永磁牽引電機在下一代地鐵上的應(yīng)用

王 淼，張 豪

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，中國軌道交通事業(yè)也得到了蓬勃發(fā)展，因此對軌道車輛的要求也越來越高，牽引電機是軌道車輛中的重要設(shè)備。在科技快速發(fā)展的過程中，永磁材料的耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性都得到了極大改善，在電機中的應(yīng)用成本也得到有效降低，永磁牽引電機在軌道交通中的應(yīng)用越來越廣泛。軌道車輛中應(yīng)用的永磁牽引電機一般要求有較小的體積、較輕的質(zhì)量和較大的輸出功率，在軌道車輛進行啟動時能夠提供較大的啟動轉(zhuǎn)矩，在很寬的速度范圍內(nèi)能夠進行平滑調(diào)速，從而能夠很好地實現(xiàn)對軌道車輛的轉(zhuǎn)矩控制。

1 永磁牽引電機特點

永磁牽引電機因為具有體積小、質(zhì)量輕、效率高以及可靠性高等優(yōu)點，在社會許多領(lǐng)域中得到了較為廣泛的應(yīng)用，比如在工業(yè)生產(chǎn)、高速鐵路機車、城軌地鐵車輛、民用等方面。隨著新型永磁材料的快速發(fā)展和應(yīng)用[1-4]，永磁電機的發(fā)展也逐漸邁向大功率和高速化方向，在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越普遍。永磁牽引電機的特點主要有以下幾點。

（1）具有高功率因數(shù)和較高效率。和異步電機相比，永磁牽引電機不需要無功勵磁電流，因此具有更高的功率因數(shù)，得到的定子電流和定子銅耗也相對較小。在進行穩(wěn)態(tài)運行的過程中，永磁牽引電機不會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子銅耗，和同規(guī)格的異步電機相比也可以提高一定程度的效率，在一定的額定負(fù)載范圍內(nèi)，永磁牽引電機較高的功率因數(shù)和效率能夠得到保持，從而達(dá)到良好的節(jié)能效果。

（2）體積小、質(zhì)量輕、可靠性高。近年來，新型永磁材料的發(fā)展和應(yīng)用，在一定程度上提高了永磁牽引電機的功率密度[5]，和相同容量的異步電機相比較，體積和質(zhì)量都大大減小了，應(yīng)用范圍也變得越來越廣泛。

電機參數(shù)要求如表1所示。

表1 電機基本參數(shù)

2 電磁方案

2.1 永磁牽引電機極對數(shù)

轉(zhuǎn)子極數(shù)是永磁電機設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，在對極數(shù)進行選擇時，既需要考慮其對電機性能的影響，又需要從系統(tǒng)匹配的角度考慮變流器的限制。

一般來說，電機極對數(shù)越高，線圈端部越短，定子軛部越薄，電機體積越小，因此功率密度和轉(zhuǎn)矩密度越大；再者，極對數(shù)越高，每極永磁體體積越小，有利于設(shè)計高機械強度的轉(zhuǎn)子沖片。

從系統(tǒng)匹配上，電機極對數(shù)高意味著高速工作頻率升高，于是要求變流器的開關(guān)頻率提高，且限制影響了中速段的控制策略，不利于系統(tǒng)工作在最優(yōu)策略下，功率因數(shù)低、效率低。本電機最高轉(zhuǎn)速為4 772 r/min（全磨耗，140 km/h），配套變頻器輸出頻率范圍為0～360 Hz，因此下一代地鐵車輛電機極數(shù)最多可選擇8極[6-8]。

2.2 永磁牽引電機轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)

永磁電機可以分為表貼式和內(nèi)置式兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。永磁電機垂直于轉(zhuǎn)軸的剖面圖如圖1所示。

圖1 永磁電機垂直于轉(zhuǎn)軸的剖面圖

圖1（a）所示為表貼式永磁牽引電機，其主要特點是直、交軸的主電感相等，通常在表貼式永磁牽引電機轉(zhuǎn)子的外側(cè)會有一層非磁性材料，主要作用是壓住永久磁鐵，在電機進行高速運轉(zhuǎn)時能夠避免表面磁鐵脫離。表貼式永磁電機具有較小的轉(zhuǎn)子慣性，沒有凸極性的鐵心形狀，在應(yīng)用過程中會產(chǎn)生永磁轉(zhuǎn)矩，但不會產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。

圖1（b）所示為內(nèi)置式永磁牽引電機，其主要特點是直、交軸的主電感不相等，其磁鐵內(nèi)嵌鐵心中間具有凸極性，能夠產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。內(nèi)置式永磁電機具有較為簡單的結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)起來也比較容易，表面沒有脆性磁鐵，因此具有更加牢固的結(jié)構(gòu)。同時，內(nèi)置式永磁電機具有恒功寬度寬、弱磁能力好、失磁風(fēng)險小、工藝簡單、可靠性好等優(yōu)點。

根據(jù)下一代地鐵列車牽引電機要求具有高功率密度、大扭矩、寬調(diào)速的特點，對永磁牽引電機轉(zhuǎn)子有以下3點要求。

（1）永磁牽引電機的轉(zhuǎn)矩密度要求比較高，采用了永磁體內(nèi)置式的結(jié)構(gòu)，利用磁阻轉(zhuǎn)矩達(dá)到高轉(zhuǎn)矩密度的要求；

（2）永磁牽引電機高速的特性要求轉(zhuǎn)子的機械強度要高，根據(jù)這一點選擇每極永磁體多分段的內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并對磁橋進行優(yōu)化；

（3）要求牽引電機具有高可靠性，因此工藝需要簡化，保證電機的可靠性。

綜合上述分析，對各轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)反復(fù)核算驗證，最終選定內(nèi)置式轉(zhuǎn)子方案，其優(yōu)點為起動轉(zhuǎn)矩高、功率密度高、工藝簡單可靠。

3 電機結(jié)構(gòu)

電機由定子裝配、轉(zhuǎn)子裝配、軸承裝配及附件裝配等組成。電機為全封閉無機殼結(jié)構(gòu)，采用自帶同軸風(fēng)扇鼓入式外循環(huán)冷卻方式。定子繞組采用成型繞組，轉(zhuǎn)子鐵心通過熱套在轉(zhuǎn)軸上、通過過盈配合傳遞轉(zhuǎn)矩。

3.1 定子

定子采用全疊片無機殼焊接結(jié)構(gòu)，即通過4塊筋板將兩側(cè)定子壓圈、定子沖片及定子端板焊接成一個整體。該結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、散熱效果好等優(yōu)點。

定子沖片采用高導(dǎo)磁率、低損耗的硅鋼片，沖片上開有冷卻風(fēng)路用通風(fēng)孔。定子線圈采用成型繞組，絕緣結(jié)構(gòu)采用成熟的地鐵異步牽引電機200級有機硅絕緣體系。將成型的定子繞組嵌入到定子鐵心中，然后整體真空壓力浸漆，在端部采用端箍和綁扎繩固定牢靠。

3.2 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子由永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心等組成。為充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩和保護永磁體，電機采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。永磁體為高磁能積和耐高溫性能好的稀土材料。轉(zhuǎn)子鐵心由轉(zhuǎn)子沖片、轉(zhuǎn)軸及壓圈等組成。

3.3 軸承結(jié)構(gòu)

電機傳動端軸承采用圓柱滾子軸承，非傳動端軸承采用深溝球軸承，前后軸承均用來承受來自電機軸的徑向載荷。前后滾動軸承承受的載荷主要有電機軸重力，牽引電機轉(zhuǎn)子重力，由磁場回路不對稱產(chǎn)生的單邊磁拉力，以及由振動沖擊引起的沖擊動載荷。

軸承計算壽命滿足大于200萬km要求，具體計算值如表2所示。

表2 軸承壽命計算結(jié)果

3.4 外圍附件

為了監(jiān)控永磁牽引電動機在試驗和運行中各部位的溫度，在電機定子鐵心、兩端軸承安裝了溫度傳感器。

在電動機的軸端安裝檢測電動機轉(zhuǎn)子速度和位置的旋轉(zhuǎn)變壓器。旋變定子通過激勵源產(chǎn)生磁場，電動機運行時，旋變轉(zhuǎn)子切割旋變定子磁場使旋變定子正弦、余弦繞組輸出的電壓值發(fā)生變化，控制系統(tǒng)通過采集旋變定子輸出的正弦、余弦信號可準(zhǔn)確判斷電動機轉(zhuǎn)子磁極的位置。

4 通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)

由于地鐵線路站間距較短，地鐵車輛處于頻繁啟停運行工況，導(dǎo)致地鐵牽引電機輸出轉(zhuǎn)矩及工作轉(zhuǎn)速時刻在變化。電機大部分工作在低速大轉(zhuǎn)矩區(qū)間，地鐵車輛牽引電機通常采用自帶同軸風(fēng)扇冷卻。電機冷卻風(fēng)量的大小與電機轉(zhuǎn)速息息相關(guān)，在低速大電流區(qū)域（電機輸出大轉(zhuǎn)矩所致），電機冷卻風(fēng)量最小，為此通常采用線路仿真的方法來確定電機等效定額[4]。

4.1 風(fēng)量需求

在獲取了電機等效定額點損耗情況后，再根據(jù)牽引電機設(shè)計手冊—通風(fēng)與發(fā)熱計算，即按能量守恒關(guān)系，電機在運行過程中所產(chǎn)生的熱量（損耗）依靠流體（如空氣）帶走，估算出所需冷卻介質(zhì)流量為：

4.2 冷卻風(fēng)路

根據(jù)所求得的電機冷卻風(fēng)量需求，再結(jié)合電機結(jié)構(gòu)設(shè)計中冷卻風(fēng)速設(shè)計原則（冷卻風(fēng)速控制在20～30 m/s效果為佳）及減重需求，可確定電機冷卻風(fēng)路所需的通風(fēng)面積介于17 100～25 650 mm2。電動機采用全封閉通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)，采用自帶同軸風(fēng)扇的外循環(huán)冷卻方式，如圖2所示。

圖2 電機冷卻風(fēng)路示意圖

為提高冷卻效果和降低噪聲，優(yōu)化冷卻風(fēng)路徑，盡可能減少風(fēng)路中的障礙物、風(fēng)路改變方向時采取平滑過渡結(jié)構(gòu)等。

4.3 通風(fēng)結(jié)構(gòu)流體場仿真

采用CFD仿真分析，對通風(fēng)孔數(shù)量以及面積進行多參數(shù)優(yōu)化，確定通風(fēng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，使方案滿足總體要求。電機內(nèi)部流體場分布如圖3所示。

圖3 電機內(nèi)部流體場分布

5 永磁牽引電機關(guān)鍵技術(shù)

5.1 防止永磁體退磁技術(shù)

如果永磁牽引電機出現(xiàn)設(shè)計問題，或受到?jīng)_擊電流產(chǎn)生電樞反應(yīng)作用，很容易發(fā)生失磁現(xiàn)象，不僅會造成永磁牽引電機的性能下降，而且會導(dǎo)致電機無法使用[1]。下一代地鐵永磁牽引電機通過對永磁材料的熱穩(wěn)定性進行深入研究，對不同磁路結(jié)構(gòu)形式的抗去磁能力進行分析，這樣可以在進行永磁牽引電機設(shè)計制造時，避免出現(xiàn)電機失磁現(xiàn)象。

在進行下一代地鐵永磁牽引電機設(shè)計的過程中，要對電機溫度場的分布進行深入研究，對永磁電機的最大去磁工作點以及在最高工作溫度下永磁材料退磁曲線的拐點進行校準(zhǔn)，可以有效增加電機的可靠性。下一代地鐵采用自通風(fēng)冷卻方式，通過仿真計算出散熱的通風(fēng)量，對電機結(jié)構(gòu)的冷卻風(fēng)路進行優(yōu)化，自帶同軸風(fēng)扇的外循環(huán)冷卻方式。同時，選擇材料時要選擇具有較高耐溫等級的永磁體，在結(jié)構(gòu)和工藝上采用拼塊式結(jié)構(gòu)，這樣能夠有效抑制渦流損耗，通過對通風(fēng)系統(tǒng)進行合理設(shè)計，能夠有效達(dá)到相應(yīng)的冷卻要求。

5.2 反電動勢的設(shè)計與校核

永磁同步牽引電機因為具有永磁體的存在，所以和異步電機不同，其在外部不提供電源的情況下，進行旋轉(zhuǎn)時在定子繞組中會感應(yīng)到較大的反電勢能，如果電動勢的峰值過高，甚至超過了逆變器元件的耐壓能力，就容易造成元件損壞。在永磁牽引電機高速運轉(zhuǎn)時，所產(chǎn)生的反電動勢的峰值如果高于牽引逆變器的直流母線電壓，由于逆變器相關(guān)電路會起到整流作用，導(dǎo)致產(chǎn)生再生制動，對永磁牽引電機會造成一定的損壞。因此在進行永磁牽引電機的設(shè)計時，關(guān)鍵在于反電動勢的計算和校核。選取的反電動勢不管較低還是較高，都會對永磁牽引電機造成一定影響，所以需要根據(jù)不同永磁牽引電機的運行特點，對電機反電動勢的大小進行合理選擇，比如對于地鐵列車，一般都是長時間運行在高速段，為了減少運行時的弱磁電流，確保系統(tǒng)在永磁牽引電機高速運行時的良好性能，可以采用反電動勢較低的設(shè)計方案[5-8]。

6 結(jié)束語

本文對下一代永磁牽引電機電磁設(shè)計方案、電機結(jié)構(gòu)、通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)進行了介紹，分析了永磁牽引電機設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，并對永磁牽引電機關(guān)鍵技術(shù)在軌道車輛中的應(yīng)用進行了探討。綜上所述，永磁牽引電機具有較小的體積和較輕的質(zhì)量，并且具有較大的啟動轉(zhuǎn)矩和較好的動態(tài)性能，能夠?qū)Φ罔F車輛實現(xiàn)無齒輪箱的直接驅(qū)動，因此在機車車輛中的應(yīng)用越來越廣泛。