了三向（軸向、角向、扭轉）剛度測試，三向剛度分別檢測了聯軸器撓性膜片組在新造、疲勞試驗后、振動沖擊試驗后3種狀態下的剛度值，研究撓性膜片組理論分析剛度值的準確性，并摸索聯軸器在運用后的三向剛度值變化情況。

5.4 聯軸器振動特性試驗

在某公司整車滾動試驗臺上進行了聯軸器振動特性試驗，如圖16所示，試驗時通過在聯軸器主要零部件上布置三向加速度無線傳感器，測得聯軸器在試驗臺上的三向加速度，通過分析來研究聯軸器各部件的三向振動傳遞情況，研究撓性板聯軸器的振動衰減效果。

圖16 滾動試驗臺整車試驗

6 結語

采用“電機空心軸+撓性板聯軸器”傳動技術的新型直驅驅動單元的設計及應用，極大地簡化了驅動單元的裝配工藝，降低了機車全壽命周期成本，降低了驅動系統的質量，減小了輪軌沖擊動作用力，縮小了轉向架固定軸距，轉向架具有較小的轉動慣量，提高了機車的曲線通過性能，豐富了國內機車轉向架驅動單元的傳動技術平臺。

截止到2021年12月，采用該新型驅動單元的機車已經研制完成，并完成了關鍵零部件試驗驗證及整車型式試驗。通過試驗驗證，表明新型永磁直驅傳動系統噪音小，能耗低，傳動平穩，運行狀態優良，達到了預期的設計目標。