劉 鵬， 張佳峰, 于保華

(中車大同電力機(jī)車有限公司 技術(shù)中心， 山西大同 037038)

2017年10月大同公司聯(lián)合永濟(jì)電機(jī)公司與中國鐵路總公司簽訂科技研究開發(fā)計(jì)劃課題合同《機(jī)車車輛關(guān)鍵提升研究-大功率機(jī)車永磁直驅(qū)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究》，開展機(jī)車大功率永磁直驅(qū)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究和樣車研制工作。2018年11月大功率永磁直驅(qū)電力機(jī)車成功下線。該機(jī)車永磁直驅(qū)電傳動(dòng)系統(tǒng)采用獨(dú)立軸控變流器和永磁同步電機(jī)。變流器采用最大轉(zhuǎn)矩電流比和弱磁控制技術(shù)，轉(zhuǎn)矩控制精度高、諧波含量低。永磁同步電機(jī)效率和功率因素高，采用定子強(qiáng)迫通風(fēng)、全封閉轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，滿足運(yùn)用環(huán)境要求。系統(tǒng)采用了合理的反電勢(shì)抑制策略。

通過本項(xiàng)目，針對(duì)永磁直驅(qū)技術(shù)在機(jī)車上的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行研究與分析，構(gòu)建永磁直驅(qū)驅(qū)動(dòng)技術(shù)體系，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的應(yīng)用大功率永磁直驅(qū)電機(jī)的電力機(jī)車平臺(tái)。

1 永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

1.1 從整車方面對(duì)比永磁直驅(qū)方式的優(yōu)點(diǎn)

(1)整車效率高

由于采用永磁同步電機(jī)能提高牽引電機(jī)的效率，而取消齒輪箱也提高了牽引系統(tǒng)的傳動(dòng)效率，一級(jí)齒輪箱的傳動(dòng)效率一般為97.5%，當(dāng)取消該齒輪箱后，整個(gè)牽引系統(tǒng)的額定點(diǎn)效率提升約3%。從圖1可看出，在低速階段(30 km/h)，永磁電機(jī)與異步電機(jī)(帶齒輪箱)效率相當(dāng)；在中速階段(30～60 km/h )，永磁電機(jī)比異步電機(jī)(帶齒輪箱)高約2%；在60 km/h 以上，永磁電機(jī)比異步電機(jī)(帶齒輪箱)高約4%。在整個(gè)速度范圍內(nèi)，永磁同步電機(jī)的高效區(qū)遠(yuǎn)大于異步電機(jī)(帶齒輪箱)。

(2)運(yùn)用維護(hù)成本低

傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要定期更換齒輪油；輪對(duì)拆解時(shí)更換橡膠關(guān)節(jié)、緊固件等，軸承壽命到期更換等維護(hù)成本偏高。采用永磁直驅(qū)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之后，取消了齒輪箱，消除了因齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在導(dǎo)致的漏油、振動(dòng)等一系列問題，省去了齒輪箱的維護(hù)工作，只需定期對(duì)永磁電機(jī)進(jìn)行維修即可，降低了全壽命周期的成本。

永磁直驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件撓性板聯(lián)軸器無磨耗、其免維護(hù)周期可達(dá)C6修程，可以節(jié)約材料成本、人力資源成本及設(shè)備動(dòng)能成本。直驅(qū)結(jié)構(gòu)相比齒輪傳動(dòng)，具有較低的運(yùn)用成本，省去了表1所示的維護(hù)工作量。

圖1 永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)(帶齒輪箱)效率對(duì)比MAP圖

(3)良好的動(dòng)力學(xué)性能

較小的轉(zhuǎn)向架固定軸距和轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，有利于減輕輪軌沖擊和提升曲線通過能力、減輕輪緣磨耗。

(4)環(huán)保降噪

齒輪箱運(yùn)行時(shí)，會(huì)帶來很大的噪聲，尤其當(dāng)高速運(yùn)行時(shí)，因此當(dāng)取消齒輪箱后，可以徹底消除齒輪箱帶來的噪聲，提高了運(yùn)行的舒適度。同時(shí)由于取消了齒輪箱，避免了由于齒輪油泄漏導(dǎo)致的環(huán)境污染，也避免了廢齒輪油、廢橡膠關(guān)節(jié)回收、處理不當(dāng)造成的環(huán)境污染。

1.2 從電機(jī)方面對(duì)比永磁直驅(qū)方式的優(yōu)點(diǎn)

與異步電機(jī)相比，直驅(qū)永磁同步電機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)[1-3]：無勵(lì)磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)；定子銅耗相對(duì)較小，轉(zhuǎn)子無銅耗，電機(jī)效率高；電機(jī)采用多極結(jié)構(gòu)，空間、材料利用率高；在20%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率及功率因數(shù)。

表1 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)維護(hù)工作量

1、“√”表示需要維護(hù)。

2、*表示新造驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒輪油首次(磨合期)換油里程為2.5萬km，以后每20萬km或1 a(以先到為準(zhǔn))進(jìn)行換油。

1.3 永磁直驅(qū)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

永磁直驅(qū)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖2所示，圖2(b)為采用撓性板聯(lián)軸器的直驅(qū)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，圖3給出其扭矩傳遞過程。聯(lián)軸器空心軸兩端各設(shè)置一組撓性板，其中一端設(shè)置傳力盤，空心軸一端通過聯(lián)軸器與傳力銷連接，傳力銷壓裝到主動(dòng)車輪上，空心軸另一端通過聯(lián)軸器的端齒結(jié)構(gòu)與牽引電機(jī)輸出端用螺栓連成一體，牽引電機(jī)的扭矩通過聯(lián)軸器直接傳遞到車輪上。

采用直驅(qū)技術(shù)，最大優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)實(shí)現(xiàn)架懸，與滾抱式半懸掛相比，彈簧下質(zhì)量大幅降低，有利于減輕輪軌沖擊，降低輪軌動(dòng)作用力。同時(shí)，由于彈簧下質(zhì)量的降低，導(dǎo)致一系承載的載荷增加，動(dòng)撓度增大，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮一二系參數(shù)的匹配性。在滿足動(dòng)力學(xué)性能的前提下，應(yīng)提升一系彈簧的垂向剛度，否則將導(dǎo)致聯(lián)軸器直徑和變位能力要求增加，電機(jī)軸直徑增大且徑向位移增大，電機(jī)質(zhì)量相應(yīng)增加。直驅(qū)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)要求聯(lián)軸器能夠?qū)崿F(xiàn)徑向和軸向位移補(bǔ)償量，必須滿足轉(zhuǎn)向架一系懸掛和彈性架懸合成的位移要求。

圖2 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)形式

圖3 永磁直驅(qū)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)扭矩傳遞示意圖

2 永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)

永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)主要由高壓電器、牽引變壓器、主輔變流系統(tǒng)、輔助濾波系統(tǒng)、永磁同步電機(jī)組成。與異步牽引系統(tǒng)相比，主要變化為：用永磁同步電機(jī)代替異步電機(jī)，速度信號(hào)采集由旋轉(zhuǎn)變壓器代替光電速度傳感器；變流器需要進(jìn)行適應(yīng)性更改，采用新的控制策略；采用撓性板聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的齒輪箱或空心軸六連桿結(jié)構(gòu)；具體見表2。

2.1 牽引變流器

2.1.1牽引變流器原理

機(jī)車主電路采用兩整三逆共用中間回路的電路結(jié)構(gòu)，每臺(tái)機(jī)車設(shè)有2臺(tái)變流柜。同時(shí)變流器的中間回路給機(jī)車輔助變流器提供電源。

變壓器牽引繞組輸出的交流電壓通過預(yù)充電接觸器和主接觸器提供給四象限整流器。正常工作時(shí)，先閉合預(yù)充電接觸器通過預(yù)充電電阻為中間電路的支撐電容器充電，然后再閉合工作接觸器為四象限整流器正常工作提供電源，避免合閘瞬間中間回路所造成的大電流沖擊。

中間直流電路由儲(chǔ)能電路、測(cè)量及保護(hù)等電路構(gòu)成。儲(chǔ)能環(huán)節(jié)由支撐電容器組成，主要作用是穩(wěn)定中間回路電壓，向牽引電機(jī)提供無功功率，同時(shí)可對(duì)四象限脈沖整流器和電機(jī)逆變器產(chǎn)生的高次諧波進(jìn)行濾波。

表2 永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)與異步牽引系統(tǒng)的主要區(qū)別

三相逆變器將中間直流電壓通過調(diào)制，變換為電壓和頻率可變的三相交流電源，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)的特性控制。逆變器和永磁同步電機(jī)之間設(shè)計(jì)有隔離接觸器，該接觸器在變流器或永磁同步電機(jī)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)進(jìn)行分離，避免故障擴(kuò)大化；同時(shí)，在故障復(fù)位或高速重投時(shí)，避免反電勢(shì)沖擊。

2.1.2技術(shù)參數(shù)

牽引變流器的主要技術(shù)參數(shù)如下。

額定輸入電壓 1 450 V

額定輸入電流 907 A

最大輸入電流 1 008 A

頻率 50 Hz

中間標(biāo)稱電壓 DC 2 800 V

中間最高電壓 DC 3 200 V

輸出電壓 三相0～2 150 V

標(biāo)稱電壓 三相1 660 V

標(biāo)稱輸出電流 474 A

開關(guān)頻率 450 Hz(四象限)、

450 Hz(逆變器)

功率元件 4.5 kV/1 200 A IGBT

變流器效率 不小于97.5%

控制電壓 DC 110 V

波動(dòng)范圍 DC 77～137.5 V

冷卻方式 強(qiáng)迫水循環(huán)冷卻

2.1.3結(jié)構(gòu)及組成

牽引變流器的結(jié)構(gòu)及組成如圖4所示。變流器結(jié)構(gòu)采用單元化、模塊化、高低壓分區(qū)方式。箱體采用焊接加鉚接相結(jié)合的方式。

2.1.4反電勢(shì)應(yīng)對(duì)策略

變流器在正常運(yùn)行工況下，控制系統(tǒng)可以對(duì)電機(jī)反電勢(shì)進(jìn)行控制和抑制，電機(jī)反電勢(shì)對(duì)變流器部件沒有任何影響。只有在極端工況下，控制失效、隔離接觸器粘連、機(jī)車處于高速狀態(tài)下三者同時(shí)發(fā)生時(shí)，牽引電機(jī)反電勢(shì)才會(huì)對(duì)中間回路部件造成影響。變流器設(shè)計(jì)過程中要考慮在極端工況下，中間回路部件對(duì)反電勢(shì)的承受能力，保證部件的安全、可靠。如圖5所示，通過仿真分析了反電勢(shì)在機(jī)車最高速度下對(duì)變流器接觸器、功率模塊二極管、支撐電容的影響，通過器件選型保證在在極端工況下以上部件不會(huì)發(fā)生損壞。

圖4 變流器的結(jié)構(gòu)及組成

圖5 電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)對(duì)中間回路部件影響仿真波形

針對(duì)永磁同步電機(jī)反電勢(shì)問題，從優(yōu)化電機(jī)反電勢(shì)設(shè)計(jì)、增加隔離接觸器及優(yōu)化弱磁控制3個(gè)方面進(jìn)行了考慮。正常情況下通過“軟件+接觸器”配合，進(jìn)行邏輯控制、保護(hù)；一般情況下接觸器工作在無電流或小電流工況，安全可靠；當(dāng)電機(jī)有故障時(shí)，斷開隔離接觸器，機(jī)車動(dòng)力損失1/6；當(dāng)接觸器卡合，由于電機(jī)反電勢(shì)設(shè)計(jì)合理，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生危害。通過上述策略的實(shí)施，徹底解決了反電勢(shì)可能對(duì)系統(tǒng)的不利影響。

2.2 永磁同步電機(jī)

根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)原理，電機(jī)的有效體積與電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩成正比，本電機(jī)在電磁負(fù)荷相同的條件下的有效體積約是原電機(jī)的3.8倍，因此在現(xiàn)有機(jī)車的尺寸限界條件下，合理優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)、電磁參數(shù)，降低電機(jī)質(zhì)量、提高材料和空間利用率是本項(xiàng)目的研究重點(diǎn)。

電機(jī)采用臥式、內(nèi)轉(zhuǎn)子、空心軸結(jié)構(gòu)，兩端軸承支撐安裝。冷卻方式為定子強(qiáng)迫風(fēng)冷，轉(zhuǎn)子封閉結(jié)構(gòu)。電機(jī)通過端面齒傳力盤與輪對(duì)空心軸聯(lián)接。如圖6所示。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。本電機(jī)采用轉(zhuǎn)子密封、定子強(qiáng)迫通風(fēng)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。

2.2.1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、兩端鑄造定子壓圈聯(lián)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7、8所示。

圖6 永磁同步電機(jī)外形圖

圖7 定子三維示意圖

圖8 齒部通風(fēng)道示意圖

2.2.2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9所示。 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。

圖9 轉(zhuǎn)子三維示意圖

2.2.3減重設(shè)計(jì)

本電機(jī)為直驅(qū)永磁電機(jī)，在保證電機(jī)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，對(duì)電機(jī)進(jìn)行減重優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(1)采用鑄鋁端蓋。

(2)采用多極設(shè)計(jì)，增加電樞直徑，降低定、轉(zhuǎn)子軛部和繞組端部尺寸。

(3)定、轉(zhuǎn)子鐵心增加減重孔。

(4)采用薄壁空心軸結(jié)構(gòu)。

3 牽引系統(tǒng)地面組合試驗(yàn)及裝車驗(yàn)證

依據(jù)GB/T 25123.4標(biāo)準(zhǔn)，完成電機(jī)型式試驗(yàn)；依據(jù)IEC 61377標(biāo)準(zhǔn)，完成1 200 kW永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)組合試驗(yàn)。通過對(duì)比性研究試驗(yàn)，直驅(qū)永磁系統(tǒng)在效率、溫升、諧波含量方面都要優(yōu)于異步系統(tǒng)；在轉(zhuǎn)矩精度、電流波動(dòng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面和異步系統(tǒng)相當(dāng)。圖10、圖11給出了理論和實(shí)測(cè)的牽引制動(dòng)特性曲線，在全速度范圍內(nèi)，各速度點(diǎn)的測(cè)量轉(zhuǎn)矩均在規(guī)定值的95%～105%范圍內(nèi)，符合要求。

牽引系統(tǒng)滿級(jí)牽引3臺(tái)電機(jī)負(fù)載，輔變系統(tǒng)帶250 kVA負(fù)載，在額定轉(zhuǎn)速353 r/min時(shí)，系統(tǒng)熱態(tài)效率曲線如圖12所示，大于88%。

圖10 理論和實(shí)測(cè)牽引特性曲線

圖11 理論和實(shí)測(cè)制動(dòng)特性曲線

圖12 熱態(tài)下的系統(tǒng)效率曲線

牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)完成地面組合試驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)裝車應(yīng)用，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖13、圖14所示。該機(jī)車采用功率1 200 kW 永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)輪對(duì)技術(shù)和大功率永磁同步電機(jī)牽引傳動(dòng)變流和控制技術(shù)，機(jī)車總效率從0.85提升到0.88以上，維護(hù)周期長，高效節(jié)能環(huán)保。

圖13 地面組合試驗(yàn)實(shí)物圖

圖14 大功率永磁直驅(qū)機(jī)車滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)實(shí)物圖

4 結(jié) 論

目前，我國鐵路機(jī)車都是采用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，而永磁同步牽引傳動(dòng)具有轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、過載能力強(qiáng)、功率密度高、效率高、功率因數(shù)高，以及噪聲低、結(jié)構(gòu)多樣、全封閉等技術(shù)性能，對(duì)于提高牽引功率、節(jié)能降耗、減少維修量、提高舒適度和可靠性，以及實(shí)現(xiàn)直驅(qū)傳動(dòng)等方面具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因此采用永磁直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的機(jī)車是未來機(jī)車技術(shù)發(fā)展的新方向。

大功率高效能永磁直驅(qū)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究及其在機(jī)車上的成功應(yīng)用將使中國大功率電力機(jī)車技術(shù)水平達(dá)到國際領(lǐng)先水平，是繼交流傳動(dòng)替代直流傳動(dòng)后又一新的重大技術(shù)跨越，將引領(lǐng)未來機(jī)車車輛的技術(shù)發(fā)展方向。