電動公交車用永磁同步電動機設計

周立安

(中車株洲電機有限公司，湖南株洲412001)

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電動公交車用永磁同步電動機設計

周立安

(中車株洲電機有限公司，湖南株洲412001)

摘要針對12m電動公交車(以下簡稱車輛)用永磁同步電動機(以下簡稱電機)設計進行分析和介紹。主要從電機的設計技術參數和要求、電磁方案設計、結構設計特點和措施進行了說明和論述。最后通過試驗結果分析表明該電機滿足車輛的要求, 驗證了其設計的可行性和有效性。

關鍵詞永磁同步電動機；逆變器；電磁設計；防護等級

0引言

近年來，電動公交車以其噪聲小、零排放等優點得到了迅速的發展，已逐漸成為城市的重要交通工具。驅動電機作為其“心臟”，受安裝空間、惡劣工況及運行環境等諸多因素影響，該電機應具有以下技術特點：(1)基速以下輸出大轉矩，以適應起動、加速、負荷爬坡、頻繁起停等復雜工況；(2)基速以上為恒功率運行，以適應最高車速、超車等要求；(3)全轉速運行范圍內的效率最優化，以提高車輛的續駛里程；(4)結構堅固、體積小、重量輕、良好的環境適應性和高可靠性；(5)噪聲低、振動小，滿足乘客的舒適性要求；(6)低成本及大批量生產能力。

目前用于電動公交車的驅動電機類型主要有：異步牽引電動機、開關磁阻牽引電動機、永磁同步牽引電動機等。永磁同步牽引電動機因其具有高過載能力、高功率密度、高功率因素、寬廣的高效工作區、較寬的恒功調速范圍、體積小、重量輕等優點，在電動公交車上得到了廣泛的應用，這也代表了電動公交車用驅動電機的發展方向。

1 設計技術參數和要求

1.1技術參數及性能

電機類型：三相永磁同步變頻電機；供電電源：電壓源逆變器供電；應用場合：驅動12m電動公交客車；額定功率：80kW(S1)；峰值功率：150kW(5min)；額定電壓：258VAC；額定電流：188A；額定效率：95.9%；峰值電流：715A；額定頻率：110Hz；頻率范圍：0～260Hz；額定轉速：1100r/min；最高轉速：2600rpm；額定轉矩：694.5N·m；峰值扭矩：3300N·m；安裝型式：架懸；防護等級：IP55；冷卻方式：IC3W7；冷卻介質：50%-50%的乙二醇防凍液；冷卻介質進水口溫度：≤65℃；冷卻液流量：1.2m3/h。

(1)額定牽引特性

恒轉矩特性：694.5N·m，0～1100r/min；恒功率特性：80kW，1100～2600r/min。

(2)峰值牽引、制動特性

恒轉矩特性：3300N·m，0～434r/min；恒功率特性：150kW，434～1600r/min；自然特性：降功率，1600～2600r/min。

1.2設計要求

(1)車輛基本信息

軸式：4×2(中央電機直接驅動)；最大速度：≥70km/h；最大爬坡度：≥20%；傳動比：6.2；計算車輛輪徑：0.479m；車輛尺寸：12000×2550×3400；車輛最大總質量：18000kg。

(2)車載動力電源供電要求

額定電壓DC：384V；工作電壓DC：250～720V；工作電壓DC(全功率)：384～720V；工作電壓DC(限功率)：250～384V。

(3)逆變器對電機要求

最高工作頻率f：400Hz；最大線反電動勢VAC：600V轉速2600rpm，20℃；最大線電流I：750A；控制策略：一臺逆變器供電一臺電機；電機性能計算滿壓以前按最小電流控制，滿壓之后按弱磁控制設計。

(4)應用環境

電機應適應雨、雪、風、沙、鹽霧環境要求。

工作環境溫度：-20℃～+45℃，24h內平均溫度不高于40℃。

儲存溫度：-20℃～60℃。

海拔高度：海拔低于≤1500m。

(5)技術條件按電動汽車用電機及其控制器技術條件-第1部分GB/T 18488.1—2006執行。

1.3結構特點

電機安裝方式為架懸式，軸伸向下傾斜6°，通過8個M10螺栓和4個懸置軟墊安裝在車架上;防護等級IP55；水冷機座和前后端蓋采用鑄鋁合金；前后采用軸承單元結構；電機帶封閉的主接線盒，出線電纜通過軸伸端機座上方接線盒里面的接線座引出；電機非軸伸端帶旋轉變壓器；通過車輛上的水冷卻器對電機進行強迫冷卻，結構見圖1所示。

圖1結構總圖

2電磁設計

本電機在充分考慮電動公交車的牽引性能、逆變器的輸出能力和控制策略、供電電源輸出要求及應用環境等因素的前提下，如何按永磁同步電機設計特點，實現其匹配性設計，以及如何合理選取電機的電磁負荷、轉子磁路結構、永磁體尺寸及材料，提高轉矩密度、功率密度和效率，使損耗分布合理，同時增強散熱能力、提高電機絕緣的耐熱等級，使電機的牽引特性、溫升、效率、噪聲等指標滿足要求，是本電機設計的關鍵。

電磁計算采用場路結合的方法進行,主要從結構參數選取、牽引特性計算、全運行區間的效率、電磁噪音4個方面進行考慮。

2.1主要結構參數選取

(1)圓系

電機最大外形尺寸為Φ455×530mm(外徑×長度)，結合水冷機座結構和Y2系列電機標準圓系，定子沖片外徑取Φ400mm。

(2)極數

電機超速試驗時轉速為3120r/min，配套變頻器最高輸出頻率為400Hz,因此本電機只能選擇不大于14的極數。總體而言,輸出相同的轉矩,極數選擇越多，線圈端部越短，定子軛部空間越小，電機的體積和重量也就越小。但受磁鋼和定子槽合理布置約束，極數不能無限大，選擇12極最優。

(3)氣隙

在電機其它參數不變、僅改變氣隙大小的情況下，分別對峰值恒轉矩結束點的磁負荷和熱負荷、峰值恒功率結束點過載倍數、磁鋼的用量、工藝性等指標進行對比分析，氣隙取2.5mm最合理。

(4)定子

定子沖片選用72槽、槽形為梨形槽，繞組為散嵌繞組。為降低電機齒槽轉矩，定子采用斜槽結構，斜過的距離為1個定子齒距。

(5)永磁體的設計

永磁體在轉子中的擺放空間有限，要求永磁材料有較高的磁能積；同時高工作頻率可能產生永磁體本身渦流的損耗和定子溫度的影響，導致永磁體工作溫度較高。根據電機轉子溫升評估和抗去磁能力計算結果，永磁體選用NdFeB38UH。

電機選取內置徑向式轉子磁路結構，通過增加磁鋼厚度加大磁阻轉矩，以滿足弱磁范圍較寬、峰值轉矩大的要求。在相同空載反電動勢、轉子沖片滿足材料機械性能的條件下，給定最大線電流750A，分別對“V”型結構和“一”型結構進行有限元仿真對比分析，“V”型結構和“一”型結構分別見圖2、圖3。

圖2“V”型結構轉子沖片有限元最小周期模型

從圖2的模型可知，在轉子沖片外徑一定的條件下,每極的磁鋼空間有限,很難布置更多的磁鋼,仿真計算結果顯示,電機的峰值轉矩為2820N·m，不能滿足3300N·m要求，因此必須改變磁路結構型式。

圖3一字型結構轉子沖片有限元最小周期模型

在轉子沖片減重孔不變情況下,磁路結構由“V”型結構改為“一”型結構,按圖3的模型進行計算,電機的最大峰值轉矩為3415N·m,滿足3300N·m要求,因此電機磁路結構選用“一”型結構。

利用電磁場有限元分析軟件計算電機的空載反電動勢、空載漏磁系數及交直軸電感曲線，作為輸入數據在路的電磁計算程序中進行牽引特性計算。通過多種電磁方案對比和優化，最終定轉子槽形尺寸選擇如圖4所示，定子采用半閉口平行齒梨形槽，接法為Y，采用雙層疊繞組；轉子采用“一字”型結構。主要性能計算值見表1。

圖4　定、轉子槽形尺寸

2.3盡可能提高電機全運行區間的效率

適當增加電機的有效部分重量，一方面減少了電機的基本損耗(鐵耗和銅耗)；另一方面由于損耗的變少降低了電機的溫升，進一步減少了由此產生的熱損耗，提高了效率。

車輛正常運行時，電機經常工作在輕載區，輸出功率只有最大功率的1/5左右，其損耗中的可變損耗變化很大；為了提高電機輕載時的效率，必須增加鐵磁材料的重量來降低磁密，減少不變損耗，即鐵耗。

2.4降低電磁噪聲

本電機為全封閉水冷機座結構，最高運行速度只有2600r/min，通風噪聲和機械噪聲影響很小，因此電機噪聲主要來源于電磁噪聲。根據電磁噪聲產生的原因，采用下列方法降低電磁噪聲。

(1)選擇適當的氣隙磁密，不宜太高，但過低又會影響材料的利用率。

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(2)選擇合適的極槽配合，避免出現低次力波。

(3)定子采用斜槽結構，斜過的距離為1個定子齒距。

(4)定、轉子磁路對稱均勻。

3結構設計及措施

3.1電機結構

(1)定轉子沖片三圓尺寸借用Y2-250中心高電機落料模。

(2)為實現輕量化設計，水冷機座、前后端蓋采用鑄造鋁合金；同時在保證電機電磁性能、機械性能的前提下對轉子沖片減重孔的分布進行優化設計，進一步降低轉子鐵心重量。

(3)由于鋁合金的膨脹系數大約為鐵心的2倍，鋁合金機座與定子沖片的過盈量選取需按以下條件進行核算：既要滿足傳遞峰值轉矩所需最小過盈量(進水溫度為65℃，同時考慮機座與定子鐵心的溫差)，又確保最大過盈量時鋁合金機座和定子沖片機械性能在材料允許安全范圍內(電機儲存溫度-20℃)。

(4)為了拆裝方便，聯軸器與軸伸通過錐度面過盈配合傳遞扭矩。為了可靠性，在2倍峰值轉矩下對錐度面過盈量、聯軸器及軸伸強度進行校核，在額定轉矩下對軸伸進行疲勞校核。經核算聯軸器和軸伸均低于材料允許的抗拉和屈服強度。

3.2軸承結構

(1)針對車輛用電機傾斜安裝、振動沖擊的特點，軸承端選用柱軸承，非軸伸端選用球軸承，并對軸承進行壽命、最小負荷計算，同時電機的轉速不能超過軸承極限轉速的70%。經核算最小負荷、軸承極限滿足要求，且軸承壽命遠大于8年的整車壽命。

(2)為了裝配工藝性，前后采用軸承單元結構；為了保證軸承運行的可靠性，軸承座材料為鍛鋼，軸承外圈與軸承座之間為過渡配合，軸承內圈與轉軸之間為小過盈配合；為了避免端蓋與軸承座的溫度系數不同帶來的裝配質量問題，采用雙止口配合面結構。

(3)由于免維護密封軸承散熱差，運行溫度偏高，且難以滿足8年使用壽命，因此本電機軸承選用加潤滑脂結構，通過前后端蓋上的加油嘴定期進行補充。

3.3為了防止電機裝車后導致整車振動或無法起動，每臺電機應在車載控制器供電下，先在地面上進行旋變的調零及方向確認，合格后再帶懸置軟墊在試驗臺架上進行0～2600r/min空載振動測定試驗。

3.4絕緣結構

針對電壓源逆變器PWM控制供電給電機絕緣帶來的損害，電磁線采用耐電暈漆包圓線QP-2/200，它采用三層漆膜復合導線，其底漆為聚酯亞胺，面漆為聚酰胺酰亞胺，中間層為含抗高頻脈沖性能的納米材料的有機散嵌繞組；層間、相間、對地絕緣均采用H級耐電暈絕緣結構；定子繞組采用VPI TJ1158 H級無溶劑漆，以獲得良好的電氣、機械與熱性能。

3.5IP55防護等級結構設計

(1)軸承密封采用多曲路迷宮結構，前后軸承蓋與端蓋間采用止口過渡配合和涂密封膠密封。

(2)接線盒密封：接線盒蓋與接線盒座間采用O型密封圈密封；三相電源線進線采用IP67不銹鋼填料函密封；溫度傳感器、旋轉變壓器進線采用IP67電聯接器。

(3)前后端蓋與機座采用止口過渡配合，涂密封膠密封。

4試驗結果

電機與其控制器已在中國汽車技術研究中心做完強檢試驗，計算值和實測值見表2所示。電機效率MAP圖、電機及其控制器系統效率MAP圖分別見圖5 、 圖6。

表2　主要性能計算值和試驗對比

從表2可以看出：

(1)電機主要性能指標計算值基本和實測值相吻合。

(2)電機的絕緣系統為H級，繞組溫升按F級考核，電阻法允許溫升為105K，額定點和峰值點溫升有較大的余量；滾動軸承允許溫升為55K，軸伸端軸承和非軸伸端軸承溫升也有較大的余量。

(3)電機噪聲實測值高于標準或用戶要求。

(4)重量指標達到國內領先水平。

圖5電機效率MAP圖

圖6電機及其控制器系統效率MAP圖

從圖5、圖6可得知：電機、電機及其控制器的高效工作區都很寬廣。此外強檢試驗其它項也點均合格，并于2015年1月取得強檢強告。

該電機已批量裝車，2015年2月運行至今，電機牽引特性和溫升等指標完全符合設計要求，表明該電機的設計開發是成功和可行的。

5結語

本文綜合考慮電動公交車的牽引性能、逆變器的輸出能力和控制策略、供電電源輸出要求及應用環境等因素，對電機進行優化設計，通過電磁方案分析、結構設計說明及試驗驗證等，證明該電機具有起動轉矩大、高效工作區寬廣、轉矩轉速性能良好、體積小、重量輕、噪音低等優點，完全滿足12m電動公交車的驅動需求。該電機的成功開發為電動汽車用系列電機的開發積累了寶貴經驗。

參考文獻

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Design of Permanent Magnet Synchronous Motor for Electric Bus

ZhouLi′an

(CRRC Zhuzhou Electric Co.,Ltd.,Zhuzhou 412001,China)

AbstractIn this paper, analysis and introduction on permanent magnet synchronous motor (hereafter referred to as “motor”) for 12m electric bus (hereafter referred to as “bus”) developed by our company are made. Description and discussion are mainly made from technical parameter requirements, electromagnetic scheme, structure characteristics and measures. The test results show that this motor can meet requirements of the bus, and verify feasibility and validity of this design.

Key wordsPermanent magnet synchronous motor；inverter；electromagnetic design；protection degree

收稿日期：2015-11-25

作者簡介：周立安男1978年生；畢業于西南交通大學機械工程及自動化專業，現從事永磁電機的設計與開發等方面工作.

中圖分類號：TM313

文獻標識碼：A

文章編號：1008-7281(2016)02-0013-005

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.04