永磁直驅(qū)牽引電機(jī)磁鋼分段對(duì)軸承溫升的影響*

孫德強(qiáng)，李嘉賓，倪 偉，吳 楠，張江濤

（中車(chē)永濟(jì)電機(jī)有限公司，西安 710016）

軌道車(chē)輛直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)的齒輪箱傳動(dòng)技術(shù)，具有傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)是將驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接與車(chē)輛車(chē)軸連接，牽引電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，減少了車(chē)輪與車(chē)軸之間的傳動(dòng)齒輪箱，精簡(jiǎn)了機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使車(chē)輛效率更高，質(zhì)量更輕，噪聲也得到了減小。中國(guó)鐵路總公司在2017 年開(kāi)展了大功率永磁直驅(qū)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究，研究車(chē)輛采用了直驅(qū)式永磁同步電動(dòng)機(jī)，某公司承接了該項(xiàng)目中牽引電機(jī)的研制工作［1］。電機(jī)試制完成后，進(jìn)行了研究性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示電機(jī)運(yùn)行性能能夠滿(mǎn)足車(chē)輛要求，然而軸承處溫度較高，溫升超限。電機(jī)軸承處溫升過(guò)高會(huì)影響軸承壽命，增加運(yùn)行過(guò)程中的機(jī)械損耗，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致電機(jī)故障。因此，有必要尋找一種能夠有效降低電機(jī)軸承溫升的方法來(lái)解決電機(jī)中軸承溫升超限問(wèn)題。

研究以解決永磁直驅(qū)牽引電機(jī)軸承溫升超限問(wèn)題為目的，對(duì)比分析了多種降低軸承溫升的方法，選出了一種能夠不影響電機(jī)性能且不改變電機(jī)結(jié)構(gòu)的軸承降溫方案—磁鋼分段技術(shù)；采用理論分析和有限元仿真相結(jié)合的方法分析了磁鋼分段對(duì)渦流損耗的影響機(jī)理，結(jié)合制造工藝確定了合適的分段數(shù)量；對(duì)磁鋼分段前后的試驗(yàn)樣機(jī)分別進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)溫升試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證磁鋼分段技術(shù)的降溫效果和磁鋼分段數(shù)量的合理性。

1 改善軸承溫升的方案選擇

電機(jī)溫升的降低方案一般從2 方面著手，一方面是設(shè)法減少電機(jī)的損耗，以便減少損耗產(chǎn)生的熱量；另一方面是提高電機(jī)的散熱能力，改進(jìn)冷卻方法［2］。本電機(jī)是采用強(qiáng)迫通風(fēng)方式冷卻，且電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)確定，難以通過(guò)增加散熱能力的方法來(lái)降低溫升。而電機(jī)定子損耗與電源諧波、電磁參數(shù)及運(yùn)行工況有關(guān)，為保證電機(jī)性能，電機(jī)定子損耗難以得到有效的降低，且定子損耗的降低對(duì)軸承的溫升影響很小，所以排除降低定子損耗的方法。轉(zhuǎn)子損耗是轉(zhuǎn)子溫升的直接影響因素，且轉(zhuǎn)子與軸承直接接觸，轉(zhuǎn)子損耗會(huì)直接影響到軸承溫升。因此，為有效地降低軸承溫升，降低轉(zhuǎn)子損耗是一種比較合理的技術(shù)手段。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)降低永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子損耗的方法進(jìn)行了大量探索。劉富貴等［3］研究了不同層數(shù)集中繞組及磁鋼圓周分段下表貼式永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子損耗，對(duì)比了轉(zhuǎn)子d、q軸開(kāi)槽對(duì)轉(zhuǎn)子損耗的影響，得出定子采用多層繞組及轉(zhuǎn)子圓周軸向分段能夠降低轉(zhuǎn)子損耗且轉(zhuǎn)子q軸開(kāi)槽較d軸開(kāi)槽更有利于削弱轉(zhuǎn)子損耗。路文開(kāi)等［4］研究了不同的充磁方向?qū)Ω咚匐姍C(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗造成的影響，得出空載條件下，徑向充磁方式轉(zhuǎn)子渦流損耗較小，負(fù)載增加時(shí)，平行充磁方式轉(zhuǎn)子渦流損耗較小。張德金等［5］進(jìn)行了SPWM 逆變器供電條件下以降低轉(zhuǎn)子渦流損耗為目標(biāo)的電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，揭示了電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的規(guī)律，提出了通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)抑制轉(zhuǎn)子渦流損耗的具體策略。王曉遠(yuǎn)等［6］提出了一種在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)的磁鋼表面覆蓋銅板的方式來(lái)減少磁鋼損耗的方法，并通過(guò)有限元分析和電機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。孫德強(qiáng)等［7］以一臺(tái)機(jī)車(chē)牽引電機(jī)為基礎(chǔ)，研究了磁鋼分段對(duì)內(nèi)置式永磁電機(jī)的影響規(guī)律。上述研究為降低轉(zhuǎn)子渦流損耗提供了多種有效措施，綜合比較能夠發(fā)現(xiàn)，磁鋼分段能夠在不影響電機(jī)其他性能的基礎(chǔ)上降低磁鋼渦流損耗。由于磁鋼轉(zhuǎn)子多為封閉結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子散熱條件不夠好，較少的渦流損耗也將導(dǎo)致軸承處產(chǎn)生較大的溫升，因此降低電機(jī)磁鋼的渦流損耗即可降低電機(jī)軸承溫升。且磁鋼分段方式不需要改變電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，對(duì)于已經(jīng)確定的電機(jī)方案來(lái)說(shuō)比較方便。因此，最終確定采用磁鋼分段的方案來(lái)降低軸承溫升。

2 轉(zhuǎn)子渦流損耗的理論分析

為研究磁鋼分段對(duì)電機(jī)溫升的影響，需要找出磁鋼分段對(duì)渦流損耗的影響規(guī)律，因此要先對(duì)磁鋼渦流損耗的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析。

磁場(chǎng)諧波在磁鋼內(nèi)形成渦流損耗的透入深度為式（1）：

式中：δ為透入深度；ω為諧波角頻率；μ為磁導(dǎo)率；σ為電 導(dǎo) 率。

當(dāng)透入深度大于磁鋼的磁化方向長(zhǎng)度和寬度時(shí)，諧波電流將貫穿整個(gè)磁鋼，而磁鋼電導(dǎo)率較高，永磁電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，諧波電流容易貫穿整個(gè)磁鋼，所以可將磁鋼作為電導(dǎo)體進(jìn)行分析。將磁鋼作為一個(gè)激勵(lì)電導(dǎo)體，長(zhǎng)和寬分別是2a和2b，磁鋼長(zhǎng)和寬的等效電阻分別是Ra和Rb。磁鋼分段后長(zhǎng)和寬的等效電阻發(fā)生變化，磁鋼渦流也發(fā)生變化，磁鋼分段前后等效電阻的變化如圖1 所示。

圖1 磁鋼分段前后的效果對(duì)比

由圖1 可以看出，磁鋼分段增加了磁鋼的等效電阻。將磁鋼內(nèi)的渦流等效為理想電流模型，根據(jù)文獻(xiàn)［8-9］對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗理論的研究，可以將圖1 中磁鋼分段前后的渦流損耗表示為式（2）～式（4）：

式中：C為系數(shù)；Φ為穿過(guò)整個(gè)磁鋼的磁通；N為分段數(shù)量；P、P1、P2分別為磁鋼未分段、磁鋼徑向分段和磁鋼軸向分段時(shí)的轉(zhuǎn)子渦流損耗。

由轉(zhuǎn)子渦流損耗的表達(dá)式可以看出，磁鋼分段后表達(dá)式的分母變大，說(shuō)明磁鋼分段后的渦流損耗要小于分段前的渦流損耗；且N值越大，表達(dá)式數(shù)值越小，說(shuō)明磁鋼分段數(shù)越多，渦流損耗越小，即渦流損耗隨磁鋼分段數(shù)目的增加而逐漸減小；渦流損耗隨磁鋼分段數(shù)量大致呈反比例關(guān)系。

3 磁鋼分段對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響

由上節(jié)對(duì)磁鋼分段機(jī)理的理論分析可知磁鋼分段數(shù)量越多，渦流損耗越小，然而在實(shí)際生產(chǎn)中，磁鋼分段會(huì)導(dǎo)致工藝成本的增加，且磁鋼分段數(shù)量達(dá)到一定程度后，隨著分段數(shù)的增加，磁鋼渦流損耗減少不再明顯。因此，要結(jié)合工藝成本和渦流損耗來(lái)選擇磁鋼的分段數(shù)目。為找出經(jīng)濟(jì)合理的磁鋼分段數(shù)量，對(duì)磁鋼不同分段數(shù)量下的渦流損耗進(jìn)行了有限元仿真。

仿真以已經(jīng)生產(chǎn)出的樣機(jī)為基礎(chǔ)模型，電機(jī)的鐵心長(zhǎng)度是550 mm，根據(jù)加工工藝選擇的磁鋼軸向長(zhǎng)度是55 mm，相當(dāng)于已將磁鋼進(jìn)行了軸向分段，分段數(shù)量是10?？紤]到裝配強(qiáng)度和加工難度等因素的影響，在電機(jī)軸向分為10 段的基礎(chǔ)上對(duì)磁鋼進(jìn)行徑向分段，研究分段數(shù)量對(duì)渦流損耗的影響。磁鋼徑向長(zhǎng)度是92 mm，結(jié)合制造工藝及加工成本與分段數(shù)量的關(guān)系。將分段數(shù)量定為1、2、4、10，則磁鋼徑向長(zhǎng)度分別是92、46、23、9.2 mm。在有限元軟件中對(duì)電機(jī)進(jìn)行建模，電機(jī)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)按照電機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)置，建好的分段模型如圖2 所示。

圖2 磁鋼徑向分段模型

樣機(jī)中所采用的磁鋼剩磁密度為1.05 T，相對(duì)磁導(dǎo)率1.07，電導(dǎo)率1 282 051 s/m。設(shè)置激勵(lì)方式為正弦電流源（配套變頻器），仿真條件見(jiàn)表1。

表1 有限元仿真條件

按照仿真條件對(duì)有限元模型進(jìn)行加載計(jì)算，仿真出的磁鋼渦流損耗分布云圖如圖3 所示。

圖3 磁鋼徑向分段渦流損耗分布云圖

對(duì)仿真出的磁鋼渦流損耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出電機(jī)渦流損耗隨分段數(shù)量的變化曲線(xiàn)，如圖4 所示。從圖4 中可以看出：磁鋼渦流損耗隨著磁鋼徑向分段數(shù)量的增大而逐漸減小，且效果明顯；隨著磁鋼分段數(shù)量的增加，渦流損耗的下降趨勢(shì)漸趨平緩；說(shuō)明分段數(shù)量達(dá)到一定程度后，分段數(shù)量增多對(duì)渦流損耗的影響逐漸變小，即渦流損耗隨分段數(shù)量的變化曲線(xiàn)存在拐點(diǎn)，超過(guò)拐點(diǎn)后，分段數(shù)量對(duì)渦流損耗的影響變化不明顯；徑向分段數(shù)為10 時(shí)，渦流損耗降低為徑向未分段損耗的18.5%，且分段數(shù)量10 在曲線(xiàn)的拐點(diǎn)左右；該仿真結(jié)果與上節(jié)的理論分析規(guī)律一致，考慮到分段數(shù)量為10時(shí)，在工藝和降低渦流損耗效果上都比較理想，最終決定采用分段數(shù)量為10 的降溫升方案。

圖4 渦流損耗隨徑向分段數(shù)量的變化曲線(xiàn)

4 磁鋼分段前后的軸承溫升對(duì)比試驗(yàn)

為驗(yàn)證磁鋼分段對(duì)電機(jī)軸承的降溫效果及所選分段數(shù)量的合理性，進(jìn)行磁鋼分段前后樣機(jī)的長(zhǎng)時(shí)溫升試驗(yàn)。

試驗(yàn)主要通過(guò)對(duì)比磁鋼分段前后軸承處的溫升，驗(yàn)證磁鋼分段對(duì)電機(jī)軸承的降溫效果，按照確定的分段數(shù)量生產(chǎn)出磁鋼徑向分10 段的試驗(yàn)樣機(jī)，如圖5 所示。對(duì)磁鋼徑向未分段和磁鋼徑向分10 段2 種電機(jī)分別進(jìn)行額定工況下的長(zhǎng)時(shí)溫升試驗(yàn)。試驗(yàn)條件是：電機(jī)轉(zhuǎn)速353 r/min，配套變頻器供電，正弦電流源，電流頻率41 Hz，電流幅值476 A。該試驗(yàn)條件是電機(jī)額定工況運(yùn)行時(shí)軸承溫升最嚴(yán)酷工況，條件苛刻。試驗(yàn)中統(tǒng)計(jì)電機(jī)軸承處的溫升值，試驗(yàn)在軸承處溫升值穩(wěn)定后結(jié)束，試驗(yàn)結(jié)束后軸承處的溫升數(shù)據(jù)如圖6 所示。

圖5 試驗(yàn)樣機(jī)

圖6 磁鋼分段前后軸承處溫升對(duì)比

對(duì)比溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：磁鋼徑向分段后傳動(dòng)端軸承處溫升值由53 K 降低到40.8 K，溫升值降低12.2 K，降幅達(dá)23%；非傳動(dòng)端軸承處溫升值由64.7 K 降低到53.7 K，溫升值降低11 K，降幅達(dá)17%；電機(jī)傳動(dòng)端和非傳動(dòng)端軸承處的溫升值降低到項(xiàng)目要求的限值以?xún)?nèi)；試驗(yàn)說(shuō)明電機(jī)磁鋼分段后，軸承處的溫升值有所降低，且降溫效果明顯；2種電機(jī)只在磁鋼分段方面有區(qū)別，其他完全一致，在電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)不變和性能不受影響的條件下降低了電機(jī)軸承溫升；說(shuō)明采用磁鋼分段方案降溫效果明顯且磁鋼分段數(shù)量合理。

5 結(jié) 論

針對(duì)永磁直驅(qū)牽引電機(jī)軸承溫升超限的問(wèn)題，分析選擇了磁鋼分段技術(shù)來(lái)降低軸承溫升；通過(guò)理論研究與有限元分析相結(jié)合的方法找到了渦流損耗隨磁鋼分段數(shù)量的變化機(jī)制，結(jié)合生產(chǎn)工藝確定了合理的磁鋼分段數(shù)量。最后通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證了采用磁鋼分段技術(shù)后的降溫效果，使電機(jī)的軸承溫升達(dá)到了項(xiàng)目要求，證明了磁鋼分段數(shù)量的合理性和磁鋼分段方案的可行性。

磁鋼分段技術(shù)的成功應(yīng)用解決了溫升超限的問(wèn)題，文中將理論研究、有限元分析和制造工藝相結(jié)合來(lái)確定分段數(shù)量的分析方法，及磁鋼分段方案的成功應(yīng)用對(duì)以后研究永磁電機(jī)相關(guān)問(wèn)題具有重要的參考價(jià)值。