高速动车组转向架技术（二）【中车长客周殿买高工主题报告】【轴承、永磁直驱、制动】
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最新编辑时间：2022年11月3日 06:30
如果要跑到600km/h：
首先是减重。周老先生希望继续做轴箱内置式转向架，构架采用碳纤维或钛合金，这样可以大幅减重，碳纤维也可以用于取代一系弹簧的模式。
对于周老先生的介绍，笔者的理解就是目前先发展碳纤维弹簧，到远期，取消一系弹簧。川崎的efWING外支撑转向架的构架外观跟下图所示的接近，但是一系弹簧由碳纤维制成。efWING已经应用于JR四国的eco 7200系电动车组和熊本电铁列车；唐山的“弓系”内支撑转向架的一系弹簧也用碳纤维，只是与其搭配的新型快轨列车尚未在大兴机场至雄安R1线进行商业运营。面对市场的竞争，长客也在与时俱进，CW500的一系复合材料弹簧就是一个例子。
下图是一种内支撑转向架的结构图，其来源是：https://www.mobility.siemens.com/global/en/portfolio/rail/rolling-stock/components-and-systems/bogie-technology.html
其次，周老先生的设想是：转向架想跑到600km/h，需要三个“动”，分别是转动、驱动和制动。
首先是转动，转动是轮对的转动，转动的核心是轴承。
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动车组的轴箱、牵引电机和齿轮箱都需要轴承。
对于比较重要的轴箱轴承，笔者在这里尝试抛砖引玉：
法国人冲击574.8km/h的世界纪录时，V150动车组的轴箱轴承都是双列圆锥轴承，型号是FC-12790 S06。该轴承的外形尺寸为d（轴承内径）x D（轴承外径） x B（轴承内圈宽度） = 150mmx250mmx180mm，重量大约为40kg。在列车冲高时，FC-12790 S06的转速达到了3000rpm，但轴承温度只升高了大约10℃，所以性能非常好。
3000rpm是什么概念呢？CRH3C型动车组以300km/h运行时，轴承的转速约为1730rpm。（参考文献：高速铁路轴承概述，杨晓蔚，《轴承》2011年第10期）
上述例子也反映，对于250km/h以上的速度等级，圆锥轴承相比圆柱轴承确实有优势。圆锥轴承具有低摩擦力矩和低摩擦温度，而且圆锥轴承在列车高速运行期间能同时承担轴向和径向的载荷。由于圆锥轴承的滚子和车轴间成一个小角度，因此轴承受到的轴向力是滚动体和滚道之间的压力的轴向分力。而圆柱轴承受到的轴向力完全由滚子端面引起，由滚子和轴承之间的滑动摩擦力来平衡，这会产生较大的滑动摩擦力，影响轴承的使用寿命。所以面对同样的垂向载荷，圆锥滚子轴承的轴向承载能力强于圆柱轴承。 高速列车普遍用圆锥轴承，简单来说就是分担载荷，只要滚动，减少滑动。
使用圆锥轴承的高速动车组有：
500系、700系、N700系(含N700系、N700系3000番台、N700系7000番台)、CRH2A、CRH2C、CRH3C（用FAG02轴承）、CRH380A、CRH380B（部分车底也用圆柱轴承）、CR400AF、CR400BF、V150、AGV等。
使用圆柱轴承的高速动车组有：
300系、ICE 3、E2系1000番台、Zefiro 380、Zefiro 360等。
从庞巴迪的角度来说，高速铁路曲线半径大，轴箱轴承主要是承担径向的载荷，横向的载荷很小。圆柱轴承承担径向载荷的能力强，同样是低摩擦滚动、低摩擦温度和长油脂使用周期，用在高速动车组也没有问题。
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周老先生认为，如果圆锥轴承太难（做）了，可以尝试用球轴承。（球轴承的轴向承载能力低于圆锥轴承，高于圆柱轴承。）球轴承还可以做成三列球轴承来提高承载能力。在内支撑转向架里，如果轴承不易卸下来检修，可以把它放进车轮里，这就成了独立轮对。独立轮对若要再转成传统的整体轮对，车轴可以做成两根轴，一根是静止承载轴，和轴承作用；另一根轴是旋转轴，和车轮作用。双空心轴配以球轴承，不但可以应对轴承难以检修的麻烦，还能应对轴承转速过快的问题。
第二是驱动。周老先生提出：我们可以尝试永磁直驱技术或直线电机技术。笔者认为永磁直驱技术（Permanent Magnet Gearless Traction Drive/ Direct Drive）是目前转向架要推进的一项关键技术。
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笔者在这里对于永磁直驱技术作以下论述，如您发现不准确之处，敬请斧正：
永磁同步电机的定子绕组和异步电机相同，转子目前常以钕铁硼为永磁体，永磁体会产生固定的磁场，且转子旋转的时候非常安静。转子的铜绕组不产生损耗，定子的铜绕组和铁质部件在工作时有少量涡流损耗，总的损耗不多。相较于更早的钐钴永磁体，钕铁硼磁体的好处是高磁能积，成本更低。永磁同步电机无励磁损耗，不仅是效率处在95%-97%的高水平，而且其损耗（losses）只有相同额定功率的感应电机（IM）的一半，其额定输出功率也能达到相同质量的感应电机的大约两倍。由于效率高，损耗低，输出转矩大，永磁电机可以只装配小型冷却风扇，甚至省略冷却风扇。这样一来，永磁电机的体积可以做得很小，使其重量减少的同时大幅降噪，减小风阻。为了避免磁性粉尘和铁屑进入机器，永磁电机一般是全密封的，不需要人工清洁风道，避免粉尘堵塞冷却风道造成机器快速温升，这样又可以减少维护成本。永磁同步电机既适合用于高速动车组，也适用于低地板轻轨列车（LRV）和可变轨距列车，并扩展用于汽车、家电和其它工业设备。
传统的异步电机间接驱动，是通过减速齿轮、联轴节/三爪万向轴等部件，将电机转矩传递到轮对，形成驱动列车运动的力。这种传动技术已经很成熟，但是结构比较复杂，效率低、成本高、噪音大，故障多。永磁直驱则是：取消齿轮箱和联轴节/三爪万向轴，永磁电机的转矩直接传递到轮对上。如果永磁电机采用抱轴式悬挂，轴盘制动装置就很难安装在车轴上，所以永磁直驱转向架一般采用轮盘制动、踏面制动、电阻制动和再生制动。而永磁直驱转向架的一系定位，目前主要是转臂式定位和橡胶堆式定位。二系悬挂仍然有空气弹簧，但是能不能取消抗侧滚扭杆和抗蛇行减振器，这就需要进行验证。
相较于异步电机间接驱动，永磁直驱的好处在于：发挥了永磁同步电机能在低转速下实现大转矩牵引、低损耗、重量低和体积小的优势，取消齿轮箱后的驱动装置的效率更高，减小了驱动装置的重量和体积，消除了齿轮箱工作发出的声音，消除了维护齿轮箱和联轴节/三爪万向轴的工作，消除了齿轮箱油泄露或废弃造成的环境污染，而且永磁直驱使整车的重量下降了，列车运行的磨耗和成本也都降低了。
对于市域电动车组，永磁间接驱动的能耗比异步电机间接驱动的能耗低11%，对于永磁直驱，这一百分比会变成15%（参考文献：永磁同步电机的发展趋势 松冈光一（Koichi Matuoka）2006.11）。
21世纪以来，对于永磁直驱技术，中车株洲所、中车青岛四方、中车时代电气、中车南京浦镇、中车唐山和中车大同等也做了大量的工作，比如中车大同在2018年成功将一台HXD2D型电力机车进行了永磁直驱技术改造。这台机车采用挠性叠片联轴器和独立轴控变流器进行直驱。
现在国内外已经商用的永磁直驱技术产品有（括号内为负责牵引系统的公司）：JR东日本103系动车组（东芝）、Syntegra转向架（西门子）、15T型有轨电车（斯柯达）、青岛城阳有轨电车、佛山南海有轨电车和佛山高明有轨电车（四方车辆）、徐州地铁1号线列车（0103号车）（时代电气）、苏州地铁3号线列车（0312号车）（江苏经纬）等。顺便说一句：斯柯达和西门子、阿尔斯通一样，也是工业领域的欧洲巨头，除了经营汽车（后来被大众公司收购）、也经营电气、轨道交通设备、自行车，机床等。
但是用在机车、城际列车和高速列车的永磁直驱技术还处在试验阶段。尤其在高速列车方面，截至本专栏投稿日期，只有德国根据ICE3（BR403）的转向架和牵引电机的技术规格，进行过永磁同步直驱电机的试验，相关的成果由达姆施塔特理工大学的两名研究人员发表。第一作者的姓名是Andreas Binder，他供职于该大学的电能转换研究所（链接：https://www.doc88.com/p-6187672440014.html）。第二作者是T.Koch，他的姓名不好查。笔者查阅了ACM数字图书馆，发现达姆施塔特理工大学里姓名符合T.Koch的作者只有Thomas Koch。如果您能确认第二作者的姓名，可以在评论区告知笔者。
ICE 3安装有16台额定功率为500kW的鼠笼式异步电机（squirrel cage asychronous motors，和鼠笼式电机相对的是结构复杂、造价更高，已经在交流传动技术发展过程中被淘汰的绕线式电机），冷却方式为风冷，由齿轮箱和联轴节传递转矩，每4台异步电机由一个GTO（可关断晶闸管）逆变器控制。在这种牵引方式下，牵引电机制造成本低，弱磁性能好。1997年到1998年，作者设计了两种符合ICE3的技术规格的永磁同步电机，分为A电机和B电机。A电机为永磁体表面式（surface mounted）转子电机，长定子槽；B电机为永磁体内置式（buried）转子电机，短定子槽。两种同步电机的冷却方式都是水冷，而且都采用更先进的IGBT（绝缘栅双极晶体管）逆变器进行控制。
两种参与试验的永磁同步电机都采用挠性联轴器直驱，一台同步电机由一个IGBT逆变器进行控制。两种同步电机的额定功率都是500kW，额定转速都是617rpm，最大转速都是2110rpm，额定转矩都是7700N·m，最大转矩都是8600N·m，外径最大值都是590mm，轴向最大长度都是900mm，极对数取12（2p = 24）。作者采用有限元法进行仿真研究，认定A电机有效质量（active weight）为466千克，更轻，正弦供电下的总损耗更小，于是选择生产A电机的样机来进行线路试验。
在线路试验中，异步电机还是用齿轮箱和联轴节进行间接驱动，A电机通过柔性联轴器抱在车轴上进行直接驱动。试验线是当时尚未开通的法兰克福—科隆高速城际铁路——德国第一条速度等级是300km/h的铁路，而且是客运专线。当然，这条线路当时只有靠近法兰克福的部分区段竣工，只能是德国铁路公司提供线路数据来帮助模拟ICE3在这条新线的牵引和制动。A电机通过IGBT逆变器来控制，电机在达到额定功率之后，在额定转速下，逆变器采取PWM控制（了解相关理论可阅读https://www.bilibili.com/read/cv19092225?spm_id_from=333.999.0.0），在最大转速下，逆变器采取六步(six-step)控制。在总运行时间内，异步电机模拟的能耗是19.5kW·h/km，A电机模拟的能耗是16.4kW·h/km，按列车运行一年的能耗来看，A电机的节能效果是很优异的。
另外，德国铁路公司还以技术研究为目的，在1997~1998年委托过相关的公司研发符合ICE3（BR403）的永磁牵引电机。它们分别是Starnbeng磁性电机公司研发的有源转子式永磁同步牵引电机，和布伦瑞克科技大学（也就是布伦瑞克工业大学，旧文献译作“科技大学”）研发的永磁横向磁通无源转子式电机。两种电机的额定功率都是500kW，最大转速都是2300rpm，效率都达到94.5%，都可以安装在ICE3的动力转向架上。台架试验验证了两种永磁电机的额定功率和效率（参考文献：永久磁铁励磁的牵引电动机，T.Klockow）。
笔者至今没有见过ICE3型动车组实装抱轴式永磁牵引电机。总之，德方当时的结论是永磁牵引电机和永磁直驱技术值得继续研究。
笔者认为文献《Permanent Magnet Gearless Traction Drive for German High Speed Train ICE 3》和《永久磁铁励磁的牵引电动机》描述的永磁牵引电机不同，因为两篇文章描述的永磁电机的重量不同。
将永磁直驱和轴箱内置结合起来的转向架，目前除了Syntegra被运用在慕尼黑的地铁列车，还有中车唐山的新型快轨列车所用的“弓系”转向架（正在石家庄地铁1号线列车装车运用）。
笔者今年在国内有关永磁直驱技术的推送底下见过这样的评论：
认为永磁直驱不应该往前发展，就像笔者曾以为德国发展速度等级只有250km/h的ICE4在技术上是开历史的倒车，绝对是错误的，但这些声音也引出了减重问题。对于地铁列车这种速度较低的轨道车辆，采用结构简洁的刚性抱轴式直驱就可以了。
以Syntegra为例，它采用刚性抱轴式直驱，轴距是1.6米，轮径是690mm/630mm，轴重是14吨，永磁电机的冷却方式为水冷。它采用小直径车轮，柔性构架采用均衡梁结构，侧梁与横梁采用铰接结构，轴箱内置并和电机轴承相融合，这种轻量化设计是非常不错的。“弓系”转向架也是抱轴式直驱。
弹性抱轴式直驱也可以有，相比刚性抱轴式直驱，簧下质量稍有下降，但是结构更复杂，而且电机的转子存在偏心，运行过程中产生动载荷，会限制车辆提速。
对于高速列车，可以采用弹性架悬式直驱模型，电机和轮对间的联轴器只负责传递转矩，比如采用弹性悬挂空心轴传动结构，相比抱轴式直驱能显著降低转向架的簧下质量。注意：联轴器和联轴节的结构完全不同。
减重只是发展永磁直驱技术要解决的问题之一。实现永磁直驱技术，宏观上要做三项工作：直驱驱动结构的优化设计、高转矩永磁电机的优化设计、永磁直驱控制系统的优化设计。
从高转矩永磁电机来说：由于速度等级为350km/h及以上的动车组传动比较低，一般是2.5左右（CRH2C二阶段和CRH3C二阶段的传动比都不足2.5），永磁电机就要求有非常大的转矩。转矩的提升必然导致电机重量的提升，一方面宜将牵引电机进行弹性架悬，一方面宜通过多极化设计、增加减重孔等方式对电机减重，一方面提高牵引电机的转矩密度和功率密度。可能有人说，我们能不能学新干线列车，通过在编组中提高动力转向架的比例，来降低对牵引电机的额定功率的指标要求？当然可以！但是从维护成本来说，4动4拖是比较理想的配置（某个知乎上的“日吹”对小轮径轮对和动力高分散的迷恋，那是他的自由）。再说冷却：列车长时间运行后，永磁电机可能会温升过高，这就会引起牵引电机失磁故障和牵引电机轴承故障，需要通过冷却来抑制这种温升。当传动装置取消齿轮箱后，传动比下降到1，永磁直驱电机的转速只有普通带齿轮箱的电机的几分之一，更要有显著保证电机工作可靠性的冷却结构，就不宜采用仅有自带同轴风扇的冷却结构。强迫水冷是一种可行的冷却结构，因为ICE3已经实践过。另外，笔者比较感兴趣的是复合型冷却结构，它可以在使永磁电机的体积和重量均与转向架适配的情况下，显著改善永磁电机内部结构的冷却效果。比如JR西日本公司开发的235kW永磁电机，它采用带有内部冷却器的风冷结构，内部的热量通过同轴内风扇传导到冷却器，经过冷却器冷却后，向外辐射（参考文献：轨道交通车辆用永磁同步牵引电机结构设计，何思源，刘雄，李伟业，刘凡梦）。
笔者在浏览器上搜索适用于CR450的TQ800永磁同步电机，搜索结果总是说其“采用新型风冷结构”。但是，笔者搜索到了TQ800的设计团队——晏才松团队的开发一种永磁牵引电机冷却结构的资料，资料所提及的正是一种复合型冷却结构。笔者将该型结构标注于下图。当然，笔者不是相关领域出身，只能“外行看热闹”了（参考资料：一种永磁电机及其散热控制方法，专利号为CN111697745A）。
另外，从永磁电机控制来说，能否在既有的矢量控制和直接转矩控制的基础上有所突破呢（直接转矩控制的专利被ABB买断了？）？或者从永磁电机变流控制来说，除了抑制永磁电机的反电势，再看一个更直观的东西——半导体。对于高电压大功率变流装置，GTO电力电子开关已经过时了，Si IGBT（硅基绝缘栅双极晶体管）电力电子开关也面临性能发展的极限。通过提高半导体器件工作频率实现牵引变流器体积重量减小、谐波水平和噪声改善，一直是牵引变流装备的重要发展方向。新的SiC MOSFET电力电子开关具有低损失和高温动作的特征，功率密度大，转换效率高。由于SiC MOSFET是电子导电的单极器件，关断过程没有少子复合时间，开关速度仅取决于栅极输入电容的充放电时间，所以开关频率更高，将这种器件应用在铁道车辆的主电路系统，可降低牵引变流器和电机损耗，并实现整个主电路系统节能化、轻量化。SiC器件作为最新一代宽禁带半导体器件的典型代表，近5年来从材料特性、芯片工艺、封装技术等多方面取得重大进步，已经逐步在工业、新能源以及轨道交通领域推广应用。苏州地铁3号线永磁直驱试验车就采用SiC MOSFET。虽然SiC器件在牵引系统轻量化、节能方面具有明显的优势，但其开关频率高，在驱动方面针对器件过电压、过电流等保护，桥臂高频串扰抑制，死区效应补偿等需要重点关注（参考文献：我国铁路机车／动车组牵引技术现状及展望，钱铭，宋永丰）。长客的董事长在受访时谈及CR450，也表示中车将“研制基于永磁牵引电机和高功率器件（SiC）的牵引系统，提升牵引链效率”。日本的SiC MOSFET厂商有三菱、日立，富士等，东芝在搞IGET，美国的SiC MOSFET厂商有Cree，我们的SiC MOSFET研制单位有铁科院、株洲电机，株洲所等多家单位或企业。
从直驱驱动结构来说，如果将永磁直驱和轴箱内置结合起来，转向架的结构可以更紧凑，轴距就可以缩短。虽然轴距下降了，蛇行运动稳定性会减弱，但是构架的质量和转动惯量减小后，蛇行运动稳定性又会增加，因此可通过结构优化设计、使转向架的蛇行运动稳定性保持在合理的范围。而且，内支撑永磁直驱转向架具有良好的长大坡道和曲线通过性能以及轻量化水平，应该说应用前景非常好。对于高速动车组，笔者还是倾向于一系采用转臂式定位。
周老先生的设想是，永磁直驱不算太复杂，因为我们有一定的研发基础。如果不把牵引电机的质量作为簧下质量，可以用恒力弹簧，直接把电机挂到构架上。如果我们用直线电机，把线圈铺在线路上，车辆上只剩感应板，也可以将车辆的重量降下来。
第三是制动。周老先生指出，“一战”时的飞机没有制动，后来发展出盘片制动，到现在全都是盘盘制动。盘盘制动用碳陶或者碳碳（制动盘），重量低。如果像上面说的，车轴采用双空心轴，就有希望采用盘盘制动，将整车的重量降低8到10吨。
综上，周老先生总结出新一代高速列车转向架的一些个人的研发设想，其中的一系弹簧直接不要了，用侧梁来代替，另外，“底部包覆技术是应用感应板”。
笔者本人对周老先生这次报告的总结是，交通强国，铁路先行。我们发展高速铁路，首先在institution方面是有优势的，其次是技术储备充足。高速铁路的发展为我们创造了很多机遇，今年一些有关CR450的消息也足以使我们振奋。但是从更高的速度等级来说，高速磁悬浮有其独特的优势，愿高速磁悬浮能和高速铁路一样，取得更多的发展成果！
高速动车组转向架技术——周殿买高工主题报告，总结完毕。
周殿买高工主题报告：@高速列车走行部技术微信公众号https://mp.weixin.qq.com/s?t=pages/video_detail_new&scene=23&vid=wxv_2160561816656019458&__biz=Mzg5MjExMzY4Nw==&mid=2247485343&idx=3&sn=bc0623a645e9a05ca336e119e65ee606&vidsn=#wechat_redirect
