軌道交通新型永磁同步牽引電機的設計與比較

錢曙杰

(蘇州市軌道交通集團有限公司， 215004， 蘇州∥高級工程師)

0 前言

牽引電機是軌道交通車輛牽引系統(tǒng)的核心部件之一。由于電氣化牽引技術(shù)的無污染、零排放性能受到了越來越多的關注，因而對牽引電機也提出了更高的要求[1]。

目前,軌道交通行業(yè)使用的牽引電機類型主要有直流電機、交流異步電機和永磁同步電機。早期直流電機因為其控制簡單而處于主流地位。隨著電機控制技術(shù)的發(fā)展，交流異步電機逐漸取代了直流電機。交流異步電機以其結(jié)構(gòu)簡單、應用成熟，成為了目前軌道交通車輛牽引電機的主流。然而，交流異步電機工作時轉(zhuǎn)子勵磁電流會產(chǎn)生轉(zhuǎn)子銅耗，導致電機整體運行效率較低[2]。

隨著軌道交通列車對節(jié)能減排要求的不斷提高，永磁同步牽引技術(shù)也在快速發(fā)展當中。永磁同步電機轉(zhuǎn)子使用永磁體勵磁，無需額外的勵磁電流，通過合理設計磁負荷，可以提高永磁同步電機的功率密度，因此其具有廣域高效、高功率密度、高功率因數(shù)、質(zhì)量輕和體積小等特點[3-4]。

永磁同步電機從永磁體的安裝位置可進一步分為表貼式和內(nèi)置式兩種。對于表貼式電機有以下幾個特點：①永磁體固定在轉(zhuǎn)子表面，制造相對容易;②在高速工況下永磁體的線速度大、離心力大，永磁體固定的機械強度設計難度大;③表貼式電機永磁體直接位于氣隙中，豐富的諧波磁場在永磁體中產(chǎn)生的渦流發(fā)熱加劇永磁體退磁風險，同時各種故障工況可能引起的反向退磁磁場沒有旁路而直接作用在永磁體上，更容易引起永磁體的退磁;④從電機參數(shù)看，d、q軸磁路磁阻相同，電感相同，磁阻轉(zhuǎn)矩幾乎為零，弱磁擴速能力較弱。相比之下，內(nèi)置式電機將永磁體嵌入鐵心內(nèi)部，雖然永磁磁路中因為隔磁橋的設計導致磁路存在一定的漏磁，但此時永磁同步電機中q軸和d軸電感差異較大,導致磁阻轉(zhuǎn)矩較高,因此，能在高速弱磁區(qū)提供更大的轉(zhuǎn)矩，同時機械強度方面更容易適應高速工況[5-6]。內(nèi)置式永磁電機的以上特點在軌道交通應用工況中都具有極大的優(yōu)勢，現(xiàn)已成為軌道交通車輛電機的主流形式。

基于上述背景，本文在傳統(tǒng)永磁牽引電機(內(nèi)置式)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的基礎上，設計了一種新型雙層轉(zhuǎn)子磁路拓撲，通過設置多層磁路充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，以提高轉(zhuǎn)矩電流比。該類電機被稱為新型少磁化永磁同步電機。此外，由于該電機無需勵磁電流建立磁場，實現(xiàn)了牽引工作區(qū)的廣域高效，同時可以降低永磁體引起的反電勢。對比組選擇現(xiàn)有的異步電機方案，在保持外特性和外形結(jié)構(gòu)尺寸的約束下，通過磁路優(yōu)化，比較分析電機各方面性能。

1 設計參數(shù)對比

線路工況的外特性要求如圖1所示。新型永磁牽引電機的外形尺寸要求不超過異步電機，具體的主要設計參數(shù)對比如表1所示。設計時，控制器輸入?yún)?shù)，使外特性參數(shù)保持一致;電樞直徑的變化主要考慮到新型少磁化永磁同步電機極對數(shù)增加;定子軛厚度可以適當減小，對應可適當提高電樞直徑來增加轉(zhuǎn)矩密度。

圖1 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性

表1 新型少磁化永磁同步電機和傳統(tǒng)永磁電機參數(shù)對比

2 新型少磁化永磁同步電機的關鍵電磁參數(shù)選擇設計

2.1 新型反電勢的設計

新型少磁化永磁同步電機的反電勢是聯(lián)系逆變器和電動機之間的橋梁，它對電機的性能和系統(tǒng)參數(shù)的選擇影響較大。一方面,為合理選擇電機的反電勢，須從反電勢對逆變器控制的影響、電動機的電流、外特性工作區(qū)，效率、功率因數(shù)分布、逆變器容量和電動機體積等多角度進行分析比較。另一方面，為保護逆變器功率器件的安全，電機最高轉(zhuǎn)速下的反電勢峰值不得超過直流母線過電壓保護動作設定值。滿足該約束時，有時需要考慮降低永磁體用量來降低永磁磁鏈，這樣對應的轉(zhuǎn)矩電流比下降會導致逆變器容量的增加。因此從電機設計角度需要考慮,應通過增加磁阻轉(zhuǎn)矩來提高轉(zhuǎn)矩電流比的方式來避免提高逆變器的容量。

2.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設計

新型少磁化永磁同步電機的轉(zhuǎn)子拓撲的主要參數(shù)化變量如圖2所示。相比傳統(tǒng)內(nèi)置式永磁同步電機，新型少磁化永磁同步電機影響磁路的參數(shù)較多。其一大優(yōu)勢即通過多層磁路的合理布局來提高q軸磁路的順暢性Lq，降低d軸磁路的順暢性Ld，來增加磁阻轉(zhuǎn)矩。

圖2 新型少磁化永磁同步電機的轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型

永磁體尺寸的選擇既要考慮反電勢不超過逆變器的最大允許值，又要考慮磁負荷的合理性以及抗退磁能力。隔磁障的形狀優(yōu)化十分關鍵，直接影響磁路的磁阻參數(shù)，進而影響電感參數(shù)和磁阻轉(zhuǎn)矩的大小。其設計的基本原則是:q軸磁路盡量均勻、通暢，同時隔磁橋厚度選取也要綜合考慮轉(zhuǎn)子的機械強度約束。整個轉(zhuǎn)子的優(yōu)化是通過多變量、多目標反復迭代的過程。

3 綜合性能比較

3.1 電機轉(zhuǎn)子構(gòu)造比較

新型和傳統(tǒng)的兩種電機轉(zhuǎn)子徑向構(gòu)造如圖3所示。軌道交通驅(qū)動用異步電機轉(zhuǎn)子需要能夠承受高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和溫度上升產(chǎn)生的熱應力。其焊接銅轉(zhuǎn)子的加工通常采用如下方式：首先，將銅導體插入轉(zhuǎn)子槽;然后,將導體壓緊使其固定在轉(zhuǎn)子上;接著把短接環(huán)作為導體的兩端進行再釬焊、表面切削和平滑;最后保持環(huán)嵌合，形成能夠承受離心力的構(gòu)造。因此，軌道交通驅(qū)動用異步電機的轉(zhuǎn)子與一般工業(yè)用鑄鋁轉(zhuǎn)子相比，制造工序較為復雜。而永磁轉(zhuǎn)子采用內(nèi)置式構(gòu)造，只需將永磁體嵌入槽內(nèi)并做相應固定，故制造較為簡單。

圖3 新型和傳統(tǒng)的兩種電機轉(zhuǎn)子的徑向結(jié)構(gòu)對比

在傳統(tǒng)異步電機中，鼠籠導條伸出轉(zhuǎn)子鐵心部分隨著轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)攪拌空氣會產(chǎn)生較大機械損耗和噪音。而永磁電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)完整的圓柱狀表面和平整的端面減少了空氣摩擦，其機械損耗和噪音都有所降低。兩種電機的電磁物料質(zhì)量對比如表2所示。傳統(tǒng)異步電機定子銅重較大的原因是跨距增加1倍以及疊高大20 mm導致。傳統(tǒng)異步電機轉(zhuǎn)子伸出鐵心端的額外質(zhì)量導致整體轉(zhuǎn)子質(zhì)量要比永磁電機大40%,使其總質(zhì)量要比永磁電機大21%。

3.2 空載反電勢分析

新型少磁化永磁電機在最高轉(zhuǎn)速下的空載反電勢如圖4所示。相比配套的牽引逆變器，其工作電壓留有裕量,以保證逆變器的安全性。另外,設計時轉(zhuǎn)子采用斜極方式來降低反電勢的諧波畸變和降低轉(zhuǎn)矩脈動。

表2 兩種電機的電磁物料質(zhì)量對比 單位:kg

圖4 空載反電勢分析

3.3 轉(zhuǎn)矩特性分析

新型少磁化永磁同步電機的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：

(1)

式中：

Tem——電磁轉(zhuǎn)矩;

p——極對數(shù);

Ψm——永磁磁鏈;

Ld、Lq——分別為d、q軸電感;

id、iq——d、q軸電流。

兩種電機的轉(zhuǎn)矩電流特性基本相同,如圖5所示，其轉(zhuǎn)矩大致與電流成正比例。其中新型少磁化永磁電機隨著電流的增加,轉(zhuǎn)矩增加的比例略大。其主要原因是式(1)中磁阻轉(zhuǎn)矩分量中的idiq隨電流的提高呈平方增加而導致的。

圖6給出了兩種電機在峰值電流下的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線以及對應的設計目標,同時對新型少磁化永磁電機的永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩分量進行分解。

比較新型少磁化永磁電機轉(zhuǎn)矩分量發(fā)現(xiàn)，兩種電機工作區(qū)均能滿足技術(shù)要求,恒轉(zhuǎn)矩區(qū)永磁轉(zhuǎn)矩占比約為45%左右。隨著轉(zhuǎn)速的增加電機的反電勢增加，當達到控制器電壓的限制值后，開始弱磁；此時永磁合成磁鏈的下降導致永磁轉(zhuǎn)矩分量下降，同時反向弱磁電流磁場降低了磁路的飽和程度，Ld、Lq、(Lq-Lq)均有提高，并且idiq隨著負載電流角的增加同樣有所增加,因而導致磁阻轉(zhuǎn)矩在發(fā)生弱磁后上升。隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加以及弱磁深度增加，(Lq-Lq)也繼續(xù)增加，但同時idiq隨著內(nèi)功率因數(shù)角的增加而減小，并且幅度超過(Lq-Lq)，此時磁阻轉(zhuǎn)矩呈下降趨勢。在峰值轉(zhuǎn)速時磁阻轉(zhuǎn)矩占比接近60%,說明多層磁路結(jié)構(gòu)有利于增加磁阻轉(zhuǎn)矩含量。

圖5 兩種電機的轉(zhuǎn)矩電流特性

圖6 兩種電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性及轉(zhuǎn)矩分量

3.4 損耗比較

兩種電機在轉(zhuǎn)距-轉(zhuǎn)速曲線上對應的功率損耗分布見圖7所示。首先，傳統(tǒng)異步電機的轉(zhuǎn)子銅耗將近5 kW,約占總損耗的20%。該損耗直接導致異步機產(chǎn)生較高的轉(zhuǎn)子溫升。其次，傳統(tǒng)異步電機定子銅耗將達約新型少磁化永磁電機的2倍。其主要原因是電阻的影響:傳統(tǒng)異步電機總體疊高長，同時跨距較大，導致電阻增加，匝數(shù)增加也直接導致電阻增加，故對應定子銅耗較大。另外,機械損耗方面如上文所述，傳統(tǒng)異步電機轉(zhuǎn)子的開口槽和伸出轉(zhuǎn)子鐵心的銅條在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的額外機械損耗均要大于新型少磁化永磁電機?？傮w上看，在實際牽引工況下，新型少磁化永磁電機的總損耗約是傳統(tǒng)異步電機的一半左右。

a) 新型少磁化永磁電機功率損耗分布

b) 傳統(tǒng)異步電機功率損耗分布

3.5 兩種電機在實際線路上運行能耗比較

在上述基礎上，對比了兩種電機在典型實際線路上運行時的能耗情況。圖8為某地鐵線路AW3(超載)工況下對應的電機轉(zhuǎn)矩-時間轉(zhuǎn)速-時間曲線圖。其總運行時間為2.2 h，列車速度為40 km/h，行程90.4 km。

圖8 AW3工況對應的傳統(tǒng)電機轉(zhuǎn)矩-時間、轉(zhuǎn)速-時間曲線

圖9 a)、圖9 b)列出了兩種電機的效率分布圖，并在圖中標示出了線路工作點?？梢园l(fā)現(xiàn)牽引電機的實際工作區(qū)域相對比較固定。恒轉(zhuǎn)矩區(qū)屬于大負載工況，高速區(qū)集中在高速低轉(zhuǎn)矩的惰行工況為主。圖9 c)繪制了兩種電機的效率差值分布圖?？梢园l(fā)現(xiàn)新型少磁化永磁電機實際工作點對應效率均要優(yōu)于傳統(tǒng)異步電機，尤其在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)效率要優(yōu)于傳統(tǒng)異步電機5%～13%。這個區(qū)域也屬于耗能占比較大的區(qū)域。以上對比均表明,新型少磁化永磁電機廣域高效的特點在實際的地鐵線路中有較好的發(fā)揮。

a) 新型少磁化永磁電機效率分布圖

b) 傳統(tǒng)異步電機效率分布圖

c) 新型少磁化永磁電機與傳統(tǒng)異步電機效率差值

由表3可以發(fā)現(xiàn)：通過對比單電機的全程線路能耗，在可再生能量100%回收的情況下，新型少磁化永磁電機的平均能量利用率比傳統(tǒng)異步電機提高了7%左右，全程線路能耗相比傳統(tǒng)異步電機低32%，但全程線路節(jié)能效果還需要考慮控制器和齒輪箱的損耗差異再進行綜合評估。

表3 單電機全程線路能耗對比

4 結(jié)論

1) 相同外特性下新型少磁化永磁電機總電磁材料質(zhì)量可以減輕21%左右。

2) 新型少磁化永磁電機固有的低轉(zhuǎn)子損耗，達到整個牽引工作區(qū)廣域高效的目的，工作點的總損耗約是傳統(tǒng)異步電機的50%。通過對比單電機的全程線路能耗，可再生能量在100%回收的情況下，平均能量利用率提高約7%；綜合線路工況、能量回收等情況，可使地鐵列車綜合節(jié)能率預測達20%～30%。

3) 新型少磁化永磁電機通過特殊的磁路設計，具有較高的凸極比，可以充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)少磁化設計，減少對稀土材料的依賴程度，有效降低了電機成本。