傅雪軍, 楊婷莉, 王曉元

(1 中車大同電力機(jī)車有限公司 研究院, 山西大同 037038;2 大同市賽誠(chéng)軌道交通設(shè)備有限責(zé)任公司， 山西大同 037038)

大功率永磁直驅(qū)機(jī)車整車功率7 200 kW，永磁直驅(qū)最大的特點(diǎn)是取消齒輪箱，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩直接傳遞到車輪上，整個(gè)牽引系統(tǒng)的傳動(dòng)效率提升約2%～3%，并且消除齒輪箱驅(qū)動(dòng)噪聲、潤(rùn)滑、密封等方面的維護(hù)保養(yǎng)和檢修的問題，降低機(jī)車的運(yùn)用維修費(fèi)用，消除齒輪箱開裂、漏油等傳動(dòng)系統(tǒng)慣性故障。

作為永磁直驅(qū)電力機(jī)車的關(guān)鍵性部件永磁同步電機(jī)在其效率提升方面起著至關(guān)重要的作用，永磁同步電機(jī)以其高功率密度、高功率因數(shù)、高過載能力等優(yōu)點(diǎn)受到軌道交通牽引系統(tǒng)研發(fā)人員的高度重視。歐洲和日本等軌道交通裝備制造強(qiáng)國(guó)紛紛開展永磁同步牽引系統(tǒng)的研制，目前已完成了樣機(jī)試制、線路試驗(yàn)考核，正逐步進(jìn)入工程化和商業(yè)化的推廣應(yīng)用階段。我國(guó)在此領(lǐng)域還處于研究階段。

與異步牽引電機(jī)相比，在軌道交通領(lǐng)域采用永磁同步牽引電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)效率高；

(2)功率密度高；

(3)過載能力強(qiáng)；

(4)全生命周期費(fèi)用低；

(5)便于采用全封閉結(jié)構(gòu)；

(6)有利于采用直驅(qū)傳動(dòng)方式。

雖然永磁同步牽引電機(jī)有如此之多的優(yōu)點(diǎn)，但其電機(jī)結(jié)構(gòu)，電磁設(shè)計(jì)還有其溫升考核都是設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，解決好這幾方面的問題決定著電機(jī)設(shè)計(jì)的成功與否。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

永磁直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī)，采用臥式、密封結(jié)構(gòu)、內(nèi)轉(zhuǎn)子、空心軸結(jié)構(gòu)，兩端軸承支撐安裝。其中散熱采用轉(zhuǎn)子密封、定子強(qiáng)迫通風(fēng)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子封閉結(jié)構(gòu)提高電機(jī)冷卻效果的同時(shí)兼顧了轉(zhuǎn)子密封而傳統(tǒng)的永磁電機(jī)一般采用水冷或機(jī)殼表面冷卻等全密封結(jié)構(gòu)，散熱效果有限。電機(jī)通過端面齒傳力盤與輪對(duì)空心軸聯(lián)接。其中電機(jī)的三維示意圖和電機(jī)風(fēng)路示意如圖1所示。

圖1 電機(jī)三維及風(fēng)路圖

1.1 定子部分

電機(jī)定子部分機(jī)座采用全疊片焊接結(jié)構(gòu)，通過拉板將疊片、兩端鑄造定子壓圈連接起來，焊接形成機(jī)座主體，外部薄板與拉板間空隙形成通風(fēng)道，為更好的對(duì)氣隙部分進(jìn)行冷卻，在定子鐵心齒部設(shè)計(jì)通風(fēng)道，如圖2所示。

1.2 轉(zhuǎn)子部分

轉(zhuǎn)子采用V形磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過兩端壓圈與轉(zhuǎn)子沖片形成鐵心，再由不銹鋼材料的永磁體擋板壓圈將永磁體固定在槽內(nèi)，磁鋼槽采用硅橡膠灌封。如圖3所示轉(zhuǎn)子三維示意圖。

圖2 定子三維及齒部通風(fēng)道示意圖

永磁材料:

磁鋼選用N38EH牌號(hào)，考慮到裝配問題，磁鋼軸向分為10塊，總計(jì)280塊，質(zhì)量252 kg。磁鋼性能如表1。

圖3 轉(zhuǎn)子三維示意圖

表1 磁鋼性能表

1.3 電機(jī)零件部件外形圖

圖4 電機(jī)三維及零部件外形圖

2 電磁設(shè)計(jì)

(1)體積、質(zhì)量

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，電動(dòng)機(jī)的有效體積與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩成正比，因此采用帶齒輪箱的傳動(dòng)方式，電動(dòng)機(jī)體積和質(zhì)量較小，這也是目前在直流傳動(dòng)和異步電動(dòng)機(jī)為牽引電動(dòng)機(jī)的交流傳動(dòng)所采用的傳統(tǒng)傳動(dòng)方式。

但當(dāng)取消齒輪箱后，傳動(dòng)比μ為1，為保證車輛的牽引力，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為所帶齒輪箱時(shí)的轉(zhuǎn)矩乘以傳動(dòng)比，相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速除以傳動(dòng)比。

由于電動(dòng)機(jī)的有效體積與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩成正比，因此采用取消齒輪箱的傳動(dòng)方式與帶齒輪箱的電機(jī)相比，轉(zhuǎn)矩?cái)U(kuò)大μ倍，在相同的 電磁負(fù)荷條件下，電動(dòng)機(jī)體積和質(zhì)量也擴(kuò)大μ倍。

表2 電機(jī)零部件表

在軌道牽引中，由于電機(jī)的體積受輪徑大小和軌距的限制，因此要求電機(jī)體積小，同時(shí)由于電機(jī)質(zhì)量大部分作用在輪對(duì)上，為減小其對(duì)軌道的沖擊，也要求電機(jī)的質(zhì)量輕。

這種原理上質(zhì)量重、體積大與實(shí)際應(yīng)用所要求的質(zhì)量輕、體積小之間存在的矛盾給電機(jī)設(shè)計(jì)帶來巨大的挑戰(zhàn)。

依照現(xiàn)有的永磁技術(shù)方案，鐵心體積比為1.48倍，電機(jī)體積比為1.6倍，質(zhì)量比為1.42倍。永磁電機(jī)的高功率密度使其可以實(shí)現(xiàn)低速、大轉(zhuǎn)矩牽引，實(shí)現(xiàn)直驅(qū)牽引。如表3，是同功率的永磁電機(jī)和異步電機(jī)的技術(shù)參數(shù)比對(duì)，而且此方案永磁電機(jī)技術(shù)參數(shù)也是在此異步電機(jī)參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行提出的。

表3 永磁電機(jī)與異步電機(jī)技術(shù)參數(shù)對(duì)比

備注：異步電機(jī)傳動(dòng)比：120：23 輪徑：1 250 mm

(2)反電勢(shì)

永磁電機(jī)存在反電勢(shì)，使其在高速運(yùn)行時(shí)需要進(jìn)行弱磁控制。受電子元器件耐壓峰值限制，需平衡電機(jī)的特性及反電勢(shì)。

(3)轉(zhuǎn)子磁路

永磁電機(jī)工作時(shí)存在永磁轉(zhuǎn)矩及磁阻轉(zhuǎn)矩，合理的在轉(zhuǎn)子沖片上布局永磁體使電機(jī)獲得較高的永磁轉(zhuǎn)矩和因交直軸電抗差異產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩。需采用有限元分析進(jìn)行合理布局。

其中負(fù)載磁場(chǎng)的磁密分析結(jié)果見表3、圖5。

表4 負(fù)載磁密分析

圖5 負(fù)載磁密分析

根據(jù)相關(guān)電磁設(shè)計(jì)，可以得到如圖6電機(jī)的牽引特性曲線，其中機(jī)車速度在0～80 km/h，電機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行；80 km/h～160 km/h，電機(jī)恒功運(yùn)行。

圖6 牽引特性曲線

3 電機(jī)溫升

3.1 電機(jī)溫升仿真

電機(jī)一旦設(shè)計(jì)完成，除了電機(jī)特性考核外，電機(jī)溫升作為電機(jī)的一項(xiàng)特別重要的考核指標(biāo)，因此在電機(jī)設(shè)計(jì)之初對(duì)其進(jìn)行溫升仿真，仿真邊界條件如下：

轉(zhuǎn)速：353 r/min；風(fēng)量：1.2 m3/s；環(huán)境溫度：T=40 ℃； 各部分損耗：銅耗34.8 kW，定子鐵耗6.07 kW，轉(zhuǎn)子鐵耗 0.23 kW，仿真時(shí)未考慮電機(jī)外殼散熱情況，從溫升仿真結(jié)果可以看出溫升滿足相關(guān)要求(電機(jī)繞組溫升小于200 K)。

分析結(jié)果見表5、圖7。

表5 分析結(jié)果表

3.2 電機(jī)溫升及改造分析

3.2.1溫升結(jié)果

試驗(yàn)條件：轉(zhuǎn)速457 r/min、滿載轉(zhuǎn)矩25 242.6 N·m、風(fēng)量1.2 m3/s，環(huán)溫15.6 ℃。

試驗(yàn)結(jié)果：試驗(yàn)時(shí)間285 min，繞組最高溫度103.1 ℃溫升達(dá)到要求(同仿真結(jié)果相差不大)，但發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)端軸承溫升48.4 K，非傳動(dòng)端軸承84.4 K(軸承溫升限值80 K)，而且試驗(yàn)結(jié)束后非傳動(dòng)端軸承溫升并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。試驗(yàn)軸承溫升數(shù)據(jù)如表6。

因?yàn)閷?duì)于仿真無(wú)法對(duì)軸承的溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，因此在設(shè)計(jì)階段對(duì)其溫升對(duì)其作出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，通過反復(fù)溫升試驗(yàn)，可以得出非傳動(dòng)端軸承溫升高的原因如下：

(1)非傳動(dòng)端軸承溫升無(wú)法穩(wěn)定，其主要原因還是在于非傳動(dòng)軸承封閉導(dǎo)致熱無(wú)法散出，并且定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)腔、軸承等相互傳導(dǎo)熱量，而使其一直無(wú)法達(dá)到熱平衡。

(2)非傳動(dòng)端軸承溫升高是由于電機(jī)非傳動(dòng)端軸承的設(shè)計(jì)問題，設(shè)計(jì)問題表現(xiàn)在：①主要表現(xiàn)在非傳動(dòng)端是處在電機(jī)出風(fēng)口處其周圍環(huán)境溫度肯定高；②非傳動(dòng)軸承采用完全密封結(jié)構(gòu)；③非傳動(dòng)端軸承由于周圍溫度高還在其端部放置旋轉(zhuǎn)變壓器從而進(jìn)一部阻礙了其散熱；④非傳動(dòng)端采用了絕緣端蓋(絕緣端蓋內(nèi)部有絕緣層導(dǎo)致散熱非常差)從而也阻止了其散熱效果；⑤設(shè)計(jì)之出欠于考慮軸承的機(jī)械損耗，認(rèn)為軸承得機(jī)械損耗小。

(3)綜合各種原因，應(yīng)該是使用絕緣端蓋導(dǎo)致電機(jī)非傳動(dòng)端軸承高的最終原因。

圖7 電機(jī)剖面溫度分布/K

表6 試驗(yàn)軸承溫升數(shù)據(jù)

3.2.2電機(jī)改造溫升結(jié)果

通過對(duì)其各種工況下的溫升分析，現(xiàn)對(duì)直驅(qū)電機(jī)傳動(dòng)端和非傳動(dòng)端端蓋換成了非絕緣端蓋，并進(jìn)行最高轉(zhuǎn)速下的軸承溫升試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：轉(zhuǎn)速706 r/min、滿載、風(fēng)量1.2 m3/s、環(huán)溫15.1 ℃，通過試驗(yàn)(如表7)可以看出傳送端軸承溫升為43.8 K；非傳動(dòng)端軸承溫升53.1 K，可以看出軸承溫度符合要求。

3.2.3軸承腐蝕分析

由于高壓下產(chǎn)生的感應(yīng)電對(duì)軸承會(huì)產(chǎn)生腐蝕，在設(shè)計(jì)之初采用軸承外圍絕緣端蓋對(duì)其保護(hù)，但由于現(xiàn)在需要將絕緣端蓋更換成非絕緣端蓋，因此需要對(duì)其軸電壓進(jìn)行測(cè)量和分析。

表7 電機(jī)改造后軸承溫升數(shù)據(jù)

測(cè)量工況：變流器供電額定參數(shù)空載運(yùn)行U=1 660 V，n=353 r/min，測(cè)量結(jié)果如圖8。

從波形可以看出，軸電壓最大值B=0.44 V、最小值A(chǔ)=-0.44 V，電壓差值B-A=0.88 V，可以看出軸電壓非常低，遠(yuǎn)小于廠家給出的軸承電壓10 V的要求。

4 永磁電機(jī)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

作為永磁電機(jī)相比異步電機(jī)最突出的優(yōu)勢(shì)在于其效率，如表8是永磁電機(jī)試驗(yàn)各個(gè)速度點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以明顯的看出其在高速段的電機(jī)效率非常高，因此在實(shí)際運(yùn)行在綠色節(jié)能環(huán)保方面有非常大的優(yōu)勢(shì)。

圖8 353 r/min轉(zhuǎn)軸兩端電壓

表8 電機(jī)各速度點(diǎn)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

作為永磁直驅(qū)電力機(jī)車的關(guān)鍵性部件永磁同步牽引電機(jī)，在電機(jī)進(jìn)行改造之后，各項(xiàng)參數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行穩(wěn)定，但此不代表此款電機(jī)設(shè)計(jì)完美，在電機(jī)的質(zhì)量和反電勢(shì)方面還有很多需要優(yōu)化的空間，后續(xù)還將繼續(xù)研究。

目前裝用永磁同步牽引電機(jī)大功率永磁機(jī)車已經(jīng)組裝完成正在進(jìn)行調(diào)試階段，準(zhǔn)備進(jìn)行型式試驗(yàn)。