地鐵車輛用160kW 永磁直驅(qū)同步牽引電動(dòng)機(jī)研制

晏才松 張道祿

（中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲412001）

20 世紀(jì)90 年代隨著永磁材料性能的不斷完善以及電力電子技術(shù)的進(jìn)步，永磁電機(jī)研發(fā)逐步成熟，也使永磁電機(jī)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。永磁同步電機(jī)具備體積小、重量輕、功率密度大、低速輸出轉(zhuǎn)矩大、效率高、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，電機(jī)為全封閉結(jié)構(gòu)，無(wú)內(nèi)部風(fēng)冷噪聲。永磁同步電機(jī)輸出特性適用于直驅(qū)模式，當(dāng)其與轉(zhuǎn)向架整合實(shí)現(xiàn)直驅(qū)后，可取消齒輪箱，減少傳動(dòng)效率損失，降低維護(hù)量和傳動(dòng)噪聲。

日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在永磁直驅(qū)技術(shù)方面發(fā)展得較早，其技術(shù)也相對(duì)較成熟。20 世紀(jì)90 年代，日本JR 公司開(kāi)始研制永磁同步直驅(qū)牽引電機(jī)，并于2002 年在103 系列的動(dòng)車組上載客運(yùn)行考核，經(jīng)過(guò)20 萬(wàn)公里的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，系統(tǒng)節(jié)能超過(guò)10%，噪聲也降低越5dB。西門(mén)子公開(kāi)發(fā)的新型城軌列車用永磁同步直驅(qū)牽引電機(jī)系統(tǒng)，電機(jī)的功率為150kW，采用封閉式、機(jī)殼水冷的冷卻方式，與制動(dòng)系統(tǒng)一起高度集成在轉(zhuǎn)向架上，電機(jī)的轉(zhuǎn)速大大降低從而降低噪聲約15dB，電機(jī)體積縮小約10%，效率提升了3%[1]。

經(jīng)過(guò)各國(guó)過(guò)去二十多年的研究，永磁直驅(qū)技術(shù)已凸顯出其優(yōu)點(diǎn)并顯示出強(qiáng)大的生命力，但同時(shí)該技術(shù)還有地方需要完善，比如永磁直驅(qū)電機(jī)的研發(fā)，如何將永磁直驅(qū)電機(jī)更好的與轉(zhuǎn)向架相結(jié)合而不惡化轉(zhuǎn)向架的固有性能，永磁直驅(qū)電機(jī)的控制等。

我國(guó)軌道車輛的永磁直驅(qū)技術(shù)尚處于起步階段，開(kāi)展軌道交通車輛直驅(qū)永磁同步牽引電機(jī)研究可促進(jìn)電機(jī)控制理論、電機(jī)本體電磁理論、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)驗(yàn)證等多學(xué)科領(lǐng)域的進(jìn)步，逐步提升我國(guó)在永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力，推動(dòng)我國(guó)軌道交通牽引系統(tǒng)能夠產(chǎn)品的升級(jí)換代和技術(shù)創(chuàng)新。

本文地鐵車輛給定的技術(shù)指標(biāo)和要求，研制了一臺(tái)160kW永磁直驅(qū)同步牽引電動(dòng)機(jī)，從直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)、電機(jī)關(guān)鍵問(wèn)題的解決、特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了重點(diǎn)研究，并研制了樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。

1 地鐵車輛總體指標(biāo)和要求

1.1 地鐵車輛總體要求。直驅(qū)式地鐵車輛采用6 節(jié)車廂的編制模式，其中動(dòng)力車廂4 節(jié)，拖車2 節(jié)，規(guī)定運(yùn)營(yíng)速度不超過(guò)80km/h，全新輪徑740mm、半磨耗輪徑705mm[2]。

1.2 永磁直驅(qū)牽引電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。永磁直驅(qū)牽引電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 永磁直驅(qū)牽引電機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

圖1 為車輛牽引電機(jī)的牽引和制動(dòng)特性曲線，要求最大牽引轉(zhuǎn)矩達(dá)到7400N.m，最大牽引功率222kW；最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩6800N.m，最大制動(dòng)功率403kW。

圖1 電機(jī)牽引和制動(dòng)特性曲線

2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

2.1 直驅(qū)電機(jī)熱管理難題。永磁直驅(qū)牽引電機(jī)為了防止永磁體吸附空氣中的雜質(zhì)而將電機(jī)內(nèi)部封閉，其內(nèi)部繞組、永磁體托散熱效果與強(qiáng)迫通風(fēng)結(jié)構(gòu)相比，冷卻效果差很多，整個(gè)電機(jī)溫度上升比較均勻，且軸承溫升限值最小。因此，全封閉結(jié)構(gòu)電機(jī)如何將各部位的溫升控制在限值內(nèi)是個(gè)難題。

2.2 對(duì)電機(jī)輕量化、小型化要求高。直驅(qū)牽引電機(jī)因轉(zhuǎn)矩成倍增加，使得牽引電機(jī)的體積質(zhì)量會(huì)加大，尤其是抱軸式直驅(qū)電機(jī)，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，相同情況下電機(jī)體積大幅增加，電機(jī)的質(zhì)量增加，轉(zhuǎn)向架的簧下質(zhì)量將會(huì)大大增加，導(dǎo)致運(yùn)行過(guò)程中車輪對(duì)軌道的沖擊將會(huì)大大增加，其反作用力也將會(huì)讓電機(jī)受到的沖擊力增大，因此，對(duì)于直驅(qū)式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，對(duì)電機(jī)功率密度有更嚴(yán)格的要求。

2.3 直驅(qū)電機(jī)簧下使用環(huán)境適應(yīng)性。永磁直驅(qū)電機(jī)采用彈性軸懸安裝方式，較傳統(tǒng)的架懸安裝方式，永磁電機(jī)承受的振動(dòng)沖擊載荷增大，因此還需解決電機(jī)永磁體、軸承及絕緣結(jié)構(gòu)在車輛簧下嚴(yán)酷使用環(huán)境的適應(yīng)性難題。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)選取。（1）極數(shù)。電機(jī)內(nèi)部空間的大小，決定著電機(jī)能輸出轉(zhuǎn)矩的大小。傳統(tǒng)異步齒輪式傳動(dòng)，可以通過(guò)齒輪箱降速來(lái)提升轉(zhuǎn)矩，而直驅(qū)式結(jié)構(gòu)去掉了齒輪箱，只能通過(guò)直驅(qū)電機(jī)直接輸出5 倍于齒輪傳動(dòng)的異步牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，且兩種電機(jī)的安裝空間不變，因此直驅(qū)式牽引電機(jī)必須采用多極數(shù)的結(jié)構(gòu)形式[4]。對(duì)于電機(jī)本體而言，極數(shù)越多，繞組端部的跨距越小，繞組的尺寸就越短，定子鐵心的軛部尺寸越小，給予電機(jī)內(nèi)部空間越大，也降低了電機(jī)重量。因地鐵直驅(qū)電機(jī)采用彈性軸懸安裝，電機(jī)需承受70g 的振動(dòng)沖擊載荷，定子軛部需確保定量厚度進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)。同時(shí)從工藝方面考慮，定子軛部也需相應(yīng)厚度來(lái)給線圈端部并頭連線騰出空間。綜合考慮，選擇12 極的電機(jī)。（2）定子。一般軌道交通牽引電機(jī)的定子為開(kāi)口槽，繞組采用成型的硬線圈制成。定子的槽數(shù)選為72 槽，定子槽傾斜一個(gè)定子齒距。（3）轉(zhuǎn)子。直驅(qū)化后對(duì)永磁同步牽引電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩的大小要求成倍上升，地鐵車輛頻繁起停，牽引電機(jī)大部分時(shí)間運(yùn)行在低速大扭矩區(qū)間。永磁同步電機(jī)采用內(nèi)置式磁鋼結(jié)構(gòu)后直軸和交軸電抗不同，會(huì)產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，可以降低電機(jī)起動(dòng)區(qū)域工作電流。為了提高降低電機(jī)的體積、提高耐熱性，一般選擇磁性能高、耐溫性更好的稀土永磁材料。

圖2 為電機(jī)的牽引性能計(jì)算結(jié)果，圖3 為電機(jī)牽引性能計(jì)算結(jié)果。

圖2 電機(jī)牽引性能

圖3 電機(jī)制動(dòng)性能

3.2 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)地鐵永磁直驅(qū)牽引電機(jī)低速大扭矩、輕量化和低噪聲的要求，結(jié)合車輛安裝空間的限制，進(jìn)行電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取的主要措施有：（1）整體采用彈性軸懸結(jié)構(gòu)，可降低機(jī)械結(jié)構(gòu)件承受的振動(dòng)沖擊載荷，進(jìn)而開(kāi)展減重設(shè)計(jì)。（2）電機(jī)定子采用全封閉水冷機(jī)殼結(jié)構(gòu)，提高電機(jī)散熱能力，控制電磁有效部件重量，從而進(jìn)行減重。（3）電機(jī)轉(zhuǎn)子采用空心軸設(shè)計(jì)，能取得較好的減重效果。（4）按照重要性對(duì)電機(jī)的各結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分類管理，對(duì)運(yùn)行安全影響較低的次要結(jié)構(gòu)件，可以采用性能相當(dāng)?shù)牡兔芏炔牧洗妗＃?）利用數(shù)值仿真分析方法對(duì)各機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力和變形分析。

對(duì)電機(jī)的重要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行數(shù)值仿真分析，圖4 為機(jī)座和轉(zhuǎn)子的應(yīng)力分布圖。從圖中可以看出，直驅(qū)式永磁同步牽引電機(jī)的機(jī)座和轉(zhuǎn)子應(yīng)力滿足所使用材料的強(qiáng)度安全，重要結(jié)構(gòu)件的機(jī)械性能滿足技術(shù)指標(biāo)。

圖4 關(guān)鍵零部件有限元仿真應(yīng)力分布云圖

3.3 冷卻設(shè)計(jì)。一般軌道交通的異步牽引電動(dòng)機(jī)采用與轉(zhuǎn)子同軸的自風(fēng)扇冷卻，冷卻效果與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，在低速階段風(fēng)扇的冷卻能力下降，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需額外的電源供電，使用范圍較廣[5]。永磁直驅(qū)牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速僅為一般異步牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的幾分之一，如采用同軸風(fēng)扇無(wú)法滿足永磁電機(jī)的散熱需求，因此永磁直驅(qū)牽引電機(jī)一般采用強(qiáng)迫冷卻方式，避免電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。

永磁直驅(qū)牽引電機(jī)內(nèi)部損耗不同于常規(guī)永磁電機(jī)，電機(jī)定子繞組銅耗大，鐵耗相對(duì)較小[6]。影響電機(jī)定子繞組溫升的銅耗較常規(guī)永磁電機(jī)更難被冷卻介質(zhì)帶走，因此直驅(qū)電機(jī)應(yīng)采用比熱容較高的冷卻介質(zhì)。

綜上所述，所設(shè)計(jì)電機(jī)采用強(qiáng)迫水冷方式進(jìn)行冷卻。考慮車輛總體分配給地鐵車輛永磁直驅(qū)牽引電機(jī)的安裝空間、功率密度及轉(zhuǎn)矩密度要求，電機(jī)采用全封閉定子機(jī)殼水冷結(jié)構(gòu)。圖5（a）為電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)示意圖，定子鐵心的熱量傳導(dǎo)至機(jī)殼，通過(guò)對(duì)流換熱由機(jī)殼水道中的冷卻液帶走。圖5（b）為采用數(shù)值分析方法得到電機(jī)定子部件的傳熱分布圖，可以看出最高溫度為繞組端部，達(dá)到了130.5℃，符合電機(jī)絕緣等級(jí)的溫升要求，可見(jiàn)全封閉水冷結(jié)構(gòu)滿足電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)要求。

圖5 電機(jī)冷卻系統(tǒng)及仿真

4 樣機(jī)性能測(cè)試

4.1 樣機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果。永磁直驅(qū)同步牽引電機(jī)的樣機(jī)加工完成后，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的性能測(cè)試，測(cè)試根據(jù)IEC60349-4 規(guī)定的的電機(jī)試驗(yàn)大綱進(jìn)行[7]。

電機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果與項(xiàng)目指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)下表3。

表3 電機(jī)性能指標(biāo)和實(shí)測(cè)值對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果表明，研制出的樣機(jī)在效率、噪聲和溫升等方面明顯優(yōu)于技術(shù)要求的指標(biāo)，重量也符合車輛總體指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

該電機(jī)的成功研制表明我國(guó)已基本掌握了軌道交通車輛永磁直驅(qū)牽引電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，為直驅(qū)技術(shù)在地鐵車輛乃至軌道交通的應(yīng)用提供參考意見(jiàn)，也為我國(guó)鐵路裝備牽引傳動(dòng)系統(tǒng)升級(jí)換代奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。