崔霆銳，　宗立明，　李　熙，　孟　磊

(北京市地鐵運(yùn)營有限公司地鐵運(yùn)營技術(shù)研發(fā)中心，北京　102208)

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北京地鐵機(jī)場線直線電機(jī)國產(chǎn)化應(yīng)用研究*

崔霆銳，宗立明，李熙，孟磊

(北京市地鐵運(yùn)營有限公司地鐵運(yùn)營技術(shù)研發(fā)中心，北京102208)

摘要：從電磁性能和工藝結(jié)構(gòu)兩方面對電機(jī)進(jìn)行自主優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將試制的2臺國產(chǎn)電機(jī)安裝在北京地鐵機(jī)場線車輛上進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)調(diào)試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明國產(chǎn)電機(jī)各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)與進(jìn)口電機(jī)基本一致，牽引性能及電氣性能與進(jìn)口電機(jī)相當(dāng)，在溫升特性和功效等方面有所提升。在此基礎(chǔ)上又對2臺國產(chǎn)電機(jī)進(jìn)行了十萬公里載客運(yùn)營考核試驗(yàn)，驗(yàn)證了國產(chǎn)電機(jī)對北京地鐵機(jī)場線實(shí)際運(yùn)營環(huán)境的適應(yīng)性，以及對同類進(jìn)口產(chǎn)品的替代性。

關(guān)鍵詞：直線感應(yīng)電機(jī)； 電磁性能； 工藝結(jié)構(gòu)； 城市軌道交通

0引言

由于傳統(tǒng)依靠輪軌黏著作用傳遞動(dòng)力的地鐵車輛的種種弊端，使直線感應(yīng)電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)走上了歷史舞臺。直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軌道交通模式最早開始于日本和德國對于超導(dǎo)和常導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)的研究[1]。從20世紀(jì)80年代中期加拿大多倫多Scarborough線和溫哥華Skytrain線的建成通車開始，其后近30年中，直線感應(yīng)電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)在國外得到了良好的發(fā)展，目前全世界已有加拿大、美國、日本等5個(gè)國家共10余條直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)地鐵線路投入商業(yè)運(yùn)營，總里程超過300km。直線感應(yīng)電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)正在逐漸成為城市軌道交通的一種主要模式[2]。

北京地鐵機(jī)場線是國門第一線，于2008年北京奧運(yùn)會前開通運(yùn)營，成為國內(nèi)直線電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)研究應(yīng)用的開端。機(jī)場線QKZ5型車輛是龐巴迪公司配套車輛，關(guān)鍵技術(shù)主要為國外所掌握，關(guān)鍵備品備件完全依賴進(jìn)口，用戶購車、用車成本昂貴。購買備品備件困難、采購周期長，關(guān)鍵系統(tǒng)售后服務(wù)遲緩。車輛維修成本相對較高，維護(hù)依然需要借助外方的技術(shù)、備件等。

根據(jù)國務(wù)院和國家發(fā)展改革委員會的要求，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通車輛國產(chǎn)化具有極其深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義，不僅可以降低工程造價(jià)，方便維修，降低運(yùn)營成本，也可以推動(dòng)我國城市軌道交通產(chǎn)業(yè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國家制定了城市軌道交通車輛平均國產(chǎn)化率不低于70%，牽引系統(tǒng)的國產(chǎn)化率達(dá)到40%以上的原則。

在借鑒國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，國內(nèi)首次研制了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的大功率強(qiáng)迫風(fēng)冷式直線感應(yīng)電機(jī)，并在北京地鐵機(jī)場線完成了靜動(dòng)態(tài)調(diào)試試驗(yàn)和載客運(yùn)營考核試驗(yàn)。

1直線電機(jī)電磁性能設(shè)計(jì)

電磁性能設(shè)計(jì)通過對電機(jī)的鐵心、繞組、反應(yīng)板、次級鐵軛等部分進(jìn)行磁路、電路的計(jì)算，獲得滿足電機(jī)運(yùn)行性能的各部分參數(shù)，如鐵心尺寸、銅線線規(guī)、繞組排列參數(shù)、次級材料、次級尺寸等。

1.1電磁設(shè)計(jì)及特性計(jì)算

大功率直線牽引電機(jī)是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的時(shí)變系統(tǒng)，勵(lì)磁電感和次級電阻等重要參數(shù)隨電機(jī)速度、氣隙長度、滑差等變化，并影響著電機(jī)的牽引特性。為了滿足直線電機(jī)牽引的技術(shù)要求，電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的準(zhǔn)確性是一個(gè)重要問題[3]。在直線電機(jī)中，鐵心在沿磁場行進(jìn)的方向上的不連續(xù)，結(jié)構(gòu)上的特殊性使得直線感應(yīng)電機(jī)存在動(dòng)靜態(tài)縱向端部效應(yīng)、橫向端部效應(yīng)、邊端極“半填充槽”、電磁氣隙大、次級反應(yīng)板集膚效應(yīng)等一些獨(dú)特的問題，對電機(jī)性能計(jì)算的準(zhǔn)確性影響很大，旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)的理論不能直接應(yīng)用于直線電機(jī)分析計(jì)算上，其理論分析和特性計(jì)算更為困難和復(fù)雜。

圖1　計(jì)及端部效應(yīng)等影響的直線感應(yīng)電機(jī)的T型等效電路

圖1中的各修正系數(shù)如式(1)～(4)所示。

(1)

(2)

次級相電阻的第二種橫向端部效應(yīng)修正系數(shù)Cr(s)：

(3)

次級磁化電抗的第二種橫向端部效應(yīng)修正系數(shù)Cx(s)：

(4)

式中：τ——極距；

s——滑差率；

G——品質(zhì)因數(shù)；

p——極對數(shù)；

ε——短距的槽數(shù)；

q——每極每相槽數(shù)；

C1、C2、T為式(1)～(4)推導(dǎo)中的過渡變量，是電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、滑差率、初級頻率、極數(shù)、品質(zhì)因數(shù)等的函數(shù)，且均為復(fù)數(shù)量[5]。

這樣，就得到了考慮直線感應(yīng)電機(jī)的端部效應(yīng)、集膚效應(yīng)及端部半填槽等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的T型等效電路，可以進(jìn)行電機(jī)的各種特性計(jì)算。

1.2基于有限元法的電磁設(shè)計(jì)程序

目前直線電機(jī)理論分析方法主要有直接解析法、分層分析法和有限元法[6]。有限元法是根據(jù)變分原理和離散化求取近似解的方法，從而對電機(jī)的求解域進(jìn)行剖分。導(dǎo)電媒質(zhì)中電磁場矢量和位函數(shù)的微分方程如下：

(5)

式中：σ——電導(dǎo)率；

v——運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的速度；

μ——磁導(dǎo)率；

A——矢量磁位。

要求得到式(5)的完全三維解非常困難，所以這里不求三維解，而是采用圖2所示的直線感應(yīng)電機(jī)的二準(zhǔn)模擬圖來求解。

圖2　直線感應(yīng)電機(jī)的二維模擬圖

電機(jī)電磁場的數(shù)值解法常用的有差分法及有限元法。有限元法由于剖分靈活，對求解區(qū)域邊界的逼近優(yōu)于差分法，所以計(jì)算精度更高，應(yīng)用更廣泛。以變分原理為基礎(chǔ)的有限元法在求解電機(jī)電磁場問題時(shí)，其求解步驟如圖3所示。

各場量求解之后可采用軟件的后處理功能，對求解結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的電磁特性分析。

按照QKZ5型車輛牽引系統(tǒng)對直線感應(yīng)電機(jī)的要求，編制電機(jī)電磁計(jì)算和設(shè)計(jì)程序。電機(jī)電磁設(shè)計(jì)過程與旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)過程類似，也需經(jīng)過主要尺寸、繞組參數(shù)確定、磁路計(jì)算、電路參數(shù)計(jì)算等過程，但需考慮直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)結(jié)構(gòu)上不同，進(jìn)行一些修正。由求得的等效電路參數(shù)，即可求得次級輸出的有功功率Pe2及電磁推力F：

圖3　有限元法求解電機(jī)磁場的過程框圖

(6)

(7)

式中：m——相數(shù)；

υ2——車速；

υs——同步速度；

電磁設(shè)計(jì)程序框圖如圖4所示。

圖4　電磁設(shè)計(jì)程序框圖

對于具有非線性導(dǎo)磁材料的直線感應(yīng)電機(jī)磁場，需采用瞬態(tài)場進(jìn)行分析，將矢量磁位A作為該磁場的描述函數(shù)，根據(jù)式(5)所需求解的非線性磁場的邊值問題可描述為

(8)

式中： Ω——求解域；

?！蠼庥虻耐膺吔?。

v——媒質(zhì)相對于參考坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)速度；

Js——外部強(qiáng)加的源電流密度；

σ——媒質(zhì)的電導(dǎo)率；

μ——媒質(zhì)的磁導(dǎo)率。

2直線電機(jī)結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)電磁設(shè)計(jì)所得參數(shù)對直線電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使所研制的大功率直線牽引電機(jī)在額定工

作點(diǎn)的效率和牽引力矩提高[6]。具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝創(chuàng)新點(diǎn)如下：

(1) 沖片和繞組設(shè)計(jì)。為了提高電機(jī)堵動(dòng)推力，采用一體化設(shè)計(jì)，即鐵心直接帶散熱齒的形式，加大槽形面積，增加導(dǎo)線面積，降低電流密度的方法，使電機(jī)推力提高，溫升降低。

(2) 通風(fēng)設(shè)計(jì)。強(qiáng)迫風(fēng)冷電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是通風(fēng)問題。傳統(tǒng)的電機(jī)鐵心散熱方法是在鐵心軛部安裝鋁合金散熱片。本設(shè)計(jì)采用在沖片磁軛上方?jīng)_制散熱片的方式。這種方法成本低，散熱效果較好。為了減少風(fēng)阻采用圓頂梯形散熱齒，利于通風(fēng)散熱，經(jīng)試驗(yàn)效果良好。

(3) 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)。在外形及安裝尺寸不變的情況下，改變風(fēng)機(jī)電機(jī)的裝配方式，增加了風(fēng)機(jī)的功率，提高了風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，有利于電機(jī)的散熱。同時(shí)還設(shè)計(jì)制造了防堵風(fēng)罩，采用增加垂直面進(jìn)風(fēng)口的方法，當(dāng)機(jī)車減速時(shí)垂直堵塞物可以自由落下。與機(jī)場線原風(fēng)機(jī)的對比試驗(yàn)結(jié)果如表1表示。新研發(fā)的國產(chǎn)風(fēng)機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于進(jìn)口風(fēng)機(jī)。

表1　風(fēng)冷電機(jī)用風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)對比表

(4) 線圈繞制工藝。電機(jī)繞組端部是電機(jī)溫升最高的部位，為了加強(qiáng)繞組端部散熱，應(yīng)盡量加大繞組端部的風(fēng)道距離。傳統(tǒng)的做法是線圈從里圈繞到外圈，引出線里圈一根、外圈一根。里圈的引出線夾在兩組線圈中間，擋住了風(fēng)道，不利于通風(fēng)。改進(jìn)工藝采用錯(cuò)位交叉換位正反繞工藝方法，使兩根引出線都在線圈外圈，便于連線且不擋風(fēng)道，有利于繞組散熱，效果顯著。

(5) 線圈熱壓工藝。為了便于繞組端部散熱，改變了繞組熱壓只壓直線部分的傳統(tǒng)工藝。采用線圈直線部分和端部同時(shí)壓模熱壓的新工藝，保證繞組端部堅(jiān)實(shí)、整齊、規(guī)范，有利于通風(fēng)散熱。

(6) 電機(jī)浸漆及覆蓋漆涂敷工藝。為了提高電機(jī)防水性能、絕緣性能和散熱性能，采取了有繞組鐵心兩次真空浸漆工藝，保證浸漆質(zhì)量，提高散熱效果。同時(shí)電機(jī)繞組外部涂敷防水硅橡膠絕緣覆蓋漆，滿足了電機(jī)浸水試驗(yàn)的性能要求。

3靜動(dòng)態(tài)調(diào)試試驗(yàn)

調(diào)試試驗(yàn)不僅要考核國產(chǎn)電機(jī)的性能，更重要的是考核國產(chǎn)電機(jī)與車輛牽引系統(tǒng)的配合性，以及與進(jìn)口電機(jī)同車混用時(shí)的協(xié)調(diào)一致性。因此，在一列四節(jié)編組的機(jī)場線車輛上，用2臺國產(chǎn)電機(jī)替換同一臺變流器供電的2臺進(jìn)口電機(jī)，對2臺國產(chǎn)電機(jī)與6臺進(jìn)口電機(jī)同車混用的情況進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1牽引性能比較與分析

額定負(fù)載情況下兩車牽引整列車的速度加速度曲線如圖5所示。隨著速度的上升，加速度下降比較明顯，2臺國產(chǎn)電機(jī)和2臺進(jìn)口電機(jī)共同牽引時(shí)與4臺電機(jī)牽引時(shí)加速度曲線的變化和波動(dòng)一致。

圖5　額定負(fù)載兩車100%牽引速度加速度曲線

表2給出了每次牽引時(shí)加速度的平均值和平均加速度。由表2可以看出加速度在0.45～0.51m/s2范圍內(nèi)波動(dòng)，二者的波動(dòng)范圍大體相同，從其平均值上可以看出2臺國產(chǎn)電機(jī)加2臺進(jìn)口電機(jī)比4臺進(jìn)口電機(jī)的加速度平均值高出0.37%、平均加速度高出0.42%。

表2　額定負(fù)載兩車100%牽引加速度對比表

3.2電氣性能比較與分析

圖6～8分別為額定負(fù)載時(shí)，A1車(由2臺國產(chǎn)電機(jī)牽引)或者B1車(由2臺進(jìn)口電機(jī)牽引)單獨(dú)牽引整列車時(shí)的有功功率、無功功率和功率因數(shù)曲線。可以看出國產(chǎn)電機(jī)的最大輸入有功功率小于進(jìn)口電機(jī)的最大輸入有功功率，國產(chǎn)電機(jī)的最大輸入無功功率與進(jìn)口電機(jī)相當(dāng)。國產(chǎn)電機(jī)的功率因數(shù)與進(jìn)口電機(jī)相近。

圖6　額定負(fù)載單車100%牽引時(shí)有功功率曲線

圖7　額定負(fù)載單車100%牽引時(shí)無功功率曲線

圖8　額定負(fù)載單車100%牽引時(shí)功率因數(shù)曲線

對各單車牽引時(shí)數(shù)據(jù)平均值的總結(jié)分析如表3所示，國產(chǎn)電機(jī)相對效率比進(jìn)口電機(jī)高4.53%。

表3　額定負(fù)載單車100%牽引時(shí)效率相對值對比表

3.3爬道起動(dòng)能力測試

以4臺進(jìn)口電機(jī)牽引情況作為參考，比較兩臺國產(chǎn)電機(jī)與2臺進(jìn)口電機(jī)共同牽引時(shí)的坡道起動(dòng)能力。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。可見國產(chǎn)電機(jī)與進(jìn)口電機(jī)的爬坡性能相當(dāng)，所出推力一致，僅功率因數(shù)略低，但其單位有功所出的力比較大。

表4　坡道起動(dòng)能力對比測試試驗(yàn)結(jié)果

3.4溫升比較

試驗(yàn)條件為三節(jié)車(2臺國產(chǎn)化電機(jī)和4臺進(jìn)口電機(jī))牽引的列車按照正常運(yùn)行圖全線運(yùn)行，國產(chǎn)電機(jī)和進(jìn)口電機(jī)運(yùn)行過程中的溫度和速度曲線如圖9所示。國產(chǎn)電機(jī)和進(jìn)口電機(jī)的初始溫度一致。試驗(yàn)過程中，進(jìn)口電機(jī)的溫升值一直高于國產(chǎn)電機(jī)，進(jìn)口電機(jī)最大溫升為52.5K，而國產(chǎn)電機(jī)最大溫升為40.0K，兩者相差12.5K。

圖9　國產(chǎn)電機(jī)與進(jìn)口電機(jī)溫度曲線對比

3.5整車牽引制動(dòng)及運(yùn)行穩(wěn)定性測試

試驗(yàn)工況為整車(4節(jié)車，8臺電機(jī))額定負(fù)載下在正線平直道上100%牽引加速到100km/h，惰行3s后100%電制動(dòng)停車。圖10為整車速度和加速度曲線圖，可知加速度比較平穩(wěn)，牽引性能良好。從圖11電機(jī)電流曲線可以看

圖10　額定負(fù)載整車100%牽引速度加速度曲線

圖11　額定負(fù)載整車100%牽引電流曲線

出國產(chǎn)電機(jī)和進(jìn)口電機(jī)的電流一致，低速時(shí)電流在580～600A范圍內(nèi)波動(dòng)，在最大功率點(diǎn)以上電流急劇下降，從580A逐漸下降到約350A。

從表5中可以看出兩者的無功及有功一致。發(fā)現(xiàn)最大功率點(diǎn)在40～53km/h之間，此段區(qū)域內(nèi)加速度下降幅度比較大。整車牽引時(shí)國產(chǎn)電機(jī)和進(jìn)口電機(jī)的功率因數(shù)相同，二者在0.6～0.5之間變化。

表5　額定負(fù)載整車100%牽引功率對比表

4十萬公里載客運(yùn)營考核試驗(yàn)

為了考核國產(chǎn)電機(jī)對實(shí)際環(huán)境的適應(yīng)性，在北京地鐵機(jī)場線進(jìn)行了超過6個(gè)月的十萬公里載客運(yùn)營考核試驗(yàn)，試驗(yàn)列車按正常運(yùn)營調(diào)度安排。

列車上的CANOPEN數(shù)據(jù)記錄儀實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛狀態(tài)并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 圖12截取了A1車2臺國產(chǎn)電機(jī)及B1車2臺進(jìn)口電機(jī)運(yùn)營期間1h的速度與電流曲線圖。圖13截取了A1車2臺國產(chǎn)電機(jī)及B1車2臺進(jìn)口電機(jī)1h的速度與溫度曲線圖。

結(jié)果顯示整個(gè)試驗(yàn)期間2臺國產(chǎn)電機(jī)的溫度均在80℃以下，國產(chǎn)電機(jī)的升溫趨勢和進(jìn)口電機(jī)一致，國產(chǎn)電機(jī)與進(jìn)口電機(jī)均沒有發(fā)現(xiàn)溫度異常升高的現(xiàn)象。國產(chǎn)電機(jī)與進(jìn)口電機(jī)電流波動(dòng)趨勢基本一致，最大電流均未超過600A，小于電機(jī)設(shè)計(jì)的額定電流，沒有出現(xiàn)異常過電流情況。

5結(jié)語

根據(jù)軌道交通系統(tǒng)的牽引特性，在國外已有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上從節(jié)能和提高牽引性能入手，利用現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，提出了一種基于有限元法的電磁設(shè)計(jì)程序，并從沖片、繞組、通風(fēng)和浸漆等方面對電機(jī)工藝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。國產(chǎn)電機(jī)已在機(jī)場線試驗(yàn)和運(yùn)行超過6個(gè)月，累積調(diào)試?yán)锍碳s1200km，載客運(yùn)營里程120550km。車輛運(yùn)行安全穩(wěn)定，國產(chǎn)電機(jī)運(yùn)行正常，牽引性能及電氣性能與進(jìn)口電機(jī)相當(dāng)，國產(chǎn)電機(jī)在溫升和功效性能方面有所提升。國產(chǎn)直線牽引電機(jī)能夠適應(yīng)機(jī)場線實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，可以代替進(jìn)口產(chǎn)品在北京地鐵機(jī)場線車輛上使用。

圖12　國產(chǎn)電機(jī)及進(jìn)口電機(jī)的速度與電流曲線圖

圖13　國產(chǎn)電機(jī)及進(jìn)口電機(jī)的速度與溫度曲線圖

【參 考 文 獻(xiàn)】

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Localization Research on LIM for the Airport Line of Beijing Subway

CUITingrui，ZONGLiming，LIXi，MENGLei

( Beijing Subway Operation Technology Center， Beijing 102208， China)

Abstract：The motor was optimized independently from both electromagnetic properties and process structures. Static and dynamic experiments were conducted on the two trial domestic motors which were installed in a vehicle of airport line. The results revealed that technical parameters of both domestic and imported motor were basically the same， that traction performance and electrical properties were quite， and that the thermal property and efficacy of the domestic motor was superior to the imported one. On this basis， the two domestic motors were tested in a passenger operational assessment of one hundred thousand kilometers. So the adaptability of the domestic motor to actual operating environment in airport line had been verified. And the domestic product was proved an alternative to the imported one.

Key words：linear induction motor(LIM)； electromagnetic properties； process structures； Urban rail Transit

收稿日期：2015-07-23

中圖分類號：TM 359.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)01- 0035- 07

作者簡介：崔霆銳(1982—)，女，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)領(lǐng)域。宗立明(1981—)，男，高級工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化領(lǐng)域。

*基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃課題《軌道交通列車節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用示范》(2013BAG24B00)；北京市地鐵運(yùn)營有限公司科研項(xiàng)目《機(jī)場線QKZ5型車輛關(guān)鍵系統(tǒng)國產(chǎn)化應(yīng)用研究》(2014000501081001)

李熙(1981—)，男，博士后，高級工程師，研究方向?yàn)榻煌ㄐ畔⒐こ碳翱刂祁I(lǐng)域的研究。