永磁牽引電機在下一代地鐵上的應用

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

隨著社會經濟的快速發展，中國軌道交通事業也得到了蓬勃發展，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備。在科技快速發展的過程中，永磁材料的耐腐蝕性和熱穩定性都得到了極大改善，在電機中的應用成本也得到有效降低，永磁牽引電機在軌道交通中的應用越來越廣泛。軌道車輛中應用的永磁牽引電機一般要求有較小的體積、較輕的質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矩，在很寬的速度范圍內能夠進行平滑調速，從而能夠很好地實現對軌道車輛的轉矩控制。

1 永磁牽引電機特點

永磁牽引電機因為具有體積小、質量輕、效率高以及可靠性高等優點，在社會許多領域中得到了較為廣泛的應用，比如在工業生產、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展和應用[1-4]，永磁電機的發展也逐漸邁向大功率和高速化方向，在調速系統中的應用也越來越普遍。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，得到的定子電流和定子銅耗也相對較小。在進行穩態運行的過程中，永磁牽引電機不會出現轉子銅耗，和同規格的異步電機相比也可以提高一定程度的效率，在一定的額定負載范圍內，永磁牽引電機較高的功率因數和效率能夠得到保持，從而達到良好的節能效果。

（2）體積小、質量輕、可靠性高。近年來，新型永磁材料的發展和應用，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，體積和質量都大大減小了，應用范圍也變得越來越廣泛。

電機參數要求如表1所示。

表1 電機基本參數

2 電磁方案

2.1 永磁牽引電機極對數

轉子極數是永磁電機設計的關鍵參數，在對極數進行選擇時，既需要考慮其對電機性能的影響，又需要從系統匹配的角度考慮變流器的限制。

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

從系統匹配上，電機極對數高意味著高速工作頻率升高，于是要求變流器的開關頻率提高，且限制影響了中速段的控制策略，不利于系統工作在最優策略下，功率因數低、效率低。本電機最高轉速為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最多可選擇8極[6-8]。

2.2 永磁牽引電機轉子磁路結構

永磁電機可以分為表貼式和內置式兩種轉子結構。永磁電機垂直于轉軸的剖面圖如圖1所示。

圖1 永磁電機垂直于轉軸的剖面圖

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子的外側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時能夠避免表面磁鐵脫離。表貼式永磁電機具有較小的轉子慣性，沒有凸極性的鐵心形狀，在應用過程中會產生永磁轉矩，但不會產生磁阻轉矩。

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

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

（1）永磁牽引電機的轉矩密度要求比較高，采用了永磁體內置式的結構，利用磁阻轉矩達到高轉矩密度的要求；

（2）永磁牽引電機高速的特性要求轉子的機械強度要高，根據這一點選擇每極永磁體多分段的內置式轉子結構，并對磁橋進行優化；

（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，對各轉子結構反復核算驗證，最終選定內置式轉子方案，其優點為起動轉矩高、功率密度高、工藝簡單可靠。

3 電機結構

電機由定子裝配、轉子裝配、軸承裝配及附件裝配等組成。電機為全封閉無機殼結構，采用自帶同軸風扇鼓入式外循環冷卻方式。定子繞組采用成型繞組，轉子鐵心通過熱套在轉軸上、通過過盈配合傳遞轉矩。

3.1 定子

定子采用全疊片無機殼焊接結構，即通過4塊筋板將兩側定子壓圈、定子沖片及定子端板焊接成一個整體。該結構具有質量輕、散熱效果好等優點。

定子沖片采用高導磁率、低損耗的硅鋼片，沖片上開有冷卻風路用通風孔。定子線圈采用成型繞組，絕緣結構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 轉子

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

3.3 軸承結構

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，牽引電機轉子重力，由磁場回路不對稱產生的單邊磁拉力，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 軸承壽命計算結果

3.4 外圍附件

為了監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子速度和位置的旋轉變壓器。旋變定子通過激勵源產生磁場，電動機運行時，旋變轉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生變化，控制系統通過采集旋變定子輸出的正弦、余弦信號可準確判斷電動機轉子磁極的位置。

4 通風冷卻結構

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，導致地鐵牽引電機輸出轉矩及工作轉速時刻在變化。電機大部分工作在低速大轉矩區間，地鐵車輛牽引電機通常采用自帶同軸風扇冷卻。電機冷卻風量的大小與電機轉速息息相關，在低速大電流區域（電機輸出大轉矩所致），電機冷卻風量最小，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 風量需求

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

4.2 冷卻風路

根據所求得的電機冷卻風量需求，再結合電機結構設計中冷卻風速設計原則（冷卻風速控制在20～30 m/s效果為佳）及減重需求，可確定電機冷卻風路所需的通風面積介于17 100～25 650 mm2。電動機采用全封閉通風冷卻結構，采用自帶同軸風扇的外循環冷卻方式，如圖2所示。

圖2 電機冷卻風路示意圖

為提高冷卻效果和降低噪聲，優化冷卻風路徑，盡可能減少風路中的障礙物、風路改變方向時采取平滑過渡結構等。

4.3 通風結構流體場仿真

采用CFD仿真分析，對通風孔數量以及面積進行多參數優化，確定通風結構參數，使方案滿足總體要求。電機內部流體場分布如圖3所示。

圖3 電機內部流體場分布

5 永磁牽引電機關鍵技術

5.1 防止永磁體退磁技術

如果永磁牽引電機出現設計問題，或受到沖擊電流產生電樞反應作用，很容易發生失磁現象，不僅會造成永磁牽引電機的性能下降，而且會導致電機無法使用[1]。下一代地鐵永磁牽引電機通過對永磁材料的熱穩定性進行深入研究，對不同磁路結構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計制造時，避免出現電機失磁現象。

在進行下一代地鐵永磁牽引電機設計的過程中，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，可以有效增加電機的可靠性。下一代地鐵采用自通風冷卻方式，通過仿真計算出散熱的通風量，對電機結構的冷卻風路進行優化，自帶同軸風扇的外循環冷卻方式。同時，選擇材料時要選擇具有較高耐溫等級的永磁體，在結構和工藝上采用拼塊式結構，這樣能夠有效抑制渦流損耗，通過對通風系統進行合理設計，能夠有效達到相應的冷卻要求。

5.2 反電動勢的設計與校核

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，進行旋轉時在定子繞組中會感應到較大的反電勢能，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時，所產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，由于逆變器相關電路會起到整流作用，導致產生再生制動，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計時，關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計方案[5-8]。

6 結束語

本文對下一代永磁牽引電機電磁設計方案、電機結構、通風冷卻結構進行了介紹，分析了永磁牽引電機設計的關鍵技術，并對永磁牽引電機關鍵技術在軌道車輛中的應用進行了探討。綜上所述，永磁牽引電機具有較小的體積和較輕的質量，并且具有較大的啟動轉矩和較好的動態性能，能夠對地鐵車輛實現無齒輪箱的直接驅動，因此在機車車輛中的應用越來越廣泛。