ZQD-X 型直流牽引電機設計與仿真

徐曉敏 謝超明

（1. 湖北孝感供電公司，湖北孝感432100；2. 湖北職業技術學院，湖北孝感432100）

1 引言

ZQD-X型電動車是以電能為能源，通過電動機驅動車輛，將電能轉換為機械能，是一種無污染的交通工具，隨著電動機技術和電力電子控制技術的發展，電動車的開發越來越受到人們的關注。

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

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

額定功率：3 kW

額定電壓：48 V

額定轉速：2800 r/min

2 ZQD-X型直流牽引電機電磁參數與基本尺寸

2.1 基本電磁參數[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

電樞內徑Dia=3.4 cm

電樞長度La=8.3 cm

槽數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構特點

牽引電機的特殊工作環境和特性，對直流牽引電機的設計結構、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構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子繞組的感應電勢受齒槽的影響較大。在每極每相槽數 q為整數的三相電動機中，存在次數v=2mq±1較強的高次諧波電勢，即齒諧波電勢。齒諧波產生的轉矩，使機座產生撓曲和橫向振動，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子齒槽做成斜槽。

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

（2）電機運行中，換向器既要傳導電流，又要受離心力和熱應力的作用。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、制動或超速運轉情況下，以及在允許的溫升限度內，其形狀保持穩定，不產生有害的變形；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構，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符合規定的公差，達到換向片的平面度要求，成為規則的圓柱形，圓柱公差應該小于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。

4 ZQD-X型直流牽引電機調速仿真分析

應用 Matlab／Simulink對電機進行電流-轉速雙閉環仿真，對轉速和電流波形進行分析。斬波調速又稱為脈寬調速，是在直流電源電壓基本不變的情況下通過電子開關的通斷，改變施加到電動機端的直流電壓平均值，從而達到調速的目的。斬波調速對于改善電網功率因數和減少諧波對電網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速。

4.1 斬波調速系統的仿真原理

轉速、電流分別通過兩個獨立的調節器控制，電流調節環為內環，轉速調節環為外環。為了獲得良好的靜、動態性能，轉速、電流雙閉環調速系統的兩個調節器都采用PI調節器。轉速調節器的輸出就是電流調節器的給定，電流環能夠隨轉速的偏差調節電動機的電樞電流。當轉速低于給定轉速時，轉速調節器的積分作用使輸出增加，電流給定上升，通過電流調節使電動機電流增加獲得加速轉矩，反之亦然。

圖1 PI調節器仿真模型

4.2 仿真參數

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 電流調節器參數[2]：

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

ACR的比例系數為：

積分系數為Kip=1.455

4.2.2 轉速調節器的參數

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：

轉速開環增益

ASR比例系數為 ：

積分系數為Knp=303.9

圖2 ZQD-X 型電機雙閉環調速仿真模型

圖3-5為電動機起動時的電流、轉速響應曲線。結合實際，設定電動機為滿載起動。可以看出，在0.2 s時起動過程結束，轉速達到額定轉速2800 r/min，電樞電流達到61 A，輸出轉矩為10 N.m，仿真結果基本與設計相符。修改調節器參數和轉速給定可以得到不同參數和不同給定下的響應曲線。

圖3 轉速仿真波形

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 轉矩仿真波形

牽引電機的起動性能由起動轉矩和起動電流大小來衡量。起動轉矩倍數與起動電流倍數是衡量起動性能的兩項重要指標。在起動時，應具有足夠的起動轉矩，但起動電流不宜過大，應限制在容許的范圍內。結合仿真，本文牽引電機起動電流倍數設計為：

起動轉矩倍數為:

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

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矩特性，高速時為恒功率特性，且電動機的運行速度范圍應該較寬。

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矩，起動轉矩較大、具有較寬的恒功率調速范圍。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控制，他勵直流電動機具有線性和穩定輸出特性，可以擴大其調速范圍，能夠實現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斬波器進行斬波調壓。PWM驅動裝置具有下列優點：需用的大功率可控器件少，線路簡單；調速范圍寬；電流波形系數好，附加損耗小；功率因數高等。ZQD-X型他勵牽引電機機械特性試驗曲線圖如圖6。

5 結語

本文設計的 ZQD-X型直流牽引電機經過仿真，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] 上海工業大學, 上海直流電機廠. 直流電機設計.北京: 機械工業出版社, 1983.

[2] 陳伯時. 電力拖動自動控制系統. 機械工業出版社,2000.