低地板車直驅(qū)永磁電機性能計算與機械特性分析

曹 江

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島）

概述

低地板車以其便捷、節(jié)能環(huán)保、方便舒適等優(yōu)點，成為目前城市內(nèi)地面軌道交通發(fā)展的重要方向，越來越多的國家、城市正大力發(fā)展低地板車軌道交通。我國低地板車的研究起步較晚，但發(fā)展迅速，特別是相關(guān)企業(yè)先后引進了國外先進技術(shù)，帶動我國低地板車技術(shù)突發(fā)猛進，技術(shù)體系得到巨大進步和創(chuàng)新。但我國地形復(fù)雜多樣，環(huán)境氣候變化多端，且人口密度大，較之國外應(yīng)用領(lǐng)域有較大的差別[1-2]，因此，開展低地板車直驅(qū)永磁電機多工況、高指標運行的研究對于適應(yīng)我國運輸實際情況具有重要的意義。

1 直驅(qū)永磁電機的結(jié)構(gòu)及主要工況性能計算

1.1 電機結(jié)構(gòu)及主要工況

本文研究的低地板車驅(qū)動電機采用直驅(qū)形式，位于車輪旁邊，每個車輪有1 臺電機驅(qū)動，電機額定功率為46.6 kW，電機的轉(zhuǎn)速與車輪旋轉(zhuǎn)速度一致，轉(zhuǎn)速較低，額定運行轉(zhuǎn)速為196 r/min。電機轉(zhuǎn)子采用永磁結(jié)構(gòu)，磁鋼安裝方式為表貼式，其二維截面示意圖見圖1。

圖1 直驅(qū)永磁電機的截圖示意

直驅(qū)永磁電機的不同運行工況數(shù)據(jù)如下：

（1）額定狀態(tài)：額定功率46.6 kW、額定電壓392 V、額定電流142 A、額定轉(zhuǎn)速196 r/min、額定頻率72 Hz。

（2）最大去磁狀態(tài)：功率46.6 kW、電壓392 V、轉(zhuǎn)速706 r/min、轉(zhuǎn)矩630 r/min。

1.2 電機額定狀態(tài)工作性能計算

根據(jù)給定的額定狀態(tài)數(shù)據(jù)作為已知的輸入條件，通過電磁程序仿真分析[3]，可以計算出電機的主要參數(shù)和工作特性，見表1。

從表1 可以看出，計算電流值140.24 A，與給定值相比誤差-1.24%，計算轉(zhuǎn)矩2 267.11 N.m，與給定值相比誤差為-0.127%，計算精度滿足工程應(yīng)用的要求。

表1 電機額定狀態(tài)下的主要參數(shù)和工作特性

電機額定狀態(tài)時輸出功率為46.6 kW，效率為76.15%，則總損耗為11.114 1 kW。

若采用冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)流量為13 L/min 時，冷卻介質(zhì)的溫升為

1.3 電機最大去磁狀態(tài)工作性能計算

根據(jù)給定的最大去磁狀態(tài)數(shù)據(jù)作為已知的輸入條件，通過電磁程序仿真分析，可以計算出電機的主要參數(shù)和工作特性，見表2。

表2 電機最大去磁狀態(tài)下的主要參數(shù)和工作特性

從表2 可以看出，計算轉(zhuǎn)矩630.645 N.m，與給定值相比誤差為0.17%，計算精度滿足工程應(yīng)用的要求。

2 直驅(qū)永磁電機的機械特性分析

2.1 直驅(qū)永磁電機的機械強度分析

建立低地板車直驅(qū)永磁電機的機械強度仿真模型[4]，電機采用四角接觸懸掛在轉(zhuǎn)向架上，設(shè)定對應(yīng)的邊界條件和負載，機殼四角為懸掛部位，采用固定約束，加載包括自身重量、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩和軸向沖擊等負載，不考慮電機溫升的影響，見圖2。

圖2 電機機械強度計算模型及邊界條件

圖3 為電機的變形分布圖，機殼四角固定約束，變形量為0，最大變形量為0.005 15 mm，位于機殼四角懸掛處的對面，從總體分布趨勢來看，變形量從懸掛四角沿機殼圓周方向輻射到電機尺寸最遠端逐漸增大到最大。

圖3 變形分布

圖4 為電機的等效應(yīng)力分布圖，可以看出，懸掛處的等效應(yīng)力最高，最大值為8.8 Mpa，且受重力方向的影響，上面兩個懸掛角的等效應(yīng)力相對下面兩個懸掛角要高，機殼其他部位的等效應(yīng)力很小。

圖4 電機整體等效應(yīng)力分布

圖5 為電機定子鐵心的等效應(yīng)力分布圖，可以看出，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在鐵心的邊緣位置，最大值為1.24 Mpa，從鐵心軛部向齒部應(yīng)力逐漸減小。

圖5 電機定子鐵心等效應(yīng)力分布

圖6 為電機轉(zhuǎn)子部件的等效應(yīng)力分布圖，可以看出，由于轉(zhuǎn)子承受電機的電磁力矩，且均勻分布在轉(zhuǎn)子表面，所以轉(zhuǎn)子部件的等效應(yīng)力在圓周方向上分布比較均勻，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子內(nèi)圓與轉(zhuǎn)軸接觸的地方，最大值為1.55 Mpa，受電磁力矩的影響，轉(zhuǎn)子等效應(yīng)力比定子鐵心要高，最大等效應(yīng)力高出0.31 Mpa。

圖6 電機轉(zhuǎn)子部件等效應(yīng)力分布

圖7 為電機轉(zhuǎn)軸的等效應(yīng)力分布圖，可以看出，由于轉(zhuǎn)子承受來自輪對的軸向沖擊負載，最大等效應(yīng)力為2.28 Mpa，相對轉(zhuǎn)子鐵心增加了0.74 Mpa，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子內(nèi)圓與轉(zhuǎn)軸接觸的地方。

圖7 電機轉(zhuǎn)軸等效應(yīng)力分布

2.2 直驅(qū)永磁電機的熱應(yīng)力分析

與上節(jié)分析電機機械強度的計算模型一樣，不同之處是在進行熱應(yīng)力分析時計入了電機溫升的影響[5]。

表3 為考慮電機溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力對機械強度影響的數(shù)據(jù)對比。從表中可以看出，考慮熱應(yīng)力后最大變形量為0.083 4 mm，與圖3 相比，考慮溫升影響后電機的變形量增加了16 倍，最大變形位置為機殼冷卻水道出水口位置，由于該位置由較大面積的空氣區(qū)域，厚度相對其他位置要薄，所以變形量較大，同時，由于冷卻水管在機殼內(nèi)周向均勻分布，導(dǎo)致機殼內(nèi)有水道的地方結(jié)構(gòu)相對其他地方偏薄，變形量基本與管道形狀吻合。懸掛處的等效應(yīng)力相對較小，機殼內(nèi)部材料受溫升影響，熱應(yīng)力占比重大，機械應(yīng)力相對較小，最大等效應(yīng)力為415.2 Mpa，比不考慮溫升影響的機械應(yīng)力增加了近50 倍，但低于所用材料的屈服強度。定子鐵心最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在鐵心的邊緣位置，最大值為415.21 Mpa，從鐵心軛部向齒部應(yīng)力逐漸減小，分布趨勢與圖5 類似。轉(zhuǎn)子部件的等效應(yīng)力在圓周方向上分布比較均勻，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子內(nèi)圓與轉(zhuǎn)軸接觸的地方，最大值為269 Mpa，轉(zhuǎn)子等效應(yīng)力比定子鐵心要低，這是由于轉(zhuǎn)子溫升比定子溫升低引起的。由于受轉(zhuǎn)子鐵心熱應(yīng)力的影響，轉(zhuǎn)軸的等效應(yīng)力也相應(yīng)增加，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子內(nèi)圓與轉(zhuǎn)軸接觸的地方，最大等效應(yīng)力為129.55 Mpa，與圖7 相比，最大等效應(yīng)力增加了近50 倍。

表3 考慮熱應(yīng)力后機械強度數(shù)據(jù)對比

3 結(jié)論

本文針對適應(yīng)我國運輸實際情況的低地板車直驅(qū)永磁電機多工況、高指標運行開展研究，分析了電機額定運行工況和最大去磁工況的性能分析，其性能滿足工程實際運行需求，此外，通過機械強度分析可知，各材料的機械強度和熱應(yīng)力均在材料強度允許范圍之內(nèi)，考慮溫升影響后的熱應(yīng)力分析可知，溫升對電機機械強度的影響相對負載的沖擊要高很多，設(shè)計時應(yīng)考慮熱應(yīng)力的影響，核算各部件的最大等效應(yīng)力是否超出材料的屈服極限強度，對從事該領(lǐng)域的研究工作者提供一定的參考價值。