直线牵引电机结构部件动态刚度优化

李汛保，何云风，李科成，刘雄建

（中车株洲电机有限公司，湖南 株洲 412000）

直线牵引电机主要装备在城轨、磁悬浮等轨道交通车辆，为车辆提供牵引动力，属于车辆核心部件。与传统旋转电机相比，直线电机的低噪声、轻量化、维护成本低等技术优势，使得直线电机成为电机研究的热点。

由于技术的前沿性，直线型牵引电机研制经验不足，动态线路工况未能完全掌握，部件结构设计不一定是最优方案。因此线路调试过程中，累计经验，在全面了解电机动态线路工况后，对电机继续进行结构优化是很有必要的。

以直线牵引电机结构部件支线架为例，在线路调试过程中，由列车故障引起的振动会造成支线架与端部绕组（绕组悬空部分）磕碰，多次磕碰后，端部绕组磕碰点处绝缘易被击穿，造成电机绝缘可靠性降低，情况严重的会造成电机报废。因此，文章对电机结构部件支线架动态刚度进行优化，提高电机整体可靠性。

1 直线牵引电机总体结构

直线牵引电机外形结构设计受限于车体转向架提供的安装空间，同时保证电机轻量化设计，其外形和结构如图1、图2所示，主要包括铁心、绕组、悬挂、支线架、引出电缆等部件。

直线牵引电机总体结构设计：铁心和绕组采用复合材料刷涂方式代替传统电机外机壳保护；绕组和引出电缆转接空间采用裸露支线架替代传统电机接线盒。该电机结构设计方案符合电机轻量化设计方向。

图1 直线牵引电机（装车）

从结构上可以看到，支线架替代了传统电机的接线盒功能，为绕组和引出电缆提供一个转接空间。

图2 剖视图

2 动态刚度理论计算

机械结构部件可以看作有限个小单元组成，其动力学方程可以用式（1）表示：

式中：M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；x为位移向量；Q为系统合力。

结构部件无阻尼、无外激励载荷的自由振动时，连续弹性体动力学方程式（1）即可化简为：

对简谐振动，有

其中u为与时间无关的振幅向量；?为初相位；p为圆频率；t是时间。

根据式（2）和式（3），可得特征方程：

求解方程得到的p就是结构部件的固有频率，u就是相应的振型。

3 有限元仿真计算和结果分析

3.1 模型建立及材料参数

电机在线路运行过程中遇到瞬时大冲击工况时，会引起支线架和端部绕组同时振动，如图3故障原理，当支线架和端部绕组振动相位差180°，并且频率接近时，支线架远端极易与端部绕组远端发生磕碰。

图 3 故障原理

根据支线架和端部绕组振动情况，对模型进行简化。支线架如图 4所示，端部绕组（单个）如图5所示。

图4 支线架

图5 端部绕组（单个）

支线架和端部绕组材料参数如表1所示。

表1 材料属性

3.2 边界条件

支线架螺栓固定处的通孔进行全约束，端部绕组在铁心端面处的截面进行全约束。

电机的三相引出电缆通过支线架的转接与外接电源相连，故三相引出电缆重量主要由支线架承受。同时根据车辆调试测量的冲击加速度量级，等效施加在支线架上。端部绕组并头重量也集中在线圈远端，以质量点施加。

3.3 静强度分析

对支线架静强度进行有限元分析，计算结果如表 2。支线架的安全系数S=3.4，端部绕组的安全系数S=3.7，设计安全余量较大。静强度校核符合设计要求。

表 2 静强度分析结果

3.4 动态刚度分析

经过有限元模态分析，得到支线架和端部绕组垂向振动振型对应的固有频率，对应表3所示。

表3 垂向振动固有频率

从表3结果可以看出支线架振型为垂向振动对应的固有频率与端部绕组振型为垂向振动对应的固有频率接近。

由于产品制造的差异性，支线架和端部绕组的附加质量（附着浸渍漆、引出电缆长度等因素）通常会变化，二者垂向方向振动的固有频率很有可能一致。当受外界较大瞬时激励时，且二者振动相位差180°时，支线架和端部绕组极易发生磕碰，造成电机绝缘击穿。

通过改变支线架和端部绕组结构形态，错开二者的垂向振动对应的固有频率范围，可以减小磕碰概率发生。

端部绕组结构由线圈方案决定，其决定了电机的电磁方案、散热效率等方面，在现有大批量生产的情况下，不宜改动。因此可以通过改变支线架结构，实现错开支线架和端部绕组垂向振动固有频率范围的目的。

4 支线架动态刚度优化

（1）优化方案。对支线架重新设计两个方案。优化方案1：将原方案支线架板加厚3mm。优化方案2：支线架由钣金成型改为焊接结构，同时在下方增加两个加强筋，如图6所示。

图6 支线架优化方案2

（2）优化方案静强度分析。对优化方案的强度进行有限元分析，得到支线架优化方案静强度结果如表4所示。

表4 优化方案静强度分析结果

由表4结果知，优化方案1应力下降较大，静强度安全余量提高，优化方案2应力水平与原始方案持平，同样符合设计要求。

优化方案对比原始方案静态刚度：优化方案1和优化方案2静刚度都强于原始方案。

（3）优化方案动态刚度分析。对优化方案进行动态刚度分析，得到优化方案支线架垂向振动振型对应的固有频率，如表5所示。

表5 垂向振动固有频率

由表5结果知，优化方案2的垂向振动振型对应的固有频率远高于优化方案1出垂向振动振型对应的固有频率。

优化方案2垂向振动振型对应的固有频率同样也远高于端部绕组垂向振动对应的固有频率，理论上支线架和端部绕组磕碰概率减小许多。

故优化方案2可作为支线架施工方案。

（4）装车验证。优化的产品如图7所示，从生产实物测试得到，优化方案静态刚度和动态刚度都有较大提升。

从装车后的线路调试过程来看，直线牵引电机支线架和端部绕组未再发生磕碰现象。

图7 优化产品

5 结语

文章基于有限元和动态刚度理论对电机支线架和端部绕组静强度、动态刚度进行分析，优化支线架动态刚度，避免支线架固有频率与电机端部绕组固有频率接近，减小支线架与端部绕组在复杂线路振动工况下发生磕碰的概率。

文章从工程应用的角度，结合机械、振动等专业理论知识，将复杂工程应用问题分解为简单仿真计算模型，从而解决实际工程问题。为工程从业者提供一种工程应用问题解决思路，具有一定参考价值。

［1］ 俞展猷.直线电机在城市轨道交通系统中的应用［J］.中国铁路，2003，（4）：46-48.

［2］ 邓江明，刘友梅，陈特放.短定子直线电机面向更高速度工程化应用的探讨［J］.电力机车与城轨车辆，2017，（4）：1-5.

［3］ 王利.现代直线电机关键控制技术及其应用研究［D］杭州：浙江大学，2012.

［4］ 聂启秀.地铁车辆直线电机颤振的仿真分析［D］.成都：西南交通大学，2017.

［5］ 刘习军，贾启芬.工程振动与测试技术［M］.天津：天津大学出版社，1999.