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(中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南株洲412001)

0 引言

低地板車輛由于其造價低、方便乘客上下等優(yōu)勢，在世界各地大量應(yīng)用[1]。目前國內(nèi)越來越多的城市在進行低地板線路建設(shè)或規(guī)劃，低地板車輛已經(jīng)成為城市軌道交通的一個研究熱點。低地板車輛由于其車廂地板低，傳動系統(tǒng)安裝空間較小，加之其運行于路面，對環(huán)境適應(yīng)性有較強要求，因此牽引電動機需滿足下列條件[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；(4)全封閉結(jié)構(gòu)；(5)維護工作量少或免維護；(6)噪音低。與異步電機相比，永磁同步牽引電動機具有體積小、重量輕、高效節(jié)能、輕量化、過載能力強、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性好及振動噪音低等優(yōu)點[3]。低地板車輛采用永磁同步電動機作為牽引電機，除節(jié)約能耗外，更能提高乘客舒適性、減少電機維護工作量，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機，現(xiàn)針對其關(guān)鍵技術(shù)方案進行研究，開發(fā)樣機完成相關(guān)試驗并進行了裝車考核，試驗證明，與異步牽引電動機相比，永磁同步牽引電動機在重量、節(jié)能效果等方面具有明顯的優(yōu)勢。

1 設(shè)計要求

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

電動機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 電動機參數(shù)

1.2 牽引、制動特性

電動機牽引特性要求見圖1，制動特性要求見圖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，永磁同步電動機轉(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。

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

(2)利用d、q軸磁路不對稱所產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，可以提高電動機的過載能力和轉(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，結(jié)構(gòu)堅固可靠；

(4)可以減小逆變器容量。

基于以上特點，電動機采用內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)。

2.1.2 極數(shù)

電機極數(shù)越多，電機的體積和重量越小。同時，極數(shù)太多會使電機在最高轉(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，所以電機極數(shù)不宜過高。綜合分析，本電機的極數(shù)取8極。

2.1.3 沖片內(nèi)徑選擇

在相同的電磁負荷情況下，電機的轉(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)線圈鼻部和機座之間必須保留適當(dāng)?shù)碾姎忾g隙；

(2)電機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)生的一個使電機轉(zhuǎn)子停在穩(wěn)定位置的作用力，是永磁電機的一種固有特性。過大的齒槽轉(zhuǎn)矩會引起振動、噪聲并影響控制的精度，降低齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機設(shè)計的一個重要任務(wù)。降低開口槽永磁同步電機齒槽轉(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、分數(shù)槽繞組等[4]。從考慮制造工藝、電機可靠性等方面考慮，本電動機采用分數(shù)槽繞組降低齒槽轉(zhuǎn)矩。

永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩的解析表達式為[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—氣隙磁密沿圓周的分布函數(shù)；Z—槽數(shù)；p—極對數(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，使一個周期γ越大，可有效削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。

圖3為本電動機齒槽轉(zhuǎn)矩波形。由圖3可知，電動機齒槽轉(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

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

根據(jù)永磁同步牽引電機設(shè)計經(jīng)驗，采用均勻氣隙時，氣隙磁密諧波含量較大，從而導(dǎo)致電機諧波損耗大，電機溫升偏高。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

永磁同步電動機作為車輛牽引電機，要求具有較小的體積尺寸和重量，電機氣隙磁密高、熱負荷高，電機內(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)具有一定的機械強度，能承受電機運行時的振動、沖擊等。

綜合以上三點，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\營過程中不出現(xiàn)失磁是永磁電機設(shè)計的重要任務(wù)，在永磁電機設(shè)計過程中必須考慮運行最惡劣的工況：三相突然短路工況下永磁體是否失磁，并在型式試驗中依據(jù)GB/T 25123.4[7]中8.2進行“防失磁能力校核試驗”。電動機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，進行電磁場有限元分析，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℃時無“拐點”，而電動機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失磁，能夠滿足車輛運營要求。

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

電動機為全封閉水冷結(jié)構(gòu)，防護等級IP54，當(dāng)車輛在路面運行時能夠有效地防止灰塵、雜質(zhì)等進入電機內(nèi)部。電動機主要由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、軸承等幾部分構(gòu)成。

2.2.1 定子

定子主要由水冷機殼、鐵心、繞組及絕緣系統(tǒng)構(gòu)成。水冷機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殼中。整個定子具有良好的電氣、機械性能和優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。電動機采用熱分級為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)子組裝完成后進行動平衡校正，最大允許不平衡量達到GB/T 9239.1[8]的G2.5級。轉(zhuǎn)子采用內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)，沖片強度需滿足在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)軸采用高強度合金鋼，要求轉(zhuǎn)軸具有足夠的強度，能夠承受電機突然轉(zhuǎn)矩的沖擊，以及具有足夠的剛度，能保證運行可靠。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可知即使在電動機突然短路時，轉(zhuǎn)軸最薄弱處所需承受的應(yīng)力為400.17MPa，與強度極限之比為1.9，遠大于安全系數(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

軸承是牽引電動機重要部件，傳動端與非傳動端軸承均采用進口鐵路專用絕緣軸承。軸承采用脂潤滑，采用非接觸式迷宮密封。傳動端采用圓柱滾子軸承，非傳動端采用深溝球軸承，兩端軸承基本額定計算壽命L10均大于3000000公里，能夠滿足車輛長時運行要求。

2.3 冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3.1 水冷系統(tǒng)

電動機采用水冷，圖13為水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。一個轉(zhuǎn)向架上的2臺電機與制動電阻箱內(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)順序為水泵→散熱器1→電動機1→電動機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

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械強度；(4)進、出水口壓差需滿足水泵要求。

圖14 冷卻水道截面

對水道進行流體場仿真，結(jié)果見圖15。由仿真結(jié)果可知，進出水口壓差為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 流體場仿真云圖

2.3.4 溫度場仿真

建立電機三維有限元模型，將電機損耗加在各部位。電機各部位損耗為：繞組銅耗為2235W，定子鐵耗1650W，機械損耗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 溫度場仿真云圖

3 樣機試驗

永磁同步牽引電動機樣機，如圖17所示。制造完成后，按照GB/T 25123.4制定試驗大綱，對電動機進行了大量的試驗，包括例行試驗、型式試驗和研究性試驗。試驗項目包括冷狀態(tài)下絕緣電阻測定、定子繞組冷狀態(tài)下直流電阻的測量、旋轉(zhuǎn)變壓器功能檢查、齒槽轉(zhuǎn)矩的測取、空轉(zhuǎn)試驗、空載反電勢的測取、三相穩(wěn)態(tài)短路試驗、溫升試驗、特性試驗、轉(zhuǎn)向測量、超速試驗、振動試驗、防失磁能力校核試驗、噪音測量、熱態(tài)下定子繞組對機座絕緣電阻測量、定子繞組對機座耐電壓試驗、抗失磁能力試驗、稱重。各項試驗結(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機

其中，額定溫升試驗時，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測得，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比見表4。由表4可知，電動機溫升試驗結(jié)果與仿真結(jié)果相對誤差在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)果與試驗結(jié)果對比

4 與異步牽引電動機對比

4.1 主要參數(shù)對比

電動機機械接口與異步牽引電動機完全一致，可完全替代異步牽引電動機。與異步牽引電動機主要參數(shù)對比見表5。

表5 永磁同步電動機與異步電動機對比

由表5可知，與異步牽引電動機相比，永磁同步牽引電動機重量減少12.9%，額定效率提升3%，輕量化和效率優(yōu)勢明顯。

4.2 效率對比

與異步牽引電機相比，永磁電機不僅在額定點具有較高的效率，在運行全轉(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)勢更明顯。圖18為永磁牽引電機在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的效率MAP圖，圖19為異步牽引電機在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的效率MAP圖，永磁與異步牽引電機效率對比見表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)永磁電機平均效率比異步電機高12%。

表6 永磁與異步電動機效率對比

圖18 100%低地板車輛用永磁同步牽引電動機效率MAP圖

圖19 100%低地板車輛用異步牽引電動機效率MAP圖

5 結(jié)語

地面試驗完成后，電動機進行了裝車試驗考核，目前已經(jīng)完成線路各項考核試驗并正式運營。在現(xiàn)場試驗考核中，電機運行穩(wěn)定，溫升較低。通過試驗及現(xiàn)場運營表明，電動機性能完全達到技術(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、小型化特點的永磁同步電動機在軌道交通行業(yè)將會得到越來越多的應(yīng)用。