一种轨道车混合动力包用高速永磁电机的制作方法

1.本发明涉及电机结构设计领域，具体涉及一种轨道车混合动力包用高速永磁电机。


背景技术：

2.国际上动力分散动车组在支线和城际客运中应用广泛，德国、英国和日本等国家均有数千列的保有量，随着环保法规的不断完善和加强，混合动力是未来轨道交通牵引动力的主流模式。国家将重点建设市域(郊)铁路，混合动力动车组是一种合理的解决方案。动力包是动车组动力驱动系统集成，目前主要依赖于进口，其存在产品价格居高不下，供货周期长，售后响应不及时等问题。
3.轨道交通装备用混合动力包系统集成柴油机、混动箱、电机、变速箱、冷却换热系统、电气系统等关键部件，能够实现纯电、纯内燃以及混合驱动模式、制动能量回收、液力制动等功能。适用于轨道交通装备的永磁电机结构要满足年运行40万公里以上高可靠性高速永磁电机。然而实际应用情况表明现阶段永磁电机由于其定子、转子结构、端盖支撑结构、定子绕组绝缘、轴承润滑结构所限，存在如下问题；
4.第一，现有永磁电机线圈端部绝缘主要采用电磁线自身绝缘漆和浸漆等方式进行绝缘。此种绝缘方式在空隙介电常数小、交变高压条件下，电机线圈将会产生不均匀电场引起界面局部放电，线间打火或击穿现象。使绝缘材料老化分解，引起绝缘破坏。
5.第二，现有永磁电机定子铁心定位方式为平键定位，由于平键定位需要在机座内表面加工键槽、机座内壁存在水道腔等因素，造成机座外壁过于厚重、散热性较差。
6.第三，现有永磁高速电机采用测速装置为旋转变压器，是一种测量角度用的小型交流电动机，用于测量旋转物体的转轴角位移和角速度，此种装置对初始角控制严格，所以对转轴定位键槽、旋变固定位置要求严格，由于加工误差、空间结构所限，同一批次电机安装的旋转变压器初始角不一致，且调节困难。
7.第四，现有永磁电机主要采用的轴承为单、双边密封轴承，轴承润滑方式为脂润滑方式，由于安装方式、操作空间的限制，许多电机不具有安装注油口条件，只有在出厂或维修期间一次性加注润滑脂，导致轴承润滑不良，使用寿命短。另外由于轨道车混合动力包用永磁电机的传动端与变速器直接相连，还造成其传动端盖结构密封性差、轴承润滑脂与齿轮油易混合、轴承载荷重、温度高、冲击振动大等问题。使电机维修保养时间间隔短，难以坚持到轴承设计寿命，严浪费轴承资源、限制电机使用寿命。所以传动端的轴承润滑对电机有着重要的意义，良好的润滑方式能起到降低轴承摩擦阻力、温度、接触应力、冲击振动、耐腐蚀性作用。
8.综上所述现有永磁电机存在结构复杂、体积大、线圈易击穿、老化、轴承易损坏、电机适用范围有限、运行可靠性差、体积大、温升高、使用寿命低等问题。


技术实现要素：

9.为了提高电机使用寿命、使其运行可靠、减小体积、旋变调节变得简单，现根据混合动力驱动机理，提供一种新轨道交通装备用高速永磁电机，其可靠性高，降低电机冷却与改善电机温升，满足使用环境要求。
10.为实现上述目的，本技术的技术方案为：一种轨道车混合动力包用高速永磁电机，包括位于传动端端盖与非传动端端盖之间的定子，所述机座内壁连接有定子结构，该定子结构内部设有与其配合的转子结构，所述定子结构包括定子铁心、定子绕组、定子压圈、定子弧键，所述定子铁心一端端面加工有外矩形齿，另一端与机座的铁心挡内圆卡接，所述外矩形齿嵌于定子压圈的内矩形齿中，位于机座周向键槽内的多个定子弧键通过顶丝固定在定子压圈上，所述定子铁心上嵌入有定子绕组，所述定子绕组两端分别用绝缘环氧树脂灌封。
11.进一步的，所述定子绕组两端分别用绝缘环氧树脂灌封，具体为：
12.1)、将环氧树脂绝缘材料、固化剂按照比例分别注入两个储料罐中；
13.2)、采用薄膜循环脱泡方式，真空完全去除环氧树脂绝缘材料内的空气，有效预热双组份环氧树脂绝缘材料并保温；
14.3)、将环氧树脂真空浇注设备上的混料罐加热并保温，然后将两个储料罐中的原材料放入到所述混料罐；
15.4)、开启混料罐的自动搅拌功能，搅拌30分钟，使环氧树脂绝缘材料和固化剂均匀混合在一起；
16.5)、在搅拌过程中，将定子结构放到环氧树脂真空浇注设备上的真空压力罐中，将真空压力罐罐体加热保温，并将真空压力罐中真空抽到规定压力；
17.6)、开动阀门将混料罐中搅拌均匀的原材料通过管道均匀浇注到定子结构上，浇注的同时透过小窗观察；
18.7)、浇注完成后，关闭阀门，并将真空压力罐保温取消，使其中的定子结构自然冷却，待冷却至30℃～40℃时，将真空压力罐门打开，浇注过程完成。
19.进一步的，所述转子结构包括转轴、转子冲片、前转子端板、后转子端板、止推垫圈、圆螺母、磁钢，所述磁钢安装于转子冲片槽内，所述转子冲片叠压装在转轴上并且将前转子端板、后转子端板放置于两端，所述转轴后端套接有圆螺母用于压紧，在所述圆螺母与后转子端板之间设有止推垫圈。
20.进一步的，所述转轴后端与旋转变压器内圈相连，所述旋转变压器外圈通过压板安装于非传动端端盖上，在旋转变压器外部设有旋变保护盖，该旋变保护盖固定于非传动端端盖的固定槽内，旋转变压器的引出线穿过非传动端端盖连接至位于机座外的控制连接器上；
21.所述旋转变压器外圈周边设有半圆形键槽，非传动端端盖上设有半腰形键槽，所述半圆形键槽与半腰形键槽相对设置，所述半圆形键槽与圆键底部连接，所述圆键顶部与连杆的条形槽滑动连接，通过旋转连杆来带动旋转变压器轴向旋转。
22.进一步的，所述压板通过压板螺栓固定在非传动端端盖上，连杆通过连杆螺栓固定在非传动端端盖上，调节旋转变压器时，需要松开连杆螺栓、压板螺栓，旋转连杆进而带动旋转变压器外圈旋转。
23.进一步的，所述转轴前端通过前轴承与传动端端盖相连，该传动端端盖与前轴承外圈用传动端轴承内盖卡接，所述传动端轴承内盖与前转子端板组成迷宫密封，所述传动端轴承内盖设有内部油封，内部油封油唇与转轴圆柱面接触密封；该转轴与前轴承内圈用挡油环、耐磨套卡接，所述传动端端盖外部设有油封槽，该油封槽与外部油封卡接，外部油封油唇与耐磨套接触密封，该传动端端盖的进油口处设有磁性滤油器，传动端端盖的油室底部安装有观察镜，该观察镜由有机玻璃盖板、金属盖板、o型密封圈组成，该金属盖板上开有观察窗口；所述传动端端盖与变速器相连，组成闭式齿轮传动装置。
24.更进一步的，所述前轴承润滑方式为油润滑，变速器内部加注有齿轮油，齿轮油液位高于传动端端盖的进油口，故齿轮油通过滤油器到达轴承室，当齿轮油在轴承室中达到一定高度后，前轴承浸入到齿轮油内，轴承旋转时得到完全润滑；在转轴上加工有飞轮叶片，转轴与挡油环组成飞轮，电机运行时，飞轮快速旋转，齿轮油在离心力的作用下，被运输到内盖储油槽位置，储油槽与传动端端盖的出油口位置相同，齿轮油经过出油口位置，再次排放到变速器内部。
25.更进一步的，所述传动端轴承内盖与前转子端板组成一道密封迷宫，当齿轮油发生渗漏时，渗漏齿轮油到达密封迷宫，然后经过排油通道到达油室内，所述油室设有排油口，当工作人员通过观察镜观察油室发现有齿轮油时，及时打开机座下方的透气阀，判断电机内部是否也有进油的情况，如果有此情况发生及时停机维修。
26.更进一步的，所述转轴后端通过单面密封轴承与非传动端端盖相连，该单面密封轴承与旋转变压器相邻的一侧带有密封，另一侧设有带有迷宫密封的轴承挡油环，该轴承挡油环与非传动端端盖卡接，并且所述非传动端端盖设有注油通道与注油杯，所述旋转变压器与单面密封轴承在非传动端端盖同一腔体内。
27.作为进一步的，所述机座上设有水道腔，该水道腔上部设有入水口，下部设有出水口，所述水道腔为蛇形结构
28.作为进一步的，所述定子铁心包括定子冲片，所述定子冲片叠压后与两端的前定子端板、后定子端板焊接；所述定子绕组与动力线相连，该动力线通过防水接头穿出机座。
29.本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：本技术高速永磁电机可应用于轨道机车动力包，与以往高速永磁电机相比有着体积更小、维护方便、可靠性更好、结构简单、绝缘等级更高、使用寿命长、高互换性等优势。该高速永磁电机年运行至少40万公里以上高的可靠性，可以提高轨道车混合动力包的紧凑性，可应用于更多级别轨道车混合动力包型号，提高运输效率、降低成本。这有利于推动我国轨道交通运输的发展，以满足轨道交通用户的需求，有益于加快轨道运输车的发展，对推动轨道交通运输效率具有积极意义。
30.定子铁心采用整体压装焊接，定子压圈设有内矩形齿，定子铁心设有外矩形齿，机座内圆设有部分周向键槽用于定子弧键限位。取消现有机座定子铁心平键槽，达到节省机座空间，减少机座壁厚、增加水道截面积及水道流量，减少定子温升，增加机座强度的目的。
31.定子绕组端部采用vpi真空压力浸漆 环氧树脂真空灌封双重绝缘工艺，将灌封材料完全浸透匝间绝缘，使线圈匝间不留空隙，利用环氧树脂优良的耐电晕性能、导热性能、防水性能和高机械强度，最终达到定子绕组耐电晕性能、防水性能及绝缘性能优良、导热性能优良、定子绕组温升低，机械强度高，防潮、防污、耐腐蚀的目的。
32.旋转变压器采用圆键定位，用连杆将旋转变压器、圆键、非传动端端盖连接起来，连杆能起到调节、轴向定位、径向定位旋转器的作用，最终能达到选用更小体积旋转变压器，定位结构简单、旋转变压器初始调节操作方便、占用端盖空间小的目的。
33.传动端的前轴承采取油润滑的方式，借用变速器齿轮油润滑前轴承。传动端端盖设有观察镜随时监察前轴承内部密封情况。转轴与内挡环组成飞轮，为轴承润滑油提供动力，保证变速器齿轮油能循环润滑轴承。
附图说明
34.图1为一种轨道车混合动力包用高速永磁电机剖视图；
35.图2为没有旋变保护盖时的a向示意图与b向示意图；
36.图3为定子结构纵向剖视图与横向剖视图；
37.图4为有定子绕组的定子铁心结构示意图；
38.图5为定子压圈结构示意图；
39.图6为连杆剖视图及侧视图；
40.图7为传动端轴承润滑结构图；
41.图8为传动端局部结构爆炸图；
42.图9磁性滤油器简图。
43.图中序号说明：1机座、2定子铁心、3定子绕组、4绝缘环氧树脂、5定子弧键、6顶丝、7定子压圈、8出水口、9转子键、10转轴、11止推垫圈、12后转子端板、13动力线、14非传动端端盖、15 旋转变压器外圈、16旋转变压器内圈、17旋变保护盖、18传动端端盖、19传动端轴承内盖、20前轴承、21外部油封、22耐磨套、23 前转子端板、24磁钢、25防水接头、26连杆、27圆键、28转子冲片、29入水口、30压板、31压板螺栓、32轴用挡圈、33观察镜、 34内部油封、35挡油环、36磁性滤油器、37接地螺栓、38控制连接器、39圆螺母、40透气阀、41前定子端板、42槽楔、43水道腔、 44后定子端板、45机座周向键槽、46外矩形齿、47内矩形齿、48 轴承挡油环、49注油杯、50泄油螺塞、51油杯保护帽。
具体实施方式
44.本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
45.实施例1
46.本实施例提供一种轨道车混合动力包用高速永磁电机，如图1
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2 所示。与一般永磁电机不同，该高速永磁电机线圈端部采用灌封技术、定子铁心定位方式为端部齿形配合定位、旋转变压器安装结构为可调整式、传动端轴承润滑方式为循环齿轮油润滑。
47.定子结构如图3所示，与一般的定子铁心定位不同，该永磁电机采用铁心端部矩形齿配合定位，定子铁心外圆、机座铁心挡内圆不设有平键槽，机座一端设有定子铁心定位挡台,另外一端设有一定数量的周向键槽，其周向键槽数量、定子压圈齿数、定子铁心齿数数量根据电机转矩设计。前、后定子端板与定子冲片叠压装后焊接在一起形成定子铁心，在定子铁心端面加工外矩形齿，然后将定子绕组嵌放于定子铁心槽内用槽楔固定，形成有绕组的定子铁心，如图4所示。将有绕组的定子铁心投放到机座铁心挡，有绕组的定子铁心外圆
与机座铁心挡内圆为小过盈量配合且两者可拆卸。定子铁心的外矩形齿与定子压圈的内矩形齿配合，如图5所示。将定子弧键放入到机座周向键槽内，用顶丝把定子弧键与定子压圈连接在一起，通过加载顶丝力矩，可为定子铁心轴向预紧。
48.定子嵌线完成时需要进行线圈灌封如图3所示，与一般的电机定子绕组浸漆工艺不同，该永磁电机采用的是线圈灌封工艺。整个灌封浸渗过程在全真空环境下实现。包括如下子步骤：
49.1、将环氧树脂绝缘材料、固化剂按照比例分别注入所述两个储料罐中。
50.2、采用薄膜循环脱泡方式，真空完全去除环氧树脂绝缘材料内的空气，有效预热双组份的环氧树脂绝缘材料并保温。
51.3、将环氧树脂真空浇注设备上的混料罐加热并保温，然后将两个储料罐中的原材料放入到所述混料罐中。
52.4、开启混料罐的自动搅拌功能，搅拌30分钟，使环氧树脂绝缘材料和固化剂两种原材料均匀混合在一起。
53.5、在搅拌过程中，将定子结构放到环氧树脂真空浇注设备上的真空压力罐中，将真空压力罐罐体加热保温，并将真空压力罐中真空抽到规定压力；
54.6、开动阀门将混料罐中搅拌均匀的原材料通过管道均匀浇注到电机定子上，浇注的同时透过小窗观察；
55.7、浇注完成后，关闭阀门，并将真空压力罐保温取消，使其中的定子结构自然冷却，待冷却至30℃～40℃时，将真空压力罐门打开，浇注过程完成。
56.安装有接地螺栓的非传动端端盖结构如图2中a向视图所示，该端盖上设有旋转变压器安装位、连杆固定孔、半腰形键槽。旋转变压器外圈放置在其端盖上的安装位，可进行周向旋转，旋转变压器的半圆形键槽与非传动端端盖的半腰形键槽相对设置，圆键放置在旋转变压器半圆形键槽内，如图6所示的连杆一端固定在端盖连杆固定孔上；另一端的条形孔与圆键滑动相连，通过旋转连杆来带动旋转变压器轴向旋转，连杆上加工沉头孔，沉头连杆螺栓把连杆固定在端盖上面，通过拧紧螺栓把合连杆，连杆夹紧旋转变压器进行固定，如需要调节旋转变压器，先松开连杆螺栓、压板螺栓，转动连杆即可带动旋转变压器外圈旋转。旋转变压器的引出线穿过非传动端端盖连接至位于机座外的控制连接器上。
57.高速永磁电机轴承润滑结构与一般永磁电机轴承润滑结构不同，该电机一端为脂润滑，一端为油润滑。脂润滑的一端使用是单面密封轴承，该端轴承载荷小、振动冲击小，维护保养操作方便。在定期维修保养时，只要卸掉非传动端盖上面泄油螺塞、油杯保护帽，用注油枪加注一定量的指定润滑脂，即可保证轴承使用性能，该端轴承维护保养操作方便、简单。油润滑的一端依靠变速器的齿轮油润滑，传动端端盖与变速器组成闭式齿轮传动装置，即利用变速器齿轮油润滑传动端轴承，齿轮油通过进油口的磁性滤油器(图9)进入到轴承室、齿轮油经过前轴承、飞轮、出油口再次进入到变速器内部。完全依靠变速器齿轮油进行润滑，需保证减速器内部的齿轮油油质洁净，与变速器一起进行维护保养，具体实现方式为：变速器内部加注有齿轮油，齿轮油液位高于传动端端盖的进油口，齿轮油通过磁性滤油器，该滤油器防止变速器内部杂质颗粒进入到轴承内部，而且带有磁性，具有吸附铁屑功能，防着金属损坏轴承。齿轮油在轴承室达到一定高度后，前轴承浸入到齿轮油内，前轴承旋转时得到完全润滑，电机转轴上加工有飞轮叶片，转轴与挡油环组成飞轮，电机运行时，
飞轮快速旋转，齿轮油在离心力的作用下，被运输到内盖储油槽位置，所述储油槽与传动端端盖的出油口位置相同，齿轮油经过出油口位置，再次排放到变速器内部。传动端端盖、传动端轴承内盖、油封、密封圈，保证轴承室的密封性，防止轴承室内部的齿轮油到达电机内部。
58.前转子端板与传动端轴承内盖组成一道密封迷宫，防止齿轮油渗漏到电机内部，也防止电机杂质损坏油封。当齿轮油有渗漏情况发生时，渗漏齿轮油到达密封迷宫内，密封迷宫防止齿轮油进入到电机内部，渗漏的齿轮油经过排油通道到达端盖下部的油室内，油室设有观察镜，工作人员要定期维护检查。油室底部设有排油口，当工作人员通过观察镜发现油室有齿轮油时，及时打开机座下方的透气阀，判断电机内部是否也有进油的情况，如果有此情况发生及时停机维修。传动端端盖上多处设有o型密封圈，保证变速器与电机组成的闭式齿轮传动装置的密封性，保证齿轮油不会渗入到变速器的外部。所以只要保证变速内部齿轮油的油位以及齿轮油洁净，电机传动端轴承就会受到源源不断的齿轮油润滑，另外旋转的飞轮会源源不断排放着轴承室内部齿轮油，轴承室内部齿轮油被飞轮抽走后，就会有新的齿轮油从变速器内部进入到轴承室，这种循环油路会带走大部分轴承热量，保证电机轴承在高负载运行的情况下温度也不会过高，完全发挥轴承的性能，保证电机的完美运行。
59.传动端前轴承安装爆炸结构，如图8所示，前轴承润滑油路流速可根据电机转轴叶轮槽数量、油路通道直径，来确保前轴承得到充分的润滑。
60.转子结构主要包括转轴、前转子端板、转子冲片、磁钢、后转子端板、止推垫圈、圆螺母、转子键。前、后转子端板放置于转子冲片两端，磁钢位于转子冲片磁钢槽内，叠压装后用圆螺母、止推垫圈锁紧。传动端轴承内盖、前转子端板设有迷宫槽，共同组成迷宫密封，防止齿轮油进入到电机内部、及电机内部杂质损坏油封。转子冲片经过电磁计算、结构计算具有良好的导磁性能、机械性能。转子装配完成后需进行做g1级动平衡，保证转子在最高转速12000rpm转速下运行。此转子结构简单、可靠性高。
61.传动端、非传动端端盖以及机座全部采用6063
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t5铝合金材质，具有良好的导热性，结构强度，端盖轴承挡处镶有缸筒，保证轴承室具有较高耐磨性、耐腐蚀性。机座的水道腔为蛇形水道，水路阻力低、水道截面大。使机座具有高机械强度、高效的散热性能。
62.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。