錢(qián)曙杰

(蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司， 215004， 蘇州∥高級(jí)工程師)

0 前言

牽引電機(jī)是軌道交通車(chē)輛牽引系統(tǒng)的核心部件之一。由于電氣化牽引技術(shù)的無(wú)污染、零排放性能受到了越來(lái)越多的關(guān)注，因而對(duì)牽引電機(jī)也提出了更高的要求[1]。

目前,軌道交通行業(yè)使用的牽引電機(jī)類(lèi)型主要有直流電機(jī)、交流異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)。早期直流電機(jī)因?yàn)槠淇刂坪?jiǎn)單而處于主流地位。隨著電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，交流異步電機(jī)逐漸取代了直流電機(jī)。交流異步電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用成熟，成為了目前軌道交通車(chē)輛牽引電機(jī)的主流。然而，交流異步電機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子銅耗，導(dǎo)致電機(jī)整體運(yùn)行效率較低[2]。

隨著軌道交通列車(chē)對(duì)節(jié)能減排要求的不斷提高，永磁同步牽引技術(shù)也在快速發(fā)展當(dāng)中。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子使用永磁體勵(lì)磁，無(wú)需額外的勵(lì)磁電流，通過(guò)合理設(shè)計(jì)磁負(fù)荷，可以提高永磁同步電機(jī)的功率密度，因此其具有廣域高效、高功率密度、高功率因數(shù)、質(zhì)量輕和體積小等特點(diǎn)[3-4]。

永磁同步電機(jī)從永磁體的安裝位置可進(jìn)一步分為表貼式和內(nèi)置式兩種。對(duì)于表貼式電機(jī)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①永磁體固定在轉(zhuǎn)子表面，制造相對(duì)容易;②在高速工況下永磁體的線速度大、離心力大，永磁體固定的機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)難度大;③表貼式電機(jī)永磁體直接位于氣隙中，豐富的諧波磁場(chǎng)在永磁體中產(chǎn)生的渦流發(fā)熱加劇永磁體退磁風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)各種故障工況可能引起的反向退磁磁場(chǎng)沒(méi)有旁路而直接作用在永磁體上，更容易引起永磁體的退磁;④從電機(jī)參數(shù)看，d、q軸磁路磁阻相同，電感相同，磁阻轉(zhuǎn)矩幾乎為零，弱磁擴(kuò)速能力較弱。相比之下，內(nèi)置式電機(jī)將永磁體嵌入鐵心內(nèi)部，雖然永磁磁路中因?yàn)楦舸艠虻脑O(shè)計(jì)導(dǎo)致磁路存在一定的漏磁，但此時(shí)永磁同步電機(jī)中q軸和d軸電感差異較大,導(dǎo)致磁阻轉(zhuǎn)矩較高,因此，能在高速弱磁區(qū)提供更大的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)機(jī)械強(qiáng)度方面更容易適應(yīng)高速工況[5-6]。內(nèi)置式永磁電機(jī)的以上特點(diǎn)在軌道交通應(yīng)用工況中都具有極大的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為軌道交通車(chē)輛電機(jī)的主流形式。

基于上述背景，本文在傳統(tǒng)永磁牽引電機(jī)(內(nèi)置式)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型雙層轉(zhuǎn)子磁路拓?fù)?，通過(guò)設(shè)置多層磁路充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，以提高轉(zhuǎn)矩電流比。該類(lèi)電機(jī)被稱為新型少磁化永磁同步電機(jī)。此外，由于該電機(jī)無(wú)需勵(lì)磁電流建立磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了牽引工作區(qū)的廣域高效，同時(shí)可以降低永磁體引起的反電勢(shì)。對(duì)比組選擇現(xiàn)有的異步電機(jī)方案，在保持外特性和外形結(jié)構(gòu)尺寸的約束下，通過(guò)磁路優(yōu)化，比較分析電機(jī)各方面性能。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

線路工況的外特性要求如圖1所示。新型永磁牽引電機(jī)的外形尺寸要求不超過(guò)異步電機(jī)，具體的主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比如表1所示。設(shè)計(jì)時(shí)，控制器輸入?yún)?shù)，使外特性參數(shù)保持一致;電樞直徑的變化主要考慮到新型少磁化永磁同步電機(jī)極對(duì)數(shù)增加;定子軛厚度可以適當(dāng)減小，對(duì)應(yīng)可適當(dāng)提高電樞直徑來(lái)增加轉(zhuǎn)矩密度。

圖1 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性

表1 新型少磁化永磁同步電機(jī)和傳統(tǒng)永磁電機(jī)參數(shù)對(duì)比

2 新型少磁化永磁同步電機(jī)的關(guān)鍵電磁參數(shù)選擇設(shè)計(jì)

2.1 新型反電勢(shì)的設(shè)計(jì)

新型少磁化永磁同步電機(jī)的反電勢(shì)是聯(lián)系逆變器和電動(dòng)機(jī)之間的橋梁，它對(duì)電機(jī)的性能和系統(tǒng)參數(shù)的選擇影響較大。一方面,為合理選擇電機(jī)的反電勢(shì)，須從反電勢(shì)對(duì)逆變器控制的影響、電動(dòng)機(jī)的電流、外特性工作區(qū)，效率、功率因數(shù)分布、逆變器容量和電動(dòng)機(jī)體積等多角度進(jìn)行分析比較。另一方面，為保護(hù)逆變器功率器件的安全，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速下的反電勢(shì)峰值不得超過(guò)直流母線過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作設(shè)定值。滿足該約束時(shí)，有時(shí)需要考慮降低永磁體用量來(lái)降低永磁磁鏈，這樣對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩電流比下降會(huì)導(dǎo)致逆變器容量的增加。因此從電機(jī)設(shè)計(jì)角度需要考慮,應(yīng)通過(guò)增加磁阻轉(zhuǎn)矩來(lái)提高轉(zhuǎn)矩電流比的方式來(lái)避免提高逆變器的容量。

2.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型少磁化永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子拓?fù)涞闹饕獏?shù)化變量如圖2所示。相比傳統(tǒng)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，新型少磁化永磁同步電機(jī)影響磁路的參數(shù)較多。其一大優(yōu)勢(shì)即通過(guò)多層磁路的合理布局來(lái)提高q軸磁路的順暢性Lq，降低d軸磁路的順暢性Ld，來(lái)增加磁阻轉(zhuǎn)矩。

圖2 新型少磁化永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)化模型

永磁體尺寸的選擇既要考慮反電勢(shì)不超過(guò)逆變器的最大允許值，又要考慮磁負(fù)荷的合理性以及抗退磁能力。隔磁障的形狀優(yōu)化十分關(guān)鍵，直接影響磁路的磁阻參數(shù)，進(jìn)而影響電感參數(shù)和磁阻轉(zhuǎn)矩的大小。其設(shè)計(jì)的基本原則是:q軸磁路盡量均勻、通暢，同時(shí)隔磁橋厚度選取也要綜合考慮轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度約束。整個(gè)轉(zhuǎn)子的優(yōu)化是通過(guò)多變量、多目標(biāo)反復(fù)迭代的過(guò)程。

3 綜合性能比較

3.1 電機(jī)轉(zhuǎn)子構(gòu)造比較

新型和傳統(tǒng)的兩種電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向構(gòu)造如圖3所示。軌道交通驅(qū)動(dòng)用異步電機(jī)轉(zhuǎn)子需要能夠承受高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和溫度上升產(chǎn)生的熱應(yīng)力。其焊接銅轉(zhuǎn)子的加工通常采用如下方式：首先，將銅導(dǎo)體插入轉(zhuǎn)子槽;然后,將導(dǎo)體壓緊使其固定在轉(zhuǎn)子上;接著把短接環(huán)作為導(dǎo)體的兩端進(jìn)行再釬焊、表面切削和平滑;最后保持環(huán)嵌合，形成能夠承受離心力的構(gòu)造。因此，軌道交通驅(qū)動(dòng)用異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子與一般工業(yè)用鑄鋁轉(zhuǎn)子相比，制造工序較為復(fù)雜。而永磁轉(zhuǎn)子采用內(nèi)置式構(gòu)造，只需將永磁體嵌入槽內(nèi)并做相應(yīng)固定，故制造較為簡(jiǎn)單。

圖3 新型和傳統(tǒng)的兩種電機(jī)轉(zhuǎn)子的徑向結(jié)構(gòu)對(duì)比

在傳統(tǒng)異步電機(jī)中，鼠籠導(dǎo)條伸出轉(zhuǎn)子鐵心部分隨著轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)攪拌空氣會(huì)產(chǎn)生較大機(jī)械損耗和噪音。而永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)完整的圓柱狀表面和平整的端面減少了空氣摩擦，其機(jī)械損耗和噪音都有所降低。兩種電機(jī)的電磁物料質(zhì)量對(duì)比如表2所示。傳統(tǒng)異步電機(jī)定子銅重較大的原因是跨距增加1倍以及疊高大20 mm導(dǎo)致。傳統(tǒng)異步電機(jī)轉(zhuǎn)子伸出鐵心端的額外質(zhì)量導(dǎo)致整體轉(zhuǎn)子質(zhì)量要比永磁電機(jī)大40%,使其總質(zhì)量要比永磁電機(jī)大21%。

3.2 空載反電勢(shì)分析

新型少磁化永磁電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速下的空載反電勢(shì)如圖4所示。相比配套的牽引逆變器，其工作電壓留有裕量,以保證逆變器的安全性。另外,設(shè)計(jì)時(shí)轉(zhuǎn)子采用斜極方式來(lái)降低反電勢(shì)的諧波畸變和降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

表2 兩種電機(jī)的電磁物料質(zhì)量對(duì)比 單位:kg

圖4 空載反電勢(shì)分析

3.3 轉(zhuǎn)矩特性分析

新型少磁化永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：

(1)

式中：

Tem——電磁轉(zhuǎn)矩;

p——極對(duì)數(shù);

Ψm——永磁磁鏈;

Ld、Lq——分別為d、q軸電感;

id、iq——d、q軸電流。

兩種電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流特性基本相同,如圖5所示，其轉(zhuǎn)矩大致與電流成正比例。其中新型少磁化永磁電機(jī)隨著電流的增加,轉(zhuǎn)矩增加的比例略大。其主要原因是式(1)中磁阻轉(zhuǎn)矩分量中的idiq隨電流的提高呈平方增加而導(dǎo)致的。

圖6給出了兩種電機(jī)在峰值電流下的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線以及對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)目標(biāo),同時(shí)對(duì)新型少磁化永磁電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩分量進(jìn)行分解。

比較新型少磁化永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩分量發(fā)現(xiàn)，兩種電機(jī)工作區(qū)均能滿足技術(shù)要求,恒轉(zhuǎn)矩區(qū)永磁轉(zhuǎn)矩占比約為45%左右。隨著轉(zhuǎn)速的增加電機(jī)的反電勢(shì)增加，當(dāng)達(dá)到控制器電壓的限制值后，開(kāi)始弱磁；此時(shí)永磁合成磁鏈的下降導(dǎo)致永磁轉(zhuǎn)矩分量下降，同時(shí)反向弱磁電流磁場(chǎng)降低了磁路的飽和程度，Ld、Lq、(Lq-Lq)均有提高，并且idiq隨著負(fù)載電流角的增加同樣有所增加,因而導(dǎo)致磁阻轉(zhuǎn)矩在發(fā)生弱磁后上升。隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加以及弱磁深度增加，(Lq-Lq)也繼續(xù)增加，但同時(shí)idiq隨著內(nèi)功率因數(shù)角的增加而減小，并且幅度超過(guò)(Lq-Lq)，此時(shí)磁阻轉(zhuǎn)矩呈下降趨勢(shì)。在峰值轉(zhuǎn)速時(shí)磁阻轉(zhuǎn)矩占比接近60%,說(shuō)明多層磁路結(jié)構(gòu)有利于增加磁阻轉(zhuǎn)矩含量。

圖5 兩種電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流特性

圖6 兩種電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性及轉(zhuǎn)矩分量

3.4 損耗比較

兩種電機(jī)在轉(zhuǎn)距-轉(zhuǎn)速曲線上對(duì)應(yīng)的功率損耗分布見(jiàn)圖7所示。首先，傳統(tǒng)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子銅耗將近5 kW,約占總損耗的20%。該損耗直接導(dǎo)致異步機(jī)產(chǎn)生較高的轉(zhuǎn)子溫升。其次，傳統(tǒng)異步電機(jī)定子銅耗將達(dá)約新型少磁化永磁電機(jī)的2倍。其主要原因是電阻的影響:傳統(tǒng)異步電機(jī)總體疊高長(zhǎng)，同時(shí)跨距較大，導(dǎo)致電阻增加，匝數(shù)增加也直接導(dǎo)致電阻增加，故對(duì)應(yīng)定子銅耗較大。另外,機(jī)械損耗方面如上文所述，傳統(tǒng)異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的開(kāi)口槽和伸出轉(zhuǎn)子鐵心的銅條在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的額外機(jī)械損耗均要大于新型少磁化永磁電機(jī)。總體上看，在實(shí)際牽引工況下，新型少磁化永磁電機(jī)的總損耗約是傳統(tǒng)異步電機(jī)的一半左右。

a) 新型少磁化永磁電機(jī)功率損耗分布

b) 傳統(tǒng)異步電機(jī)功率損耗分布

3.5 兩種電機(jī)在實(shí)際線路上運(yùn)行能耗比較

在上述基礎(chǔ)上，對(duì)比了兩種電機(jī)在典型實(shí)際線路上運(yùn)行時(shí)的能耗情況。圖8為某地鐵線路AW3(超載)工況下對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩-時(shí)間轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線圖。其總運(yùn)行時(shí)間為2.2 h，列車(chē)速度為40 km/h，行程90.4 km。

圖8 AW3工況對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-時(shí)間、轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線

圖9 a)、圖9 b)列出了兩種電機(jī)的效率分布圖，并在圖中標(biāo)示出了線路工作點(diǎn)?？梢园l(fā)現(xiàn)牽引電機(jī)的實(shí)際工作區(qū)域相對(duì)比較固定。恒轉(zhuǎn)矩區(qū)屬于大負(fù)載工況，高速區(qū)集中在高速低轉(zhuǎn)矩的惰行工況為主。圖9 c)繪制了兩種電機(jī)的效率差值分布圖?？梢园l(fā)現(xiàn)新型少磁化永磁電機(jī)實(shí)際工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)效率均要優(yōu)于傳統(tǒng)異步電機(jī)，尤其在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)效率要優(yōu)于傳統(tǒng)異步電機(jī)5%～13%。這個(gè)區(qū)域也屬于耗能占比較大的區(qū)域。以上對(duì)比均表明,新型少磁化永磁電機(jī)廣域高效的特點(diǎn)在實(shí)際的地鐵線路中有較好的發(fā)揮。

a) 新型少磁化永磁電機(jī)效率分布圖

b) 傳統(tǒng)異步電機(jī)效率分布圖

c) 新型少磁化永磁電機(jī)與傳統(tǒng)異步電機(jī)效率差值

由表3可以發(fā)現(xiàn)：通過(guò)對(duì)比單電機(jī)的全程線路能耗，在可再生能量100%回收的情況下，新型少磁化永磁電機(jī)的平均能量利用率比傳統(tǒng)異步電機(jī)提高了7%左右，全程線路能耗相比傳統(tǒng)異步電機(jī)低32%，但全程線路節(jié)能效果還需要考慮控制器和齒輪箱的損耗差異再進(jìn)行綜合評(píng)估。

表3 單電機(jī)全程線路能耗對(duì)比

4 結(jié)論

1) 相同外特性下新型少磁化永磁電機(jī)總電磁材料質(zhì)量可以減輕21%左右。

2) 新型少磁化永磁電機(jī)固有的低轉(zhuǎn)子損耗，達(dá)到整個(gè)牽引工作區(qū)廣域高效的目的，工作點(diǎn)的總損耗約是傳統(tǒng)異步電機(jī)的50%。通過(guò)對(duì)比單電機(jī)的全程線路能耗，可再生能量在100%回收的情況下，平均能量利用率提高約7%；綜合線路工況、能量回收等情況，可使地鐵列車(chē)綜合節(jié)能率預(yù)測(cè)達(dá)20%～30%。

3) 新型少磁化永磁電機(jī)通過(guò)特殊的磁路設(shè)計(jì)，具有較高的凸極比，可以充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)少磁化設(shè)計(jì)，減少對(duì)稀土材料的依賴程度，有效降低了電機(jī)成本。