ZQD-X 型直流牽引電機設(shè)計與仿真

徐曉敏 謝超明

（1. 湖北孝感供電公司，湖北孝感432100；2. 湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北孝感432100）

1 引言

ZQD-X型電動車是以電能為能源，通過電動機驅(qū)動車輛，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，是一種無污染的交通工具，隨著電動機技術(shù)和電力電子控制技術(shù)的發(fā)展，電動車的開發(fā)越來越受到人們的關(guān)注。

電動觀光車是一種以車載蓄電池組作為動力電源、靠電機驅(qū)動車輪行駛、無污染的綠色交通工具，它的發(fā)展對于解決全球性的能源和環(huán)境問題具有非常重要的現(xiàn)實意義。目前正在應(yīng)用或開發(fā)的電動車電動機主要有直流電動機、感應(yīng)電動機、永磁無刷電動機、開關(guān)磁阻電動機四類。直流電機控制簡單，造價低而且技術(shù)成熟，符合我國國情，因此在我國的電動車絕大多數(shù)仍然是直流驅(qū)動系統(tǒng)。

本文對一種電動觀光車用牽引直流電機進行了設(shè)計和仿真研究，該電機具有體積小、質(zhì)量輕、價格低等特點，能夠很好的滿足觀光車的技術(shù)要求。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

額定功率：3 kW

額定電壓：48 V

額定轉(zhuǎn)速：2800 r/min

2 ZQD-X型直流牽引電機電磁參數(shù)與基本尺寸

2.1 基本電磁參數(shù)[1]

電負荷A=120 A/cm

電樞電流密度Ja=11.15 A/mm2

勵磁繞組電流密度JAlf=3.5 A/mm2

每極磁通f=4.03 mWb

氣隙磁密Bs=0.87 T

電樞齒磁密Bta=1.985 T

電樞軛磁密Bja=1.25 T

主磁極磁密Bm=1.726 T

機座磁密Bj=1.011 T

2.2 基本尺寸

電樞外徑Da=11.1 cm

電樞內(nèi)徑Dia=3.4 cm

電樞長度La=8.3 cm

槽數(shù)Z=29

槽尺寸(矩形)：槽深hs=1.3 cm，槽寬bs=0.4 cm，齒寬bt1=0.8 cm，bta(min)=0.52 cm,bta(1/2)=0.66 cm，bta(1/3)=0.614 cm

機座外徑Dj=17.5 cm

機座內(nèi)徑Dij=14.6 cm

機座長度Lj=16.5 cm

3 ZQD-X型直流牽引電機機械結(jié)構(gòu)特點

牽引電機的特殊工作環(huán)境和特性，對直流牽引電機的設(shè)計結(jié)構(gòu)、制造工藝和維修等都有著更高的要求。相比于普通直流電機，ZXQT-3型直流牽引電機在機械結(jié)構(gòu)上采取了以下改進措施：

（1）牽引電機的振動、噪聲過大是比較普遍的故障。振動過大會引起電機換向惡化、軸承損壞、連線斷裂等故障，對電機的壽命有著直接的影響。根據(jù)電動機磁勢分析，由于氣隙中存在著基波和高次諧波分量，而高次諧波分量的分布及轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電勢受齒槽的影響較大。在每極每相槽數(shù) q為整數(shù)的三相電動機中，存在次數(shù)v=2mq±1較強的高次諧波電勢，即齒諧波電勢。齒諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，使機座產(chǎn)生撓曲和橫向振動，不利于電機的運行性能，必須加以抑制。降低齒諧波電勢的有效方法是將轉(zhuǎn)子齒槽做成斜槽。

將轉(zhuǎn)子槽相對定子扭斜一個角度，可以相對地削弱齒諧波感應(yīng)電勢引起的電磁振動和噪聲的交變徑向力。根據(jù)現(xiàn)有幾何參數(shù)，對電機的轉(zhuǎn)軸作6.75°的斜槽處理。

（2）電機運行中，換向器既要傳導(dǎo)電流，又要受離心力和熱應(yīng)力的作用。這就要求換向器具有足夠的強度，剛度以保證片間壓力；在電機起動、制動或超速運轉(zhuǎn)情況下，以及在允許的溫升限度內(nèi)，其形狀保持穩(wěn)定，不產(chǎn)生有害的變形；工作表面光滑平整，具有較高的耐磨性、耐電弧性，耐熱性，并具有可靠的對地絕緣，片間絕緣與爬電距離。

采用直接加熱后套軸式結(jié)構(gòu)，換向器套筒與軸之間為過盈配合，以增強換向器的傳動隨行，避免升高片的扭振。換向器的工作表面的直徑長度應(yīng)符合規(guī)定的公差，達到換向片的平面度要求，成為規(guī)則的圓柱形，圓柱公差應(yīng)該小于0.03 mm，保證換向器表面的平整度和徑向跳動值在要求范圍之內(nèi)。

4 ZQD-X型直流牽引電機調(diào)速仿真分析

應(yīng)用 Matlab／Simulink對電機進行電流-轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)仿真，對轉(zhuǎn)速和電流波形進行分析。斬波調(diào)速又稱為脈寬調(diào)速，是在直流電源電壓基本不變的情況下通過電子開關(guān)的通斷，改變施加到電動機端的直流電壓平均值，從而達到調(diào)速的目的。斬波調(diào)速對于改善電網(wǎng)功率因數(shù)和減少諧波對電網(wǎng)的影響都是非常有利的，蓄電池供電的直流電動機一般都采用斬波調(diào)速。

4.1 斬波調(diào)速系統(tǒng)的仿真原理

轉(zhuǎn)速、電流分別通過兩個獨立的調(diào)節(jié)器控制，電流調(diào)節(jié)環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)為外環(huán)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定，電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動機的電樞電流。當轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用使輸出增加，電流給定上升，通過電流調(diào)節(jié)使電動機電流增加獲得加速轉(zhuǎn)矩，反之亦然。

圖1 PI調(diào)節(jié)器仿真模型

4.2 仿真參數(shù)

電機：Ua=48 V，I=76 A，n=2800 r/min，Ra=0.0379 Ω，Toi=0.002 s，Ton=0.01 s，Ts=0.0017 s。

4.2.1 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)[2]：

Gi=τi=0.01134 s，電流開環(huán)增益：按d≤5%，取KIiT∑=0.5

ACR的比例系數(shù)為：

積分系數(shù)為Kip=1.455

4.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)

按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 h=5，則 ASR的超前時間常數(shù)：

轉(zhuǎn)速開環(huán)增益

ASR比例系數(shù)為 ：

積分系數(shù)為Knp=303.9

圖2 ZQD-X 型電機雙閉環(huán)調(diào)速仿真模型

圖3-5為電動機起動時的電流、轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。結(jié)合實際，設(shè)定電動機為滿載起動?？梢钥闯觯?.2 s時起動過程結(jié)束，轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速2800 r/min，電樞電流達到61 A，輸出轉(zhuǎn)矩為10 N.m，仿真結(jié)果基本與設(shè)計相符。修改調(diào)節(jié)器參數(shù)和轉(zhuǎn)速給定可以得到不同參數(shù)和不同給定下的響應(yīng)曲線。

圖3 轉(zhuǎn)速仿真波形

4.3 ZQD-X型直流牽引電機起動分析

圖4 電流仿真波形

圖5 轉(zhuǎn)矩仿真波形

牽引電機的起動性能由起動轉(zhuǎn)矩和起動電流大小來衡量。起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)與起動電流倍數(shù)是衡量起動性能的兩項重要指標。在起動時，應(yīng)具有足夠的起動轉(zhuǎn)矩，但起動電流不宜過大，應(yīng)限制在容許的范圍內(nèi)。結(jié)合仿真，本文牽引電機起動電流倍數(shù)設(shè)計為：

起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為:

可見，在起動瞬間電流為額定電流的 3.68倍，最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為4.84倍，能夠很好的滿足牽引電機低起動電流、大起動轉(zhuǎn)矩負載的要求。

4.4 負載機械特性曲線分析

對于電動車用電動機，其機械特性是非常重要的。電動車起動和爬坡時速度較低，但要求力矩較大；高速運行時需要的力矩較小，而速度很高。即要求牽引電機在低速時為恒轉(zhuǎn)矩特性，高速時為恒功率特性，且電動機的運行速度范圍應(yīng)該較寬。

在電動車上，最常用的為他勵和串勵直流電動機。串勵直流電動機的勵磁電流和電樞電流相等，能獲得每單位電流的最高轉(zhuǎn)矩，起動轉(zhuǎn)矩較大、具有較寬的恒功率調(diào)速范圍。他勵直流電動機能夠分別控制它的勵磁電流和電樞電流來實現(xiàn)控制，他勵直流電動機具有線性和穩(wěn)定輸出特性，可以擴大其調(diào)速范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)在減速和制動時的再生制動，回收一部分能量。

ZQD-X型他勵牽引電機由蓄電池供電，再采用PWM斬波器進行斬波調(diào)壓。PWM驅(qū)動裝置具有下列優(yōu)點：需用的大功率可控器件少，線路簡單；調(diào)速范圍寬；電流波形系數(shù)好，附加損耗??；功率因數(shù)高等。ZQD-X型他勵牽引電機機械特性試驗曲線圖如圖6。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的 ZQD-X型直流牽引電機經(jīng)過仿真，樣機試制和試驗，能夠很好的滿足電動觀光車的運行要求。為電動觀光車等方面的應(yīng)用提供了更為廣泛的選擇余地。

圖6 機械特性曲線圖

[1] 上海工業(yè)大學(xué), 上海直流電機廠. 直流電機設(shè)計.北京: 機械工業(yè)出版社, 1983.

[2] 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng). 機械工業(yè)出版社,2000.