地鐵車輛用160kW 永磁直驅同步牽引電動機研制

晏才松 張道祿

（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲412001）

20 世紀90 年代隨著永磁材料性能的不斷完善以及電力電子技術的進步，永磁電機研發逐步成熟，也使永磁電機得到越來越廣泛的應用。永磁同步電機具備體積小、重量輕、功率密度大、低速輸出轉矩大、效率高、維護簡單等優點，電機為全封閉結構，無內部風冷噪聲。永磁同步電機輸出特性適用于直驅模式，當其與轉向架整合實現直驅后，可取消齒輪箱，減少傳動效率損失，降低維護量和傳動噪聲。

日本、德國等發達國家在永磁直驅技術方面發展得較早，其技術也相對較成熟。20 世紀90 年代，日本JR 公司開始研制永磁同步直驅牽引電機，并于2002 年在103 系列的動車組上載客運行考核，經過20 萬公里的運行數據對比，系統節能超過10%，噪聲也降低越5dB。西門子公開發的新型城軌列車用永磁同步直驅牽引電機系統，電機的功率為150kW，采用封閉式、機殼水冷的冷卻方式，與制動系統一起高度集成在轉向架上，電機的轉速大大降低從而降低噪聲約15dB，電機體積縮小約10%，效率提升了3%[1]。

經過各國過去二十多年的研究，永磁直驅技術已凸顯出其優點并顯示出強大的生命力，但同時該技術還有地方需要完善，比如永磁直驅電機的研發，如何將永磁直驅電機更好的與轉向架相結合而不惡化轉向架的固有性能，永磁直驅電機的控制等。

我國軌道車輛的永磁直驅技術尚處于起步階段，開展軌道交通車輛直驅永磁同步牽引電機研究可促進電機控制理論、電機本體電磁理論、生產制造、試驗驗證等多學科領域的進步，逐步提升我國在永磁直驅牽引系統領域的設計和應用能力，推動我國軌道交通牽引系統能夠產品的升級換代和技術創新。

本文地鐵車輛給定的技術指標和要求，研制了一臺160kW永磁直驅同步牽引電動機，從直驅電動機的技術特點、電機關鍵問題的解決、特殊結構的設計等方面進行了重點研究，并研制了樣機進行了測試。

1 地鐵車輛總體指標和要求

1.1 地鐵車輛總體要求。直驅式地鐵車輛采用6 節車廂的編制模式，其中動力車廂4 節，拖車2 節，規定運營速度不超過80km/h，全新輪徑740mm、半磨耗輪徑705mm[2]。

1.2 永磁直驅牽引電機的技術指標。永磁直驅牽引電機的主要技術指標見表1。

表1 永磁直驅牽引電機主要技術指標

圖1 為車輛牽引電機的牽引和制動特性曲線，要求最大牽引轉矩達到7400N.m，最大牽引功率222kW；最大制動轉矩6800N.m，最大制動功率403kW。

圖1 電機牽引和制動特性曲線

2 設計難點

2.1 直驅電機熱管理難題。永磁直驅牽引電機為了防止永磁體吸附空氣中的雜質而將電機內部封閉，其內部繞組、永磁體托散熱效果與強迫通風結構相比，冷卻效果差很多，整個電機溫度上升比較均勻，且軸承溫升限值最小。因此，全封閉結構電機如何將各部位的溫升控制在限值內是個難題。

2.2 對電機輕量化、小型化要求高。直驅牽引電機因轉矩成倍增加，使得牽引電機的體積質量會加大，尤其是抱軸式直驅電機，由于電機的轉速降低，相同情況下電機體積大幅增加，電機的質量增加，轉向架的簧下質量將會大大增加，導致運行過程中車輪對軌道的沖擊將會大大增加，其反作用力也將會讓電機受到的沖擊力增大，因此，對于直驅式結構的系統，對電機功率密度有更嚴格的要求。

2.3 直驅電機簧下使用環境適應性。永磁直驅電機采用彈性軸懸安裝方式，較傳統的架懸安裝方式，永磁電機承受的振動沖擊載荷增大，因此還需解決電機永磁體、軸承及絕緣結構在車輛簧下嚴酷使用環境的適應性難題。

3 關鍵技術

3.1 主要結構參數選取。（1）極數。電機內部空間的大小，決定著電機能輸出轉矩的大小。傳統異步齒輪式傳動，可以通過齒輪箱降速來提升轉矩，而直驅式結構去掉了齒輪箱，只能通過直驅電機直接輸出5 倍于齒輪傳動的異步牽引電機的轉矩，且兩種電機的安裝空間不變，因此直驅式牽引電機必須采用多極數的結構形式[4]。對于電機本體而言，極數越多，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，給予電機內部空間越大，也降低了電機重量。因地鐵直驅電機采用彈性軸懸安裝，電機需承受70g 的振動沖擊載荷，定子軛部需確保定量厚度進行強度設計。同時從工藝方面考慮，定子軛部也需相應厚度來給線圈端部并頭連線騰出空間。綜合考慮，選擇12 極的電機。（2）定子。一般軌道交通牽引電機的定子為開口槽，繞組采用成型的硬線圈制成。定子的槽數選為72 槽，定子槽傾斜一個定子齒距。（3）轉子。直驅化后對永磁同步牽引電機的輸出轉矩的大小要求成倍上升，地鐵車輛頻繁起停，牽引電機大部分時間運行在低速大扭矩區間。永磁同步電機采用內置式磁鋼結構后直軸和交軸電抗不同，會產生磁阻轉矩，可以降低電機起動區域工作電流。為了提高降低電機的體積、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 為電機的牽引性能計算結果，圖3 為電機牽引性能計算結果。

圖2 電機牽引性能

圖3 電機制動性能

3.2 輕量化結構設計。針對地鐵永磁直驅牽引電機低速大扭矩、輕量化和低噪聲的要求，結合車輛安裝空間的限制，進行電機機械結構、懸掛系統設計。

輕量化結構設計采取的主要措施有：（1）整體采用彈性軸懸結構，可降低機械結構件承受的振動沖擊載荷，進而開展減重設計。（2）電機定子采用全封閉水冷機殼結構，提高電機散熱能力，控制電磁有效部件重量，從而進行減重。（3）電機轉子采用空心軸設計，能取得較好的減重效果。（4）按照重要性對電機的各結構件進行分類管理，對運行安全影響較低的次要結構件，可以采用性能相當的低密度材料代替。（5）利用數值仿真分析方法對各機械結構進行應力和變形分析。

對電機的重要結構件進行數值仿真分析，圖4 為機座和轉子的應力分布圖。從圖中可以看出，直驅式永磁同步牽引電機的機座和轉子應力滿足所使用材料的強度安全，重要結構件的機械性能滿足技術指標。

圖4 關鍵零部件有限元仿真應力分布云圖

3.3 冷卻設計。一般軌道交通的異步牽引電動機采用與轉子同軸的自風扇冷卻，冷卻效果與轉子的轉速直接相關，在低速階段風扇的冷卻能力下降，但結構簡單，無需額外的電源供電，使用范圍較廣[5]。永磁直驅牽引電機的轉速僅為一般異步牽引電動機轉速的幾分之一，如采用同軸風扇無法滿足永磁電機的散熱需求，因此永磁直驅牽引電機一般采用強迫冷卻方式，避免電機轉速的影響。

永磁直驅牽引電機內部損耗不同于常規永磁電機，電機定子繞組銅耗大，鐵耗相對較小[6]。影響電機定子繞組溫升的銅耗較常規永磁電機更難被冷卻介質帶走，因此直驅電機應采用比熱容較高的冷卻介質。

綜上所述，所設計電機采用強迫水冷方式進行冷卻。考慮車輛總體分配給地鐵車輛永磁直驅牽引電機的安裝空間、功率密度及轉矩密度要求，電機采用全封閉定子機殼水冷結構。圖5（a）為電機冷卻結構示意圖，定子鐵心的熱量傳導至機殼，通過對流換熱由機殼水道中的冷卻液帶走。圖5（b）為采用數值分析方法得到電機定子部件的傳熱分布圖，可以看出最高溫度為繞組端部，達到了130.5℃，符合電機絕緣等級的溫升要求，可見全封閉水冷結構滿足電機的技術指標要求。

圖5 電機冷卻系統及仿真

4 樣機性能測試

4.1 樣機性能試驗結果。永磁直驅同步牽引電機的樣機加工完成后，對其進行相應的性能測試，測試根據IEC60349-4 規定的的電機試驗大綱進行[7]。

電機性能試驗結果與項目指標對比見下表3。

表3 電機性能指標和實測值對比

試驗結果表明，研制出的樣機在效率、噪聲和溫升等方面明顯優于技術要求的指標，重量也符合車輛總體指標要求。

5 結論

該電機的成功研制表明我國已基本掌握了軌道交通車輛永磁直驅牽引電機的關鍵技術，為直驅技術在地鐵車輛乃至軌道交通的應用提供參考意見，也為我國鐵路裝備牽引傳動系統升級換代奠定了堅實基礎。