100%低地板車輛用永磁同步牽引電動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

，

(中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南株洲412001)

0 引言

低地板車輛由于其造價(jià)低、方便乘客上下等優(yōu)勢(shì)，在世界各地大量應(yīng)用[1]。目前國(guó)內(nèi)越來越多的城市在進(jìn)行低地板線路建設(shè)或規(guī)劃，低地板車輛已經(jīng)成為城市軌道交通的一個(gè)研究熱點(diǎn)。低地板車輛由于其車廂地板低，傳動(dòng)系統(tǒng)安裝空間較小，加之其運(yùn)行于路面，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性有較強(qiáng)要求，因此牽引電動(dòng)機(jī)需滿足下列條件[2]：(1)較小的外形尺寸；(2)較輕的重量；(3)功率密度大和過載能力強(qiáng)；(4)全封閉結(jié)構(gòu)；(5)維護(hù)工作量少或免維護(hù)；(6)噪音低。與異步電機(jī)相比，永磁同步牽引電動(dòng)機(jī)具有體積小、重量輕、高效節(jié)能、輕量化、過載能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性好及振動(dòng)噪音低等優(yōu)點(diǎn)[3]。低地板車輛采用永磁同步電動(dòng)機(jī)作為牽引電機(jī)，除節(jié)約能耗外，更能提高乘客舒適性、減少電機(jī)維護(hù)工作量，也是未來的發(fā)展方向。

本文介紹了一款基于100%低地板車輛的永磁同步牽引電動(dòng)機(jī)，現(xiàn)針對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)方案進(jìn)行研究，開發(fā)樣機(jī)完成相關(guān)試驗(yàn)并進(jìn)行了裝車考核，試驗(yàn)證明，與異步牽引電動(dòng)機(jī)相比，永磁同步牽引電動(dòng)機(jī)在重量、節(jié)能效果等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 設(shè)計(jì)要求

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)

1.2 牽引、制動(dòng)特性

電動(dòng)機(jī)牽引特性要求見圖1，制動(dòng)特性要求見圖2。在牽引工況下，最大轉(zhuǎn)矩為835 N·m，恒功功率為189kW；在制動(dòng)工況下，最大轉(zhuǎn)矩857 N·m，恒功功率389kW。

圖1 牽引特性

圖2 制動(dòng)特性

2 研制與開發(fā)

2.1 磁路結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵方案選取

2.1.1 磁路結(jié)構(gòu)選擇

根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝方式，永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為表面式和內(nèi)置式兩種。與表面式結(jié)構(gòu)相比，內(nèi)置式具有以下特點(diǎn)。

(1)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可獲得較好的弱磁性能和較寬的調(diào)速范圍；

(2)利用d、q軸磁路不對(duì)稱所產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，可以提高電動(dòng)機(jī)的過載能力和轉(zhuǎn)矩密度；

(3)永磁體嵌裝在轉(zhuǎn)子槽中，得到轉(zhuǎn)子極靴的保護(hù)，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠；

(4)可以減小逆變器容量。

基于以上特點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)采用內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)。

2.1.2 極數(shù)

電機(jī)極數(shù)越多，電機(jī)的體積和重量越小。同時(shí)，極數(shù)太多會(huì)使電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速下的電頻率增高，電頻率受逆變器開關(guān)頻率的限制不宜太高，所以電機(jī)極數(shù)不宜過高。綜合分析，本電機(jī)的極數(shù)取8極。

2.1.3 沖片內(nèi)徑選擇

在相同的電磁負(fù)荷情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與定子內(nèi)徑的平方成正比。因此定子內(nèi)徑越大，所能發(fā)揮的轉(zhuǎn)矩越大。但定子內(nèi)徑的選擇還需滿足以下條件。

(1)線圈鼻部和機(jī)座之間必須保留適當(dāng)?shù)碾姎忾g隙；

(2)電機(jī)的軛部磁密小于一定的限值；

(3)槽形高度和線規(guī)合理匹配；

(4)永磁體能夠在轉(zhuǎn)子上合理布置。

2.1.4 降低齒槽轉(zhuǎn)矩措施

齒槽轉(zhuǎn)矩是由于永磁體與定子齒、槽之間相互作用而產(chǎn)生的一個(gè)使電機(jī)轉(zhuǎn)子停在穩(wěn)定位置的作用力，是永磁電機(jī)的一種固有特性。過大的齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)引起振動(dòng)、噪聲并影響控制的精度，降低齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要任務(wù)。降低開口槽永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的方法有：采用磁性槽楔、定子鐵心斜槽、轉(zhuǎn)子斜極、非均勻氣隙、分?jǐn)?shù)槽繞組等[4]。從考慮制造工藝、電機(jī)可靠性等方面考慮，本電動(dòng)機(jī)采用分?jǐn)?shù)槽繞組降低齒槽轉(zhuǎn)矩。

永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的解析表達(dá)式為[5、6]

(1)

其中，γ=LCM(Z,2p)

(2)

式中，μ0—空氣磁導(dǎo)率；La—鐵心長(zhǎng)度；R1—定子內(nèi)徑；R2—轉(zhuǎn)子外徑；Gnγ—有效氣隙磁導(dǎo)沿圓周的分布函數(shù)；Bnγ—?dú)庀洞琶苎貓A周的分布函數(shù)；Z—槽數(shù)；p—極對(duì)數(shù)；Tcog—齒槽轉(zhuǎn)矩，γ—Z與2p的最小公倍數(shù)。

由式(1)和式(2)可知，基次齒槽轉(zhuǎn)矩周期數(shù)γ越大，其幅值就越小。因此合理選擇極數(shù)與槽數(shù)組合，使一個(gè)周期γ越大，可有效削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。

圖3為本電動(dòng)機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波形。由圖3可知，電動(dòng)機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩最大為3.2 N·m，僅為額定轉(zhuǎn)矩的0.7%，可較好地滿足工程化應(yīng)用。

圖3 齒槽轉(zhuǎn)矩波形

2.1.5 氣隙

電機(jī)的氣隙越大，永磁體用量越多，電機(jī)的過載能力越大。由于本電機(jī)為牽引電機(jī)，為了承受運(yùn)行中的沖擊，以及減少雜散損耗、降低振動(dòng)和便于裝配，氣隙選取略大于同功率等級(jí)的異步電機(jī)。

根據(jù)永磁同步牽引電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用均勻氣隙時(shí)，氣隙磁密諧波含量較大，從而導(dǎo)致電機(jī)諧波損耗大，電機(jī)溫升偏高。為此，采用偏心氣隙來改善氣隙磁密波形，降低溫升。偏心氣隙如圖4所示。

圖4 偏心氣隙，偏心距t=OO′

不同偏心距與氣隙磁密THD的關(guān)系見表2、圖5。

表2 偏心距與氣隙磁密THD

圖5 偏心距與氣隙磁密THD關(guān)系

2.1.6 永磁體

(1)永磁材料選擇

永磁同步電動(dòng)機(jī)作為車輛牽引電機(jī)，要求具有較小的體積尺寸和重量，電機(jī)氣隙磁密高、熱負(fù)荷高，電機(jī)內(nèi)部溫度較高，因此要求永磁材料滿足以下條件：(1)磁能積高；(2)較好的溫度穩(wěn)定性，能在較高的工作溫度下不失磁；(3)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，能承受電機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)、沖擊等。

綜合以上三點(diǎn)，選用耐高溫性能好的釤鈷作為永磁材料，其磁性能見表3，退磁曲線見圖6。

表3 永磁體參數(shù)

圖6 永磁材料的退磁曲線

(2)防失磁能力校核

如何保證永磁體在車?yán)镞\(yùn)營(yíng)過程中不出現(xiàn)失磁是永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的重要任務(wù)，在永磁電機(jī)設(shè)計(jì)過程中必須考慮運(yùn)行最惡劣的工況：三相突然短路工況下永磁體是否失磁，并在型式試驗(yàn)中依據(jù)GB/T 25123.4[7]中8.2進(jìn)行“防失磁能力校核試驗(yàn)”。電動(dòng)機(jī)在三相突然短路工況下電流波形見圖7，將三相短路電流峰值作為去磁電流加載到繞組上，進(jìn)行電磁場(chǎng)有限元分析，圖8永磁體充磁方向磁密分布圖。由圖8可知，短路工況永磁體表面最小磁密為0.1T。釤鈷永磁體退磁曲線(圖6)在溫度為200℃時(shí)無“拐點(diǎn)”，而電動(dòng)機(jī)正常工作永磁體最高工作溫度小于200℃。因此，即使在最惡劣的三相突然短路工況下永磁體也不會(huì)失磁，能夠滿足車輛運(yùn)營(yíng)要求。

圖7 三相突然短路電流波形

圖8 三相突然短路永磁體充磁方向磁密

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)為全封閉水冷結(jié)構(gòu)，防護(hù)等級(jí)IP54，當(dāng)車輛在路面運(yùn)行時(shí)能夠有效地防止灰塵、雜質(zhì)等進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部。電動(dòng)機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、軸承等幾部分構(gòu)成。

2.2.1 定子

定子主要由水冷機(jī)殼、鐵心、繞組及絕緣系統(tǒng)構(gòu)成。水冷機(jī)殼由鋼板卷焊加工而成，其上加工有冷卻水道。鐵心由高導(dǎo)磁、低損耗的硅鋼片疊壓而成，成型的定子繞組嵌入到定子鐵心槽中，然后整體真空壓力浸漆，在端部采用端箍和綁扎帶固定牢靠。帶繞組鐵心浸漆完成后再熱套入機(jī)殼中。整個(gè)定子具有良好的電氣、機(jī)械性能和優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。電動(dòng)機(jī)采用熱分級(jí)為200的絕緣系統(tǒng)。

2.2.2 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子由沖片、永磁體、轉(zhuǎn)軸、壓圈等組成。轉(zhuǎn)子組裝完成后進(jìn)行動(dòng)平衡校正，最大允許不平衡量達(dá)到GB/T 9239.1[8]的G2.5級(jí)。轉(zhuǎn)子采用內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)，沖片強(qiáng)度需滿足在1.2倍最高轉(zhuǎn)速下不產(chǎn)生有害變形。圖9和圖10為在1.2倍最高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子沖片的應(yīng)力和位移圖。根據(jù)仿真結(jié)果可知，沖片在超速轉(zhuǎn)速下電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片最大離心應(yīng)力223MPa，小于硅鋼片的許用應(yīng)力516MPa，沖片最大位移為0.0098mm，應(yīng)力和位移均滿足要求。

圖9 轉(zhuǎn)子沖片應(yīng)力圖

圖10 轉(zhuǎn)子沖片位移圖

轉(zhuǎn)軸采用高強(qiáng)度合金鋼，要求轉(zhuǎn)軸具有足夠的強(qiáng)度，能夠承受電機(jī)突然轉(zhuǎn)矩的沖擊，以及具有足夠的剛度，能保證運(yùn)行可靠。圖11為轉(zhuǎn)軸在沖擊載荷下的應(yīng)力分布，圖12為轉(zhuǎn)軸撓度變形圖。由圖11可知即使在電動(dòng)機(jī)突然短路時(shí)，轉(zhuǎn)軸最薄弱處所需承受的應(yīng)力為400.17MPa，與強(qiáng)度極限之比為1.9，遠(yuǎn)大于安全系數(shù)要求。由圖12可知，轉(zhuǎn)軸在重力、離心力及扭矩作用下，轉(zhuǎn)軸撓度為0.065mm，轉(zhuǎn)軸具有足夠的剛度，能保證運(yùn)行可靠。

圖11 轉(zhuǎn)軸應(yīng)力圖

圖12 轉(zhuǎn)軸撓度變形圖

2.2.3 軸承

軸承是牽引電動(dòng)機(jī)重要部件，傳動(dòng)端與非傳動(dòng)端軸承均采用進(jìn)口鐵路專用絕緣軸承。軸承采用脂潤(rùn)滑，采用非接觸式迷宮密封。傳動(dòng)端采用圓柱滾子軸承，非傳動(dòng)端采用深溝球軸承，兩端軸承基本額定計(jì)算壽命L10均大于3000000公里，能夠滿足車輛長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行要求。

2.3 冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 水冷系統(tǒng)

電動(dòng)機(jī)采用水冷，圖13為水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。一個(gè)轉(zhuǎn)向架上的2臺(tái)電機(jī)與制動(dòng)電阻箱內(nèi)的設(shè)備共用一套水冷箱。水冷系統(tǒng)內(nèi)部冷卻液流經(jīng)順序?yàn)樗谩崞?→電動(dòng)機(jī)1→電動(dòng)機(jī)2→散熱器2→水泵，依次循環(huán)。

圖13 水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3.2 冷卻液流量的確定

冷卻液的流量按式(3)計(jì)算[9]

PVer1=V′×ρKf×cKf×ΔT

(3)

式中，PVer1—需要冷卻介質(zhì)帶走的損耗(kW)；V′—冷卻流量(m3/s)；ρKf—冷卻液密度(kg/ m3)；cKf—冷卻液的比熱(Ws/k g·K)；ΔT—出、入口冷卻液的溫差(K)。

2.3.3 冷卻水道設(shè)計(jì)

冷卻水道采用軸向流通、圓周均勻分布水道，其截面如圖14所示。冷卻水道設(shè)計(jì)主要考慮以下因素：(1)冷卻液在水道內(nèi)分布均勻，避免冷卻死角；(2)水道內(nèi)冷卻液體流速均勻，冷卻水流速不應(yīng)高于2m/s；(3)需保證足夠散熱面積和機(jī)械強(qiáng)度；(4)進(jìn)、出水口壓差需滿足水泵要求。

圖14 冷卻水道截面

對(duì)水道進(jìn)行流體場(chǎng)仿真，結(jié)果見圖15。由仿真結(jié)果可知，進(jìn)出水口壓差為12kPa，滿足水泵要求，水道內(nèi)平均流速為1.2m/s，能夠較好地帶走熱量。

圖15 流體場(chǎng)仿真云圖

2.3.4 溫度場(chǎng)仿真

建立電機(jī)三維有限元模型，將電機(jī)損耗加在各部位。電機(jī)各部位損耗為：繞組銅耗為2235W，定子鐵耗1650W，機(jī)械損耗600W，雜散損耗480W，仿真結(jié)果見圖16。由仿真結(jié)果可知，定子繞組最高溫度為150°，平均溫升124K，定子鐵心溫升62.5K，軸承溫升55K，均距離限值有較大的安全裕量。

圖16 溫度場(chǎng)仿真云圖

3 樣機(jī)試驗(yàn)

永磁同步牽引電動(dòng)機(jī)樣機(jī)，如圖17所示。制造完成后，按照GB/T 25123.4制定試驗(yàn)大綱，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，包括例行試驗(yàn)、型式試驗(yàn)和研究性試驗(yàn)。試驗(yàn)項(xiàng)目包括冷狀態(tài)下絕緣電阻測(cè)定、定子繞組冷狀態(tài)下直流電阻的測(cè)量、旋轉(zhuǎn)變壓器功能檢查、齒槽轉(zhuǎn)矩的測(cè)取、空轉(zhuǎn)試驗(yàn)、空載反電勢(shì)的測(cè)取、三相穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、特性試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向測(cè)量、超速試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、防失磁能力校核試驗(yàn)、噪音測(cè)量、熱態(tài)下定子繞組對(duì)機(jī)座絕緣電阻測(cè)量、定子繞組對(duì)機(jī)座耐電壓試驗(yàn)、抗失磁能力試驗(yàn)、稱重。各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果滿足GB/T 25123.4標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖17 100%低地板車輛用永磁同步牽引電動(dòng)機(jī)

其中，額定溫升試驗(yàn)時(shí)，通過熱阻法得到定子繞組平均溫升， 定子鐵心和軸承的溫度通過溫度傳感器PT100測(cè)得，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比見表4。由表4可知，電動(dòng)機(jī)溫升試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，能夠較好地滿足工程化應(yīng)用需求。

表4 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 與異步牽引電動(dòng)機(jī)對(duì)比

4.1 主要參數(shù)對(duì)比

電動(dòng)機(jī)機(jī)械接口與異步牽引電動(dòng)機(jī)完全一致，可完全替代異步牽引電動(dòng)機(jī)。與異步牽引電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)對(duì)比見表5。

表5 永磁同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)對(duì)比

由表5可知，與異步牽引電動(dòng)機(jī)相比，永磁同步牽引電動(dòng)機(jī)重量減少12.9%，額定效率提升3%，輕量化和效率優(yōu)勢(shì)明顯。

4.2 效率對(duì)比

與異步牽引電機(jī)相比，永磁電機(jī)不僅在額定點(diǎn)具有較高的效率，在運(yùn)行全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均具有較高的效率，尤其是低速階段效率優(yōu)勢(shì)更明顯。圖18為永磁牽引電機(jī)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的效率MAP圖，圖19為異步牽引電機(jī)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的效率MAP圖，永磁與異步牽引電機(jī)效率對(duì)比見表6。由于低地板車輛站間距短，車輛頻繁啟停，在常用工作區(qū)間內(nèi)永磁電機(jī)平均效率比異步電機(jī)高12%。

表6 永磁與異步電動(dòng)機(jī)效率對(duì)比

圖18 100%低地板車輛用永磁同步牽引電動(dòng)機(jī)效率MAP圖

圖19 100%低地板車輛用異步牽引電動(dòng)機(jī)效率MAP圖

5 結(jié)語

地面試驗(yàn)完成后，電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了裝車試驗(yàn)考核，目前已經(jīng)完成線路各項(xiàng)考核試驗(yàn)并正式運(yùn)營(yíng)。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)考核中，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，溫升較低。通過試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)表明，電動(dòng)機(jī)性能完全達(dá)到技術(shù)要求，節(jié)能效果顯著。在能源和環(huán)境問題日益突出的今天，具有高效率和輕量化、小型化特點(diǎn)的永磁同步電動(dòng)機(jī)在軌道交通行業(yè)將會(huì)得到越來越多的應(yīng)用。