電動公交車用永磁同步電動機(jī)設(shè)計(jì)

周立安

(中車株洲電機(jī)有限公司，湖南株洲412001)

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電動公交車用永磁同步電動機(jī)設(shè)計(jì)

周立安

(中車株洲電機(jī)有限公司，湖南株洲412001)

摘要針對12m電動公交車(以下簡稱車輛)用永磁同步電動機(jī)(以下簡稱電機(jī))設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和介紹。主要從電機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)和要求、電磁方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和措施進(jìn)行了說明和論述。最后通過試驗(yàn)結(jié)果分析表明該電機(jī)滿足車輛的要求, 驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞永磁同步電動機(jī)；逆變器；電磁設(shè)計(jì)；防護(hù)等級

0引言

近年來，電動公交車以其噪聲小、零排放等優(yōu)點(diǎn)得到了迅速的發(fā)展，已逐漸成為城市的重要交通工具。驅(qū)動電機(jī)作為其“心臟”，受安裝空間、惡劣工況及運(yùn)行環(huán)境等諸多因素影響，該電機(jī)應(yīng)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：(1)基速以下輸出大轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)起動、加速、負(fù)荷爬坡、頻繁起停等復(fù)雜工況；(2)基速以上為恒功率運(yùn)行，以適應(yīng)最高車速、超車等要求；(3)全轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍內(nèi)的效率最優(yōu)化，以提高車輛的續(xù)駛里程；(4)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、體積小、重量輕、良好的環(huán)境適應(yīng)性和高可靠性；(5)噪聲低、振動小，滿足乘客的舒適性要求；(6)低成本及大批量生產(chǎn)能力。

目前用于電動公交車的驅(qū)動電機(jī)類型主要有：異步牽引電動機(jī)、開關(guān)磁阻牽引電動機(jī)、永磁同步牽引電動機(jī)等。永磁同步牽引電動機(jī)因其具有高過載能力、高功率密度、高功率因素、寬廣的高效工作區(qū)、較寬的恒功調(diào)速范圍、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在電動公交車上得到了廣泛的應(yīng)用，這也代表了電動公交車用驅(qū)動電機(jī)的發(fā)展方向。

1 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)和要求

1.1技術(shù)參數(shù)及性能

電機(jī)類型：三相永磁同步變頻電機(jī)；供電電源：電壓源逆變器供電；應(yīng)用場合：驅(qū)動12m電動公交客車；額定功率：80kW(S1)；峰值功率：150kW(5min)；額定電壓：258VAC；額定電流：188A；額定效率：95.9%；峰值電流：715A；額定頻率：110Hz；頻率范圍：0～260Hz；額定轉(zhuǎn)速：1100r/min；最高轉(zhuǎn)速：2600rpm；額定轉(zhuǎn)矩：694.5N·m；峰值扭矩：3300N·m；安裝型式：架懸；防護(hù)等級：IP55；冷卻方式：IC3W7；冷卻介質(zhì)：50%-50%的乙二醇防凍液；冷卻介質(zhì)進(jìn)水口溫度：≤65℃；冷卻液流量：1.2m3/h。

(1)額定牽引特性

恒轉(zhuǎn)矩特性：694.5N·m，0～1100r/min；恒功率特性：80kW，1100～2600r/min。

(2)峰值牽引、制動特性

恒轉(zhuǎn)矩特性：3300N·m，0～434r/min；恒功率特性：150kW，434～1600r/min；自然特性：降功率，1600～2600r/min。

1.2設(shè)計(jì)要求

(1)車輛基本信息

軸式：4×2(中央電機(jī)直接驅(qū)動)；最大速度：≥70km/h；最大爬坡度：≥20%；傳動比：6.2；計(jì)算車輛輪徑：0.479m；車輛尺寸：12000×2550×3400；車輛最大總質(zhì)量：18000kg。

(2)車載動力電源供電要求

額定電壓DC：384V；工作電壓DC：250～720V；工作電壓DC(全功率)：384～720V；工作電壓DC(限功率)：250～384V。

(3)逆變器對電機(jī)要求

最高工作頻率f：400Hz；最大線反電動勢VAC：600V轉(zhuǎn)速2600rpm，20℃；最大線電流I：750A；控制策略：一臺逆變器供電一臺電機(jī)；電機(jī)性能計(jì)算滿壓以前按最小電流控制，滿壓之后按弱磁控制設(shè)計(jì)。

(4)應(yīng)用環(huán)境

電機(jī)應(yīng)適應(yīng)雨、雪、風(fēng)、沙、鹽霧環(huán)境要求。

工作環(huán)境溫度：-20℃～+45℃，24h內(nèi)平均溫度不高于40℃。

儲存溫度：-20℃～60℃。

海拔高度：海拔低于≤1500m。

(5)技術(shù)條件按電動汽車用電機(jī)及其控制器技術(shù)條件-第1部分GB/T 18488.1—2006執(zhí)行。

1.3結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

電機(jī)安裝方式為架懸式，軸伸向下傾斜6°，通過8個M10螺栓和4個懸置軟墊安裝在車架上;防護(hù)等級IP55；水冷機(jī)座和前后端蓋采用鑄鋁合金；前后采用軸承單元結(jié)構(gòu)；電機(jī)帶封閉的主接線盒，出線電纜通過軸伸端機(jī)座上方接線盒里面的接線座引出；電機(jī)非軸伸端帶旋轉(zhuǎn)變壓器；通過車輛上的水冷卻器對電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻，結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1結(jié)構(gòu)總圖

2電磁設(shè)計(jì)

本電機(jī)在充分考慮電動公交車的牽引性能、逆變器的輸出能力和控制策略、供電電源輸出要求及應(yīng)用環(huán)境等因素的前提下，如何按永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)其匹配性設(shè)計(jì)，以及如何合理選取電機(jī)的電磁負(fù)荷、轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)、永磁體尺寸及材料，提高轉(zhuǎn)矩密度、功率密度和效率，使損耗分布合理，同時增強(qiáng)散熱能力、提高電機(jī)絕緣的耐熱等級，使電機(jī)的牽引特性、溫升、效率、噪聲等指標(biāo)滿足要求，是本電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

電磁計(jì)算采用場路結(jié)合的方法進(jìn)行,主要從結(jié)構(gòu)參數(shù)選取、牽引特性計(jì)算、全運(yùn)行區(qū)間的效率、電磁噪音4個方面進(jìn)行考慮。

2.1主要結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

(1)圓系

電機(jī)最大外形尺寸為Φ455×530mm(外徑×長度)，結(jié)合水冷機(jī)座結(jié)構(gòu)和Y2系列電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)圓系，定子沖片外徑取Φ400mm。

(2)極數(shù)

電機(jī)超速試驗(yàn)時轉(zhuǎn)速為3120r/min，配套變頻器最高輸出頻率為400Hz,因此本電機(jī)只能選擇不大于14的極數(shù)?？傮w而言,輸出相同的轉(zhuǎn)矩,極數(shù)選擇越多，線圈端部越短，定子軛部空間越小，電機(jī)的體積和重量也就越小。但受磁鋼和定子槽合理布置約束，極數(shù)不能無限大，選擇12極最優(yōu)。

(3)氣隙

在電機(jī)其它參數(shù)不變、僅改變氣隙大小的情況下，分別對峰值恒轉(zhuǎn)矩結(jié)束點(diǎn)的磁負(fù)荷和熱負(fù)荷、峰值恒功率結(jié)束點(diǎn)過載倍數(shù)、磁鋼的用量、工藝性等指標(biāo)進(jìn)行對比分析，氣隙取2.5mm最合理。

(4)定子

定子沖片選用72槽、槽形為梨形槽，繞組為散嵌繞組。為降低電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩，定子采用斜槽結(jié)構(gòu)，斜過的距離為1個定子齒距。

(5)永磁體的設(shè)計(jì)

永磁體在轉(zhuǎn)子中的擺放空間有限，要求永磁材料有較高的磁能積；同時高工作頻率可能產(chǎn)生永磁體本身渦流的損耗和定子溫度的影響，導(dǎo)致永磁體工作溫度較高。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫升評估和抗去磁能力計(jì)算結(jié)果，永磁體選用NdFeB38UH。

電機(jī)選取內(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，通過增加磁鋼厚度加大磁阻轉(zhuǎn)矩，以滿足弱磁范圍較寬、峰值轉(zhuǎn)矩大的要求。在相同空載反電動勢、轉(zhuǎn)子沖片滿足材料機(jī)械性能的條件下，給定最大線電流750A，分別對“V”型結(jié)構(gòu)和“一”型結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真對比分析，“V”型結(jié)構(gòu)和“一”型結(jié)構(gòu)分別見圖2、圖3。

圖2“V”型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子沖片有限元最小周期模型

從圖2的模型可知，在轉(zhuǎn)子沖片外徑一定的條件下,每極的磁鋼空間有限,很難布置更多的磁鋼,仿真計(jì)算結(jié)果顯示,電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩為2820N·m，不能滿足3300N·m要求，因此必須改變磁路結(jié)構(gòu)型式。

圖3一字型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子沖片有限元最小周期模型

在轉(zhuǎn)子沖片減重孔不變情況下,磁路結(jié)構(gòu)由“V”型結(jié)構(gòu)改為“一”型結(jié)構(gòu),按圖3的模型進(jìn)行計(jì)算,電機(jī)的最大峰值轉(zhuǎn)矩為3415N·m,滿足3300N·m要求,因此電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)選用“一”型結(jié)構(gòu)。

利用電磁場有限元分析軟件計(jì)算電機(jī)的空載反電動勢、空載漏磁系數(shù)及交直軸電感曲線，作為輸入數(shù)據(jù)在路的電磁計(jì)算程序中進(jìn)行牽引特性計(jì)算。通過多種電磁方案對比和優(yōu)化，最終定轉(zhuǎn)子槽形尺寸選擇如圖4所示，定子采用半閉口平行齒梨形槽，接法為Y，采用雙層疊繞組；轉(zhuǎn)子采用“一字”型結(jié)構(gòu)。主要性能計(jì)算值見表1。

圖4　定、轉(zhuǎn)子槽形尺寸

2.3盡可能提高電機(jī)全運(yùn)行區(qū)間的效率

適當(dāng)增加電機(jī)的有效部分重量，一方面減少了電機(jī)的基本損耗(鐵耗和銅耗)；另一方面由于損耗的變少降低了電機(jī)的溫升，進(jìn)一步減少了由此產(chǎn)生的熱損耗，提高了效率。

車輛正常運(yùn)行時，電機(jī)經(jīng)常工作在輕載區(qū)，輸出功率只有最大功率的1/5左右，其損耗中的可變損耗變化很大；為了提高電機(jī)輕載時的效率，必須增加鐵磁材料的重量來降低磁密，減少不變損耗，即鐵耗。

2.4降低電磁噪聲

本電機(jī)為全封閉水冷機(jī)座結(jié)構(gòu)，最高運(yùn)行速度只有2600r/min，通風(fēng)噪聲和機(jī)械噪聲影響很小，因此電機(jī)噪聲主要來源于電磁噪聲。根據(jù)電磁噪聲產(chǎn)生的原因，采用下列方法降低電磁噪聲。

(1)選擇適當(dāng)?shù)臍庀洞琶?，不宜太高，但過低又會影響材料的利用率。

木雕藝術(shù)家要將傳統(tǒng)符號“消化、吸收”，并重新將其生命注入新穎的形式構(gòu)造里去，令傳統(tǒng)雕琢技藝與新穎塑造觀念并存，突出個人的內(nèi)心愿望，從而引發(fā)觀者的共鳴。在探索的過程中，他們盡管會面對很多困難與問題，但也會不斷開啟更新的空間，看到更美的風(fēng)景。

(2)選擇合適的極槽配合，避免出現(xiàn)低次力波。

(3)定子采用斜槽結(jié)構(gòu)，斜過的距離為1個定子齒距。

(4)定、轉(zhuǎn)子磁路對稱均勻。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及措施

3.1電機(jī)結(jié)構(gòu)

(1)定轉(zhuǎn)子沖片三圓尺寸借用Y2-250中心高電機(jī)落料模。

(2)為實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，水冷機(jī)座、前后端蓋采用鑄造鋁合金；同時在保證電機(jī)電磁性能、機(jī)械性能的前提下對轉(zhuǎn)子沖片減重孔的分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)子鐵心重量。

(3)由于鋁合金的膨脹系數(shù)大約為鐵心的2倍，鋁合金機(jī)座與定子沖片的過盈量選取需按以下條件進(jìn)行核算：既要滿足傳遞峰值轉(zhuǎn)矩所需最小過盈量(進(jìn)水溫度為65℃，同時考慮機(jī)座與定子鐵心的溫差)，又確保最大過盈量時鋁合金機(jī)座和定子沖片機(jī)械性能在材料允許安全范圍內(nèi)(電機(jī)儲存溫度-20℃)。

(4)為了拆裝方便，聯(lián)軸器與軸伸通過錐度面過盈配合傳遞扭矩。為了可靠性，在2倍峰值轉(zhuǎn)矩下對錐度面過盈量、聯(lián)軸器及軸伸強(qiáng)度進(jìn)行校核，在額定轉(zhuǎn)矩下對軸伸進(jìn)行疲勞校核。經(jīng)核算聯(lián)軸器和軸伸均低于材料允許的抗拉和屈服強(qiáng)度。

3.2軸承結(jié)構(gòu)

(1)針對車輛用電機(jī)傾斜安裝、振動沖擊的特點(diǎn)，軸承端選用柱軸承，非軸伸端選用球軸承，并對軸承進(jìn)行壽命、最小負(fù)荷計(jì)算，同時電機(jī)的轉(zhuǎn)速不能超過軸承極限轉(zhuǎn)速的70%。經(jīng)核算最小負(fù)荷、軸承極限滿足要求，且軸承壽命遠(yuǎn)大于8年的整車壽命。

(2)為了裝配工藝性，前后采用軸承單元結(jié)構(gòu)；為了保證軸承運(yùn)行的可靠性，軸承座材料為鍛鋼，軸承外圈與軸承座之間為過渡配合，軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸之間為小過盈配合；為了避免端蓋與軸承座的溫度系數(shù)不同帶來的裝配質(zhì)量問題，采用雙止口配合面結(jié)構(gòu)。

(3)由于免維護(hù)密封軸承散熱差，運(yùn)行溫度偏高，且難以滿足8年使用壽命，因此本電機(jī)軸承選用加潤滑脂結(jié)構(gòu)，通過前后端蓋上的加油嘴定期進(jìn)行補(bǔ)充。

3.3為了防止電機(jī)裝車后導(dǎo)致整車振動或無法起動，每臺電機(jī)應(yīng)在車載控制器供電下，先在地面上進(jìn)行旋變的調(diào)零及方向確認(rèn)，合格后再帶懸置軟墊在試驗(yàn)臺架上進(jìn)行0～2600r/min空載振動測定試驗(yàn)。

3.4絕緣結(jié)構(gòu)

針對電壓源逆變器PWM控制供電給電機(jī)絕緣帶來的損害，電磁線采用耐電暈漆包圓線QP-2/200，它采用三層漆膜復(fù)合導(dǎo)線，其底漆為聚酯亞胺，面漆為聚酰胺酰亞胺，中間層為含抗高頻脈沖性能的納米材料的有機(jī)散嵌繞組；層間、相間、對地絕緣均采用H級耐電暈絕緣結(jié)構(gòu)；定子繞組采用VPI TJ1158 H級無溶劑漆，以獲得良好的電氣、機(jī)械與熱性能。

3.5IP55防護(hù)等級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)軸承密封采用多曲路迷宮結(jié)構(gòu)，前后軸承蓋與端蓋間采用止口過渡配合和涂密封膠密封。

(2)接線盒密封：接線盒蓋與接線盒座間采用O型密封圈密封；三相電源線進(jìn)線采用IP67不銹鋼填料函密封；溫度傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)線采用IP67電聯(lián)接器。

(3)前后端蓋與機(jī)座采用止口過渡配合，涂密封膠密封。

4試驗(yàn)結(jié)果

電機(jī)與其控制器已在中國汽車技術(shù)研究中心做完強(qiáng)檢試驗(yàn)，計(jì)算值和實(shí)測值見表2所示。電機(jī)效率MAP圖、電機(jī)及其控制器系統(tǒng)效率MAP圖分別見圖5 、 圖6。

表2　主要性能計(jì)算值和試驗(yàn)對比

從表2可以看出：

(1)電機(jī)主要性能指標(biāo)計(jì)算值基本和實(shí)測值相吻合。

(2)電機(jī)的絕緣系統(tǒng)為H級，繞組溫升按F級考核，電阻法允許溫升為105K，額定點(diǎn)和峰值點(diǎn)溫升有較大的余量；滾動軸承允許溫升為55K，軸伸端軸承和非軸伸端軸承溫升也有較大的余量。

(3)電機(jī)噪聲實(shí)測值高于標(biāo)準(zhǔn)或用戶要求。

(4)重量指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

圖5電機(jī)效率MAP圖

圖6電機(jī)及其控制器系統(tǒng)效率MAP圖

從圖5、圖6可得知：電機(jī)、電機(jī)及其控制器的高效工作區(qū)都很寬廣。此外強(qiáng)檢試驗(yàn)其它項(xiàng)也點(diǎn)均合格，并于2015年1月取得強(qiáng)檢強(qiáng)告。

該電機(jī)已批量裝車，2015年2月運(yùn)行至今，電機(jī)牽引特性和溫升等指標(biāo)完全符合設(shè)計(jì)要求，表明該電機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)是成功和可行的。

5結(jié)語

本文綜合考慮電動公交車的牽引性能、逆變器的輸出能力和控制策略、供電電源輸出要求及應(yīng)用環(huán)境等因素，對電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過電磁方案分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明及試驗(yàn)驗(yàn)證等，證明該電機(jī)具有起動轉(zhuǎn)矩大、高效工作區(qū)寬廣、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速性能良好、體積小、重量輕、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足12m電動公交車的驅(qū)動需求。該電機(jī)的成功開發(fā)為電動汽車用系列電機(jī)的開發(fā)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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Design of Permanent Magnet Synchronous Motor for Electric Bus

ZhouLi′an

(CRRC Zhuzhou Electric Co.,Ltd.,Zhuzhou 412001,China)

AbstractIn this paper, analysis and introduction on permanent magnet synchronous motor (hereafter referred to as “motor”) for 12m electric bus (hereafter referred to as “bus”) developed by our company are made. Description and discussion are mainly made from technical parameter requirements, electromagnetic scheme, structure characteristics and measures. The test results show that this motor can meet requirements of the bus, and verify feasibility and validity of this design.

Key wordsPermanent magnet synchronous motor；inverter；electromagnetic design；protection degree

收稿日期：2015-11-25

作者簡介：周立安男1978年生；畢業(yè)于西南交通大學(xué)機(jī)械工程及自動化專業(yè)，現(xiàn)從事永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)與開發(fā)等方面工作.

中圖分類號：TM313

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-7281(2016)02-0013-005

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.04