軌道交通車輛用永磁同步牽引電機結(jié)構(gòu)設(shè)計

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(1中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南株州 412001；2長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙 410082)

0 引言

牽引電機作為軌道交通車輛牽引系統(tǒng)的核心部件，是軌道交通車輛的動力來源，永磁同步電機由于其高效率、高功率因數(shù)、體積小、重量輕、高功率密度、啟動轉(zhuǎn)矩大和更好的動態(tài)性能[1]，可實現(xiàn)無齒輪箱的直接驅(qū)動動，在軌道交通牽引系統(tǒng)的應(yīng)用日益引起國內(nèi)外同行業(yè)的關(guān)注；隨著永磁材料和電力電子技術(shù)的發(fā)展，永磁電機在軌道交通牽引系統(tǒng)的研究與應(yīng)用日益廣泛[2、3]。

與異步電機不同，永磁電機的轉(zhuǎn)子磁場由永磁材料建立，其轉(zhuǎn)子在通電和斷電的情況下都具有強磁性，這給永磁電機結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造帶來一些特有的問題。同時作為軌道交通車輛用牽引電機，其需滿足軌道交通車輛復(fù)雜的線路工況、嚴酷的運行環(huán)境(強振動、高溫差、長時間高速運行等)、長壽命以及長維護周期等要求，同時受機車或車輛自重及安裝空間限制，對牽引電機的要求是體積越來越小，重量越來越輕。因此，應(yīng)用于軌道交通車輛時，永磁同步牽引電機結(jié)構(gòu)設(shè)計時既要充分考慮滿足牽引電機的高功率密度、高熱負荷、輕量化、高可靠性的要求，又要針對永磁電機的特點，采取相應(yīng)措施，選擇合適的方案。

本文基于軌道交通車輛用對牽引電機的要求，對永磁電機的密封結(jié)構(gòu)、冷卻結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、軸承結(jié)構(gòu)、進行研究，為軌道交通車輛用永磁牽引電機結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 密封結(jié)構(gòu)

永磁體組裝完成后，永磁電機的轉(zhuǎn)子就帶有很強的磁性，不做防護的轉(zhuǎn)子表面會吸附鐵磁金屬物質(zhì)，很難清除。軌道交通車輛的運行速度快、運行環(huán)境差、空氣中含有大量的異物、尤其是鐵路機車車輛運行時會產(chǎn)生的大量金屬粉末和閘瓦灰。若不做防護，這些金屬粉末和閘瓦灰會隨氣流進入電機內(nèi)部，吸附在永磁電機轉(zhuǎn)子表面。牽引電機的氣隙通常僅為1～2mm(單邊)，久而久之吸附在轉(zhuǎn)子表面的細微金屬顆粒將在氣隙空間內(nèi)堆積，不僅會導(dǎo)致電機氣隙不均勻，降低電機性能，嚴重時還會導(dǎo)致電機掃膛。

因此軌道交通車輛用永磁同步牽引電動機一般需要設(shè)計成全封閉結(jié)構(gòu)[4-5]，防護等級至少達到IP44，使金屬顆粒無法進入電機內(nèi)部，以保證運行的可靠性。如Alstom通針對下一代360km/h高速列車AGV用永磁同步牽引電機見圖1和低地板車輛CITADIS用永磁同步牽引電機、Bombardier公司開發(fā)的REGINA高速動車用MITRAC永磁牽引電機均為全封閉結(jié)構(gòu)[7]，見圖2。相比于異步牽引電機采用全封閉結(jié)構(gòu)還可以降低牽引電機維護難度，同時可以有效防止異物進入電機內(nèi)部損壞電機絕緣，提高電機可靠性。

圖1 AGV用永磁同步牽引電機

圖2 Bombardier用Mitrac永磁牽引電動機

2 冷卻結(jié)構(gòu)

軌道交通車輛用的牽引電機冷卻方式主要有風(fēng)冷、水冷及自然冷卻三種，冷卻方案的選擇受制于整車系統(tǒng)設(shè)計的要求。而一般永磁電機的全封閉結(jié)構(gòu)要求以及永磁材料的工作溫度限制，使永磁同步牽引電機相對于異步牽引電機的散熱壓力大大增加。因此永磁同步牽引電動機冷卻方案的選擇需要與整車系統(tǒng)進行更精確的匹配，另外冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要最大限度的提高電機的散熱能力。

2.1 水冷方式的結(jié)構(gòu)設(shè)計

永磁電機由于永磁體無需電流勵磁，電機損耗主要來源于定子。熱量首先由定子傳導(dǎo)到機殼，水冷的方法可以通過機殼內(nèi)水道中的冷卻水迅速帶走熱量，其冷卻效果相比風(fēng)冷效果要好很多。水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計需要著重考慮的是水道的設(shè)計與防腐。

2.1.1 水道設(shè)計

牽引電機的冷卻水通常是冷卻完系統(tǒng)其他部件后的循環(huán)水，進水水溫度較高，允許出水溫升較小。根據(jù)傳熱基本方程

Q=mcp(t2-t1)

式中，Q—熱負荷或傳熱速率，J.s-1或W；m—熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg.s-1；cp—流體的定壓比熱，取進出口流體溫度的算術(shù)平均值下的比熱，kJ.(kg.k)-1；t1，t2—流體的進出口溫度，K(℃)。

可知，熱負荷一定、進出口流體溫差一定、冷卻介質(zhì)一定時，電機的冷卻效果僅與流體的質(zhì)量流量有關(guān)，牽引電機的冷卻水道的形式應(yīng)充分考慮減小流阻、增大流速、增大流量以及水道在熱源表面均勻分布。

常用的水道形式有螺旋式和徘徊式如圖3和圖4所示。

圖3 螺旋式水道

圖4 徑向/軸向徘徊式水道

螺旋式水道比軸向徘徊式水道流阻小，流速快，但是因為進出水口溫度不均勻，壓降大，所以對于軸向較長的螺旋式水道來說，會導(dǎo)致電機軸向散熱效果不均勻，且進出水口一般要分別位于電機鐵心兩端，給水管的布管和固定帶來一些麻煩。

無論是螺旋式還是徘徊式水道，水道截面設(shè)計應(yīng)達到一定的水頭直徑標準，滿足紊流雷諾數(shù)的要求。

根據(jù)永磁電機發(fā)熱主要以定子損耗為主，全封閉結(jié)構(gòu)電機內(nèi)部傳熱慢，而端部溫升最高的情況，還可以設(shè)計單獨冷卻端部的并聯(lián)水道，減緩定子向轉(zhuǎn)子及軸承產(chǎn)生大量輻射熱的情況。但并聯(lián)水道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各支流流速不一、冷熱不一、易淤積堵塞[14]。

2.1.2 水道的防腐

水冷電機的機座通常采用鋼或鋁材質(zhì)，設(shè)計成內(nèi)筒和外筒的復(fù)合結(jié)構(gòu)，用鑄造或焊接的方法，使之形成冷卻水道，也可以采用埋置銅管的方法形成水道。不論采用哪種方法哪種材質(zhì)，水道腔壁都會因常年經(jīng)高溫水或其他冷卻液(如：防凍乙二醇)的侵蝕而損壞，嚴重時將導(dǎo)致漏水，同時產(chǎn)生的腐蝕物會流入循環(huán)系統(tǒng)，影響泵的正常工作。因此水冷電機的水道必須防腐。

從經(jīng)濟性和工藝性出發(fā)，水道的防腐通常采用表面防護層法，可以通過涂抹、噴涂、電鍍、熱鍍、噴鍍等方法在水道內(nèi)腔表面形成保護層。但不論采用哪種方法都應(yīng)匹配合適的水道制作工藝方法，避免損傷保護層。

2.2 風(fēng)冷方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的永磁同步牽引電機，由于徑向、軸向都需獨立于電機有效部分之外形成風(fēng)道，在相同體積空間的情況下，相比異步機而言，其可用的有效體積部分大大減少，大大增加了電機設(shè)計的難度，另外全封閉結(jié)構(gòu)電機的內(nèi)部熱量不可能迅速傳導(dǎo)到機殼表面，加上風(fēng)道設(shè)計復(fù)雜，風(fēng)阻大，相比開啟式的異步牽引電機的風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，永磁同步牽引電機的風(fēng)冷效果大打折扣，永磁電機的優(yōu)勢難以充分體現(xiàn)。全封閉風(fēng)冷永磁同步牽引電機，一般有強迫風(fēng)冷和自帶同軸風(fēng)扇冷卻方式。

強迫風(fēng)冷冷卻結(jié)構(gòu)見圖5，外帶風(fēng)源的強迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，定子鐵心外壁與機殼之間通過結(jié)構(gòu)件形成外部冷卻風(fēng)道，通過專用接口與外部風(fēng)源連通，同樣通過定子鐵心兩端壓圈和端蓋的止口與電機內(nèi)部分隔。電機內(nèi)部產(chǎn)生的熱量通過定子鐵心向外傳導(dǎo)，外部風(fēng)源從風(fēng)道入口進入外部冷卻風(fēng)道帶走熱量。在封閉的電機內(nèi)部，可在轉(zhuǎn)子兩端設(shè)計散熱翅片，在電機轉(zhuǎn)動時通過翅葉攪動氣流，均衡內(nèi)部溫度場。

圖5 強迫風(fēng)冷冷卻結(jié)構(gòu)

自帶同軸風(fēng)扇冷卻結(jié)構(gòu)見圖6。全封閉自扇風(fēng)冷采用獨特的雙循環(huán)結(jié)構(gòu)，由內(nèi)外兩個循環(huán)組成，電機自帶內(nèi)外兩個同軸風(fēng)扇。定子鐵心外壁與機殼之間通過結(jié)構(gòu)件形成外循環(huán)風(fēng)道，并通過定子鐵心兩端壓圈和端蓋的止口與電機內(nèi)部分隔，使電機形成帶外循環(huán)冷卻風(fēng)道的全封閉結(jié)構(gòu)，電機內(nèi)部產(chǎn)生的熱量通過定子鐵心向外傳導(dǎo)，通過外風(fēng)扇產(chǎn)生的冷卻風(fēng)帶走熱量。

在封閉的電機內(nèi)部，通過電機自帶的內(nèi)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生氣流形成內(nèi)循環(huán)，主要作用是均衡電機內(nèi)部溫度場，改善外循環(huán)冷卻效果。

圖6 自帶同軸風(fēng)扇冷卻結(jié)構(gòu)

2.3 自然冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計

自然冷卻僅靠電機表面的對外輻射和空氣的自然對流把電機表面的熱量帶走，散熱能力有限。對于安裝空間狹小、通風(fēng)狀況較差且重量要求嚴格的牽引電機來說，自然冷卻很難滿足電機的散熱要求，自然冷卻結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 自然冷卻結(jié)構(gòu)

另外，永磁牽引電機也有采用其他復(fù)合型冷卻結(jié)構(gòu)的，如西日本鐵路公司開發(fā)的235kW永磁電機是采用帶冷卻器的全封閉風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的。冷卻器與電機內(nèi)部連通，但與外部分隔，電機自帶同軸內(nèi)風(fēng)扇，帶動電機內(nèi)部空氣與冷卻器內(nèi)部產(chǎn)生循環(huán)，將電機內(nèi)部熱量傳導(dǎo)到冷卻器內(nèi)部，通過冷卻器外部的散熱翅片對外輻射，自帶冷卻器冷卻結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8 自帶冷卻器冷卻結(jié)構(gòu)

3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計是永磁同步牽引電機設(shè)計的關(guān)鍵，主要包括磁路結(jié)構(gòu)、永磁材料的選擇、永磁體的防護與固定、轉(zhuǎn)子沖片及提高轉(zhuǎn)子剛度。

3.1 磁路結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)根據(jù)特性參數(shù)和系統(tǒng)要求可以有多種形式，主要分為表面式和內(nèi)置式兩種，其中內(nèi)置式又包括徑向型、切向型、復(fù)合型結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 永磁電機轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)

3.2 永磁材料的選擇

永磁同步牽引電機采用全封閉結(jié)構(gòu)，電機內(nèi)部溫度很高，對永磁體的耐溫性能增加，選用耐溫性能更好的釤鈷永磁體。其主要參數(shù)見表1，退磁曲線見圖10，這種永磁材料溫度系數(shù)低，在溫度很高的時候也不影響電機的輸出特性。

圖10 釤鈷永磁體退磁曲線

溫度(℃)20100剩磁密Br(T)1.0751.043矯頑力Hcb(kA/m)836784

3.3 永磁體防護和固定

目前永磁材料通常采用的是釹鐵硼和釤鈷，這兩種材料均有抗壓不抗拉，抗刮擦、抗沖擊性差，加工性能差，易碎等特點，其中釤鈷尤勝，而釹鐵硼由于含有鐵的成份，其耐蝕能力差，易氧化，因此，永磁同步牽引電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要充分考慮采用合適的方法對永磁體的防護與固定。

3.3.1 永磁體的防護

采用釹鐵硼作為永磁體材料時，需要進行防蝕處理，綜合考慮防護效果、工藝性和成本，目前通常采用電鍍和電泳的方法形成保護層，主要有鍍鋅、鍍鎳銅鎳、鍍鎳銅加電泳環(huán)氧，其中鍍鋅耐高溫高濕性差，且硬度小易損壞[6]，永磁同步牽引電機的永磁體通常采用后兩種鍍層，鍍層總厚一般控制在20～25μm，其中鍍鎳銅加電泳環(huán)氧的方法形成的有機高分子膜層具有優(yōu)異的防水性、抗化學(xué)侵蝕性和粘接性，對永磁體有很好的防護效果[10]，同時對于表面式的永磁體還能起到防渦流發(fā)熱的作用[11]，但是永磁體的形狀和大小對鍍層和涂層的形成影響較大[10]，因此永磁體的設(shè)計既要滿足磁路結(jié)構(gòu)的要求又要有好的工藝性，并適合所采用的防護方法。

3.3.2 永磁體的固定

(1)表面式永磁轉(zhuǎn)子

對于表面式磁路結(jié)構(gòu)，永磁體位于轉(zhuǎn)子圓周表面，在轉(zhuǎn)子高速運行時將承受很大的離心力，同時轉(zhuǎn)子的高溫工作環(huán)境又會導(dǎo)致粘接劑的老化失效，因此從可靠性出發(fā)需要采取機械的方法將永磁體固定在轉(zhuǎn)子圓周表面，目前磁鋼固定的主要方法有螺釘固定和表面箍扎。其中螺釘固定局限性大且永磁體工藝復(fù)雜，適用性不如表面箍扎的方法。

(2)內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子

對于內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子，永磁體埋至轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，避免了表面式永磁轉(zhuǎn)子表面箍扎難的問題，但是在永磁體槽設(shè)計時需要留有一定余量，同時在安裝時采用無磁鋼的導(dǎo)向工裝，防止永磁體在組裝過程中易損壞，在組裝完之后采用灌封或者真空壓力浸漆的方式將永磁轉(zhuǎn)子固化為一整體，這樣就能使得牽引電機的轉(zhuǎn)子既具有高疊壓系數(shù)，又能使轉(zhuǎn)子具有較好的整體性，以適合牽引電機高轉(zhuǎn)速、強振動的工作環(huán)境。

3.4 轉(zhuǎn)子沖片

對于內(nèi)置式和復(fù)合型永磁同步牽引電機轉(zhuǎn)子內(nèi)裝有永磁體，為滿足磁路設(shè)計要求，轉(zhuǎn)子沖片需要設(shè)置隔磁槽或橋，有時還需設(shè)置通風(fēng)孔或工藝孔，沖片結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，在高速時較大離心力的作用下，局部應(yīng)力可能會超過沖片材料的允許用抗拉強度(一般取412MPa)的安全系數(shù)范圍，因此，沖片設(shè)計在滿足磁路結(jié)構(gòu)、適合永磁體組裝要求的前提下，需采用有限元法根據(jù)運行環(huán)境及組裝要求，對其強度進行校核，不滿足強度要求時要對沖片結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化處理。

3.5 提高轉(zhuǎn)子剛度

永磁材料易碎、抗刮擦性、抗沖擊性差等特性，使得設(shè)計永磁體安裝槽時需要留有足夠的間隙，但與異步電機不同的是，永磁體無法像銅條轉(zhuǎn)子一樣通過漲緊變形的方法填充間隙，也無法像定子一樣使用槽楔楔緊。未填充的間隙、松散的轉(zhuǎn)子鐵心會大大降低轉(zhuǎn)子剛度，降低轉(zhuǎn)子固有頻率，難以滿足永磁同步牽引電機的高可靠性要求。因此永磁轉(zhuǎn)子在永磁體安裝完成后需要選擇合適的粘接劑，采用真空壓力灌封或浸漬的方法將粘接劑填充到磁鋼槽的間隙以提高轉(zhuǎn)子剛度。

4 軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計

永磁同步牽引電機的軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計首先要充分考慮牽引電機經(jīng)常需承受高轉(zhuǎn)速、高負荷、強振動等苛刻運行條件的特殊性，以及電機內(nèi)的磁路不對稱、不對稱的非屏蔽電纜敷設(shè)以及逆變器供電等原因在電機中形成軸承電流造成軸承電蝕的問題，還需著重考慮永磁同步牽引電機全封閉結(jié)構(gòu)造成軸承溫升高和采用定子斜槽解決齒槽轉(zhuǎn)矩問題時產(chǎn)生的軸向電磁分力等使電機軸承受力情況惡化的因素[6]。

全封閉結(jié)構(gòu)電機內(nèi)部與外界完全分隔，電機內(nèi)部熱源僅能通過內(nèi)部基本不流動的空氣將熱量傳導(dǎo)到機殼和端蓋表面，再散發(fā)到空氣中去。盡管永磁電機的主要熱源是定子，但由于牽引電機的高熱負荷使得向外傳導(dǎo)的熱量及速度遠遠不能滿足散熱要求，尤其采用外風(fēng)路單循環(huán)的全封閉冷卻方案時，定子產(chǎn)生的大量熱量來不及散發(fā)到外部空氣中去，就將會向電機內(nèi)部轉(zhuǎn)子、軸承等部件輻射，直到全封閉結(jié)構(gòu)電機內(nèi)部各部件溫升趨于一致，才會達到熱穩(wěn)定。另一方面，牽引電機軸承自身高負荷、高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的大量摩擦熱,使得軸承的運行溫升非常高,如100%低地板輕軌車輛用全封閉結(jié)構(gòu)異步牽引電機在軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化前軸承溫升達到79K[7]。

本文從兩個方面來解決軸承高溫升的問題，一方面改善潤滑條件，提高軸承耐溫限值；另一方面設(shè)計軸承隔熱和散熱結(jié)構(gòu)。

4.1 改善潤滑條件

選用高性能溫度極限的復(fù)合型潤滑油或潤滑脂,以提高軸承的耐溫限值。如日本300系及其后的新型新干線異步牽引電動機上采用復(fù)合鋰基型潤滑脂、藍劍動力車異步牽引電動機4FHA7056C采用KLUBER的Isoflex TopasNCA 52復(fù)合鈣基型潤滑脂、我國中華之星JD128異步牽引電動機采用RoyalPurple的UPG2#復(fù)合鋁基型潤滑脂,可使軸承耐溫限值大幅提高，其中4FHA7056C電機軸承溫度達97.1℃,有時甚至超過100℃。采用高性能溫度極限的復(fù)合型潤滑脂，使得軸承溫升限值可以提高到80K。

4.2 增加隔熱和散熱結(jié)構(gòu)

通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，切斷電機內(nèi)部輻射熱向軸承傳導(dǎo)的路徑，對于高熱部位設(shè)置散熱筋，加快熱源對外部空氣的熱傳導(dǎo)，同時可設(shè)置內(nèi)風(fēng)扇加速內(nèi)部熱空氣的運動，對于降低軸承溫升都是行之有效的方法。

圖11為西日本鐵路公司研制的235kW全封閉永磁同步電機軸承散熱優(yōu)化方案[12]。

圖12為100%低地板輕軌車輛用全封閉結(jié)構(gòu)異步牽引電機的軸承散熱優(yōu)化方案，優(yōu)化后，軸承溫升由79K下降到62K[4]。

圖11 235kW永磁同步牽引電機軸承散熱優(yōu)化方案

圖12 100%低地板輕軌車輛用牽引電機的軸承散熱優(yōu)化方案[4]

5 結(jié)語

兼顧牽引電機的高功率密度、高熱負荷、高可靠性等要求，并適合永磁電機的固有的特點，永磁同步牽引電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)著重考慮以下幾個方面。

(1)永磁同步牽引電動機一般需要設(shè)計成全封閉結(jié)構(gòu)，防護等級至少達到IP44，以使細微金屬顆粒無法進入電機內(nèi)部，保證運行的可靠性。

(2)軌道交通車輛有水冷、風(fēng)冷、自然冷卻幾種形式，永磁牽引電機冷卻形式的選擇要匹配車輛的冷卻循環(huán)條件。

(3)永磁同步牽引電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計要充分考慮永磁體的防護與固定，磁路設(shè)計需與沖片強度校核結(jié)合進行，同時，提高永磁轉(zhuǎn)子的剛度，提高其固有頻率是滿足牽引電機可靠性要求的前提。

(4)永磁同步牽引電機軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計既要滿足牽引電機的高轉(zhuǎn)速、強振動的要求，又要解決永磁電機全封閉結(jié)構(gòu)帶來的高溫升問題，還要結(jié)合永磁電機結(jié)構(gòu)特點充分考慮附加軸向力的影響。

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