有轨电车永磁电机绝缘轴承的设计

王大强，万岳雄，魏志欣，章元军

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2．西安交通大学 经济与金融学院，西安 710061)

随着我国经济和社会的发展，以汽车为主导的交通模式所带来的能源危机、环境污染、土地紧缺、交通拥堵等问题日显严重。现代化的有轨电车具有便捷性、舒适性、美观性以及造价低等特点，在国内中小城市逐渐发展起来，并已成为公共交通运输中的骨干力量。永磁电动机是有轨电车的主要动力部件，其结构复杂，安全性要求高，对其绝缘轴承的性能要求非常高。下文主要对永磁电机绝缘轴承设计的关键技术进行分析和研究。

1 永磁电机轴承应用特点

有轨电车为了方便乘客上下车，大多数都采用低地板设计，并广泛采用独立轮对。采用低地板设计造成安装空间较小，永磁电动机需要设计为与车轮集成一体的结构，通过万向节直接驱动独立车轮[1]，永磁电机轴承的结构比一般电机轴承的结构复杂。由于电动机与车轮集成化设计，电机轴承维护及更换成本较高，对轴承的寿命要求也较高，L10寿命要求达到10年或120万公里(先到为准)，寿命周期内轴承免维护。另外，永磁电动机工作过程中会有轴电流存在，轴承要求有一定的绝缘能力，防止轴承使用过程中因电蚀而失效，绝缘电阻要求在DC 1 000 V下测量需大于500 MΩ。

2 永磁电机轴承设计

2.1 轴承结构设计

电车在运行过程中有一定的冲击和振动，永磁电动机-定位端配置深沟球轴承，非定位端配置NU型圆柱滚子轴承。受安装空间的限制，永磁电动机未设计轴承座，轴承外圈需设计安装凸缘实现与定子连接。定位端与非定位端轴承均采用单元化设计，配置钢制迷宫式非接触密封，填加润滑脂后实现自润滑和免维护，轴承为绝缘设计，结构如图1所示。

图1 轴承结构示意图

2.2 绝缘方案设计

轴承绝缘形式有内圈绝缘、外圈绝缘和滚动体绝缘3种形式。内、外圈绝缘工艺采用等离子喷涂陶瓷粉末，然后再对陶瓷层进行磨削加工和封孔处理。相对于滚动体绝缘，对轴承安装要求较高，安装过程要防止损伤绝缘层，也不适用于复杂的结构。而滚动体绝缘轴承与一般轴承的安装条件相同，规格较大的轴承采用陶瓷滚动体绝缘，但目前大尺寸的陶瓷滚动体价格高，故绝缘方案需要根据轴承结构及应用工况选择。

由于永磁电机轴承内径和外径表面形状不规则，不适合采用内、外圈喷涂绝缘层。因此，选用陶瓷滚动体混合轴承实现轴承绝缘的要求，滚动体材料为Si3N4，同时填加高介电强度润滑脂实现轴承绝缘。

2.3 润滑脂选择

永磁电机轴承采用滚动体绝缘，润滑脂的绝缘性能直接影响轴承绝缘性能，由于常规轴承用润滑脂介电强度较小，通常不大于20 kV,不能满足电机工作时对轴承绝缘性能的要求。为满足轴承绝缘性能要求，未选择常规轴承润滑脂，选择全氟聚醚润滑脂作为轴承的润滑剂，实现轴承绝缘性能要求和寿命周期内的润滑要求。全氟聚醚润滑脂由聚四氟乙烯(PTFE)稠化高化学稳定性的全氟聚醚油(PFPE)，并添加特种抗腐蚀添加剂精制而成，具有出色的热稳定性及氧化稳定性，寿命是常规润滑产品的5～10倍，并具有优异的绝缘性能，击穿电压达到48 kV。

2.4 保持架结构设计

在电机轴承设计中，保持架引导方式主要为滚动体和外圈引导2种方式，其中以滚动体引导最为常见。主要优点是在润滑脂润滑的条件下，采用滚动体引导保持架可以避免过润滑，提高轴承的运行寿命和可靠度[2]。该保持架结构选择铆接式实体青铜保持架，引导方式为滚动体引导，兜孔形状为圆弧形。青铜的抗拉强度比黄铜高50%以上，在有冲击和振动的工况条件时，疲劳寿命更长。

2.5 密封结构设计

由于永磁电机轴承要求寿命长，接触式橡胶密封虽然密封性能优异，但橡胶在使用过程中存在磨损和老化的风险，难以保证轴承在使用后期的密封效果。该轴承密封形式选择为非接触式的钢制组合密封，结构为迷宫式组合密封。非接触式钢制密封相比接触式橡胶密封有更好的温度适应性，同时在使用寿命方面更具优势，采用迷宫式设计时密封效果较好，可以满足永磁电机轴承长寿命的要求。

3 寿命

根据轴承应用条件及ICE 61373—2010《铁路应用 机车车辆设备 冲击和振动试验》中的振动条件，对轴承进行受力分析，然后根据GB/T 6391—2010《滚动轴承 额定动载荷和额定寿命》中规定的寿命计算方法，对轴承的设计寿命L10进行了计算。非定位端轴承的设计寿命为

定位端轴承的设计寿命为

式中：D为车轮直径，D=0.626 m。计算结果显示非定位端和定位端轴承的设计寿命均大于120×104km，满足设计要求。

4 检测与试验

4.1 绝缘性能检测

采用兆欧表对轴承的绝缘电阻进行检测，在DC 1 000 V条件下，绝缘电阻大于1 000 MΩ，绝缘性能满足设计要求。

4.2 装机试验

将轴承装入永磁电动机，对轴承的运转性能、漏脂和温升情况进行试验，电机试验参数见表1。

客户反馈试验过程中轴承运转良好，温升正常，漏脂率小于5%，满足装机试验的考核要求。

表1 电机试验参数

5 结束语

通过对有轨电车永磁电机绝缘轴承应用特点分析和研究，设计了单元化的混合陶瓷滚动体绝缘轴承。通过装机试验，满足应用需求。