大功率機(jī)車水冷永磁直驅(qū)牽引電機(jī)研制

周立安，晏才松，余 超，李會蘭，劉苛揚

(中車株洲電機(jī)有限公司， 株洲 412001)

0 引 言

目前國內(nèi)外大功率機(jī)車驅(qū)動系統(tǒng)一般采用齒輪箱結(jié)合異步牽引電動機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動解決方案。該技術(shù)遇到了發(fā)展瓶頸，其存在的效率低、傳動復(fù)雜、維護(hù)困難、噪聲高、漏油等問題，一直無法得到徹底解決，嚴(yán)重制約了大功率機(jī)車驅(qū)動系統(tǒng)向高效率、小型化、輕量化、高可靠性及免維護(hù)等方向發(fā)展。而直接驅(qū)動是取消齒輪傳動裝置,將牽引電機(jī)與車軸直接機(jī)械耦合驅(qū)動車輛輪對，其結(jié)構(gòu)更加緊湊，傳動效率更高，解決了齒輪箱油帶來的環(huán)境污染，減少了維護(hù)成本，是繼交流傳動技術(shù)替代直流傳動技術(shù)后又一新的重大技術(shù)跨越，成為下一代大功率機(jī)車驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展方向和各國競相研究的技術(shù)熱點[1]。

與異步牽引電動機(jī)相比，永磁牽引電機(jī)利用磁鋼產(chǎn)生主磁通，定子不需要吸收電網(wǎng)無功電流從而減少了繞組銅耗，轉(zhuǎn)子也沒有銅耗，在保持異步牽引電動機(jī)優(yōu)異性能的同時，還兼具了四大優(yōu)勢：一是永磁牽引電機(jī)效率曲線更符合機(jī)車牽引工況波動大的實際運行狀況，可滿足節(jié)能需求，低速、輕載工況節(jié)能更顯著；二是可以更靈活地選擇多極方案，在轉(zhuǎn)向架有限安裝空間和質(zhì)量允許條件下實現(xiàn)直接驅(qū)動成為可能，從而簡化傳動裝置，提高傳動效率；三是更容易采用全封閉結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)低噪音、免維護(hù)；四是同等功率下永磁牽引電機(jī)較異步牽引電機(jī)體積小，質(zhì)量輕，外形尺寸更適應(yīng)轉(zhuǎn)向架狹小空間設(shè)備布置需求。因此永磁牽引電機(jī)符合機(jī)車驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢，可以為機(jī)車運行提供一種性能更優(yōu)和全壽命周期成本更低的驅(qū)動模式，具有廣闊的發(fā)展和市場應(yīng)用前景。

目前國內(nèi)外永磁牽引系統(tǒng)在城軌車輛和高速動車組領(lǐng)域已進(jìn)入應(yīng)用推廣階段，德國Siemens公司在機(jī)車領(lǐng)域也開展了永磁直驅(qū)樣機(jī)試制和線路考核研究，而國內(nèi)在該領(lǐng)域技術(shù)的研究尚處于起步階段。機(jī)車大功率永磁電機(jī)由于受質(zhì)量和體積嚴(yán)格限制，以及大沖擊、大起動轉(zhuǎn)矩、嚴(yán)酷環(huán)境等不利因素疊加影響，技術(shù)研究要求門檻高，其顯著的技術(shù)優(yōu)勢被國外作為前沿技術(shù)對他國進(jìn)行了嚴(yán)密的技術(shù)封鎖。我國軌道交通產(chǎn)業(yè)經(jīng)過了引進(jìn)-消化-吸收-再創(chuàng)新后，整體裝備技術(shù)已達(dá)到世界先進(jìn)水平，但大功率機(jī)車水冷永磁直驅(qū)牽引電機(jī)技術(shù)的研究仍處于空白，開展相關(guān)研究可提高我國在大功率機(jī)車驅(qū)動系統(tǒng)領(lǐng)域的自主研發(fā)能力和核心競爭力，打破國外核心技術(shù)壟斷，推動我國大功率機(jī)車產(chǎn)品動力驅(qū)動模式的升級換代和技術(shù)創(chuàng)新[2-3]。

本文結(jié)合大功率機(jī)車對牽引電機(jī)的技術(shù)要求，就如何設(shè)計適用于大功率機(jī)車永磁直驅(qū)牽引電機(jī)進(jìn)行了研究，首先就我公司研制的大功率機(jī)車水冷永磁直驅(qū)牽引電機(jī)(以下簡稱牽引電機(jī))設(shè)計難點進(jìn)行了剖析，再對匹配、電磁、冷卻及輕量化設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了說明，最后通過試驗結(jié)果驗證了設(shè)計的合理性、準(zhǔn)確性和可行性。

1 技術(shù)要求

1.1 機(jī)車牽引制動特性曲線

1.2 變頻器對牽引電機(jī)要求

圖1 機(jī)車牽引制動特性曲線

表1 變頻器對牽引電機(jī)要求

1.3 牽引電機(jī)安裝空間

圖2 牽引電機(jī)安裝空間

1.4 環(huán)境條件

a)海拔高度不超過2 500 m，環(huán)境溫度-40 ℃～40 ℃，進(jìn)水口溫度65 ℃；

b)相對濕度不大于95%；

c)能適應(yīng)風(fēng)、沙、雨、雪等極端天氣。

1.5 牽引電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)要求

表2 牽引電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 設(shè)計難點

2.1 系統(tǒng)匹配設(shè)計

變頻器功率器件和已有的異步牽引電機(jī)IGBT保持一致，受制于其電流、耐壓能力和開關(guān)頻率峰值限值，不能按永磁電機(jī)的特點進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計，同時受到整車特性、驅(qū)動單元等邊界條件約束，這給牽引電機(jī)與系統(tǒng)的匹配設(shè)計帶來諸多技術(shù)難點。

2.2 熱管理難題

牽引電機(jī)由于永磁體吸附空氣中的灰塵及鐵屑而采用全封閉結(jié)構(gòu)，入口水溫高達(dá)65 ℃，散熱條件較差；低速永磁直驅(qū)牽引電機(jī)銅耗占比遠(yuǎn)高于常規(guī)永磁電機(jī)，低開關(guān)頻率變頻器負(fù)載帶來許多的諧波；同時系統(tǒng)設(shè)計受到冷卻系統(tǒng)方案的制約，這些都給牽引電機(jī)的溫升控制帶來較大的困難。

2.3 小型化、輕量化要求高

在整車牽引制動特性一致情況下，傳統(tǒng)驅(qū)動方式異步牽引電機(jī)質(zhì)量為2 350 kg，齒輪箱傳動比為3.87，安裝空間為Φ840 mm×900 mm，冷卻采用開啟強(qiáng)迫通風(fēng)結(jié)構(gòu)。本牽引電機(jī)外形尺寸只有異步牽引電機(jī)外形尺寸的1.51倍,但轉(zhuǎn)矩是異步牽引電機(jī)的3.97倍(傳動效率0.975，傳動比3.87)，其轉(zhuǎn)矩密度提高了2倍以上。同時，牽引電機(jī)受全封閉冷卻結(jié)構(gòu)、懸掛安裝、大扭矩及振動沖擊運行工況等因素制約，給牽引電機(jī)的小型化、輕量化的設(shè)計帶來了很大挑戰(zhàn)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)匹配設(shè)計

3.1.1 牽引電機(jī)主要尺寸確定

從機(jī)車牽引傳動系統(tǒng)角度而言，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)速n可用以下式表示：

(1)

(2)

式中:F為機(jī)車每個輪對牽引力；VL為機(jī)車運行速度；DL為輪對輪徑；η為機(jī)械傳動效率(直驅(qū)時為1)；i為傳動比(直驅(qū)時為1)；T為電機(jī)轉(zhuǎn)矩；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

從牽引電機(jī)自身角度而言其轉(zhuǎn)矩T公式為：

(3)

式中：P為電機(jī)輸出功率；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；a′p為計算極弧系數(shù)；KNm為氣隙磁場的波形系數(shù)；Kdp為定子繞組系數(shù)；L為電機(jī)定子鐵心計算長度；A為定子線負(fù)荷；D為定子鐵心內(nèi)徑；Bδ為氣隙磁密。

由式(1)～式(3)可知，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩T與輪對輪徑DL成正比，與定子鐵心內(nèi)徑D二次方成正比，電機(jī)轉(zhuǎn)速與輪對輪徑DL成反比，對轉(zhuǎn)矩密度要求高的牽引電機(jī)而言，輪徑越大越利于其方案設(shè)計，在滿足機(jī)車運行界限和傳動系統(tǒng)安裝要求前提下，應(yīng)盡量爭取最大的外形輪廓尺寸。除此之外，應(yīng)充分利用永磁電機(jī)多極特點，充分利用機(jī)座內(nèi)腔，定子內(nèi)圓有效體積D2L越大，轉(zhuǎn)矩發(fā)揮能力越強(qiáng)，質(zhì)量越容易控制[4-5]。

3.1.2 磁路結(jié)構(gòu)選取

內(nèi)置式結(jié)構(gòu)堅固、抗去磁能力強(qiáng)、凸極率高、弱磁范圍廣，可以充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，提高轉(zhuǎn)矩密度，需要從電機(jī)的角度解決反動勢對系統(tǒng)的影響；表貼式結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)更多的極數(shù)且其結(jié)構(gòu)更容易實現(xiàn)電機(jī)的輕量化，但其工藝復(fù)雜、反電動勢高、需要更高頻率的功率器件抑制電機(jī)諧波，由于只有永磁轉(zhuǎn)矩，需要更高的空載反動勢提高轉(zhuǎn)矩密度，只能從系統(tǒng)和控制策略的角度解決高反電動勢帶來的不利影響。由于本項目受制于控制器功率器件輸出能力限制，從式(4)可知如果采用表貼式方案，無法滿足功率輸出需求，故只能選擇內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)。

電機(jī)電磁功率Pem公式如下：

Pem=ΩTem=(ω/p)p(ψdiq-ψqid)=

ω[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]=

e0iq+(Xd-Xq)idiq

(4)

式中：Pem為電磁功率；Ω為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；Tem為電磁轉(zhuǎn)矩；ω為電角速度；p為極對數(shù)；ψd為直軸磁鏈；ψq為交軸磁鏈；ψf為永磁體產(chǎn)生的磁鏈；iq為交軸電流；id為直軸電流；Ld為直軸電感；Lq為交軸電感；e0為空載反電動勢；Xd為直軸同步電抗；Xq為交軸同步電抗[5]。

3.1.3 冷卻方式的選取

一般大功率機(jī)車異步牽引電機(jī)采用開啟式強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)，散熱條件好。永磁牽引電機(jī)為了保證永磁體工作環(huán)境的清潔，采用全封閉結(jié)構(gòu)，散熱條件較差，通常有機(jī)殼水冷、機(jī)殼強(qiáng)迫通風(fēng)及轉(zhuǎn)軸自帶風(fēng)扇3種冷卻方式。由于永磁直驅(qū)牽引電機(jī)工作在低速大轉(zhuǎn)矩區(qū)間，定子繞組銅耗占比遠(yuǎn)高于常規(guī)永磁電機(jī)，從式(5)、式(6)可知增強(qiáng)電機(jī)散熱能力及降低絕緣熱阻有利于電機(jī)溫升的控制，采用轉(zhuǎn)軸自帶風(fēng)扇或強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻方式已不能滿足其散熱需求，全封閉機(jī)殼強(qiáng)迫水冷是比較理想的選擇。強(qiáng)迫水冷不但有較大的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，且冷卻能力相對空氣而言受海拔高度影響小，對運行地域、風(fēng)沙惡劣環(huán)境及站間距適應(yīng)能力較強(qiáng)。

對流傳熱的基本計算式是牛頓冷卻公式：

Φ=hAΔt

(5)

式中：Φ為散熱量；h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；A為散熱面積；Δt為被冷卻物體與冷卻介質(zhì)溫差。自解對流時空氣表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取值1～10 W/(m2·K)，強(qiáng)制對流時空氣表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取值20～100 W/(m2·K),強(qiáng)制對流時水表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取值1 000～1 500 W/(m2·K)[6]。

定子繞組銅與鐵心之間的絕緣熱阻RCF：

(6)

式中：δCF為銅鐵之間的總厚度；λCF為合成熱導(dǎo)率；ACF為絕緣和鐵心接觸面積[7]。

3.1.4 懸掛及傳動方式

大功率機(jī)車牽引電機(jī)傳動及懸掛有兩種方式，一種為抱軸式懸掛、齒輪傳動，另一種為彈性架懸、六連桿空心軸柔性傳動，為了減輕牽引電機(jī)振動，便于其結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計，選用彈性懸掛及柔性傳動方式。

3.2 電磁設(shè)計

在充分考慮變頻器輸出能力、安裝空間、冷卻條件及水套機(jī)座散熱能力基礎(chǔ)上，保證起動轉(zhuǎn)矩所需峰值電流及額定轉(zhuǎn)矩所需額定電流滿足變頻器輸出限制要求、峰值功率在最高轉(zhuǎn)速下滿功率發(fā)揮能力的前提下，合理選取關(guān)鍵電磁參數(shù)，平衡好高效率、輕量化、高起動轉(zhuǎn)矩與低起動電流等因素間的矛盾，嚴(yán)格控制銅耗和有效材料質(zhì)量，改善牽引電機(jī)對非正弦波電源諧波抑制能力，降低轉(zhuǎn)矩脈動，使?fàn)恳姍C(jī)的溫升、效率、質(zhì)量等指標(biāo)滿足技術(shù)要求[5，8]。

3.2.1 極數(shù)

電機(jī)極數(shù)越高，線圈端部尺寸越短，定子軛部越短，機(jī)座內(nèi)腔空間利用越充分，定子內(nèi)圓有效體積D2L越大，轉(zhuǎn)矩發(fā)揮能力越強(qiáng)，輕量化越容易實現(xiàn)，綜合考慮轉(zhuǎn)矩、效率、質(zhì)量及變頻器開關(guān)頻率等因素，選擇極數(shù)為16極。

3.2.2 氣隙

為更好地適應(yīng)低開關(guān)頻率變頻器供電電源和振動沖擊運行工況，應(yīng)適當(dāng)增加氣隙長度，抑制諧波損耗、減小雜散損耗和降低轉(zhuǎn)矩脈動，提高牽引電機(jī)裝配工藝性、可靠性和運行穩(wěn)定性。

3.2.3 定子

綜合考慮傳動方式、懸掛及散熱能力，牽引電機(jī)選擇外定子(內(nèi)轉(zhuǎn)子)結(jié)構(gòu)。定子采用200級耐電暈絕緣結(jié)構(gòu)、開口槽成型繞組，極相組取整數(shù)槽，定子斜一個齒距，合理選擇定子內(nèi)徑、匝數(shù)及鐵心長等參數(shù)，采用場路結(jié)合的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化反電動勢波形，改善變頻器諧波帶來的不利影響，降低齒槽轉(zhuǎn)矩，嚴(yán)格控制定子銅耗使定子繞組溫升滿足材料允許的安全限值。

3.2.4 轉(zhuǎn)子

永磁體采用高磁能積和耐溫性能好的稀土材料，利于降低電機(jī)體積和轉(zhuǎn)子沖片應(yīng)力，提高磁鋼高溫工況的可靠性。轉(zhuǎn)子選取一字形磁路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在利用空載反電動勢產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩，降低峰值電流，提高過載能力，盡可能增大轉(zhuǎn)子內(nèi)徑實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的輕量化。

圖3為電機(jī)的有限元模型；圖4、圖5分別為電機(jī)的牽引性能和制動性能計算結(jié)果；圖6、圖7分別為電機(jī)額定電流及其傅里葉分析計算結(jié)果；圖8、圖9分別為電機(jī)空載線反電動勢及其傅里葉分析計算結(jié)果。

圖3 電機(jī)有限元模型

圖4 電機(jī)額定牽引性能

圖5 電機(jī)制動性能

圖6 電機(jī)額定電流波形

圖7 電機(jī)額定電流傅里葉分析圖

圖8 空載線反電動勢波形

圖9 空載線反電動勢傅里葉分析圖

3.3 冷卻設(shè)計

繞組采用端部灌封和高導(dǎo)熱絕緣材料，減小了導(dǎo)熱熱阻，降低了繞組平均溫升、繞組端部最高溫度及它們之間的溫差，同時可減少繞組端部熱量向軸承傳遞；增加端蓋與機(jī)座并聯(lián)水路，降低水阻及入水口溫度，加強(qiáng)軸承散熱，降低軸承溫度。

基于流體場、溫度場和逆變器供電下的電磁渦流損耗，建立牽引電機(jī)物理模型，合理平衡電磁損耗、流場、溫度場之間的相互關(guān)系，開發(fā)機(jī)座與端蓋一體化水冷冷卻結(jié)構(gòu)，改善牽引電機(jī)定子絕緣、轉(zhuǎn)子磁鋼和軸承散熱能力，解決銅耗高散熱難題，實現(xiàn)了電機(jī)關(guān)鍵部位溫升控制。

圖10 電機(jī)端部灌封示意圖

圖11 電機(jī)冷卻水路圖

圖12 電機(jī)溫度分布云圖

3.4 輕量化設(shè)計

前后端蓋結(jié)構(gòu)上采用“以空代實”，對筋的數(shù)量分布和截面形狀進(jìn)行優(yōu)化，在滿足機(jī)械性能的前提下盡量多的增加減重孔，再通過薄壁圓筒對減重孔進(jìn)行封閉，保證電機(jī)的全封閉防護(hù)性能。轉(zhuǎn)軸采用大尺寸薄壁空心軸結(jié)構(gòu)，直接與轉(zhuǎn)子鐵心過盈配合聯(lián)接，在滿足其加工工藝及機(jī)械性能的前提下盡可能輕量化。機(jī)座水道采用薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，懸掛采用鋼板組焊結(jié)構(gòu)，保證機(jī)座整體剛度和強(qiáng)度性能前提下，降低機(jī)座圓筒和懸掛質(zhì)量。

建立三維模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和模態(tài)仿真計算時，充分考慮極限工況加載邊界條件，加速度按IEC61373—2010《機(jī)車車輛設(shè)備沖擊振動試驗》中2類振動條件選取，結(jié)合公司已有的牽引電機(jī)輕量化設(shè)計技術(shù)和高強(qiáng)度新型材料的應(yīng)用，基于有限元全面優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，突破牽引電機(jī)的小型化、輕量化，滿足了大功率永磁牽引電機(jī)輕量化、高扭矩密度和高可靠性要求。圖13、圖14分別為轉(zhuǎn)軸和牽引電機(jī)整機(jī)仿真應(yīng)力分布云圖，可見強(qiáng)度性能滿足要求。

圖13 轉(zhuǎn)軸應(yīng)力云圖

圖14 牽引電機(jī)整機(jī)應(yīng)力云圖

牽引電機(jī)運行工況復(fù)雜，為避免產(chǎn)生共振，須進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。圖15～圖18分別為前四階模態(tài)振型分析圖，模態(tài)固有頻率如表3所示。

圖15 牽引電機(jī)一階振型

圖16 牽引電機(jī)二階振型

圖17 牽引電機(jī)三階振型

圖18 牽引電機(jī)四階振型

根據(jù)牽引電機(jī)實際安裝狀態(tài)進(jìn)行約束固定，分析其結(jié)構(gòu)模態(tài)。由于牽引電機(jī)采用三點懸掛結(jié)構(gòu)，振型中表現(xiàn)出相對較弱的部位在其底部。牽引電機(jī)1.2倍額定轉(zhuǎn)速1 108 r/min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動機(jī)械頻率18.5 Hz，整機(jī)模態(tài)固有頻率與其相差70%以上，不會產(chǎn)生共振，結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計要求。

表3 牽引電機(jī)模態(tài)固有頻率

4 試驗結(jié)果

樣機(jī)試制完成后，根據(jù)IEC 60349-4編制試驗大綱，對其進(jìn)行了例行試驗、型式試驗、地面聯(lián)調(diào)試驗。試驗結(jié)果與項目指標(biāo)對比如表4所示，牽引電機(jī)試驗現(xiàn)場照片見圖19。

表4 試驗結(jié)果和項目指標(biāo)對比

圖19 試驗照片

試驗結(jié)果表明，樣機(jī)各項技術(shù)指標(biāo)均滿足項目要求，表明該電機(jī)的設(shè)計開發(fā)是成功的。

5 結(jié) 語

針對本項目技術(shù)要求，對其技術(shù)難點進(jìn)行了深入剖析，并對匹配、電磁、冷卻及輕量化設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了認(rèn)真研究，提出了轉(zhuǎn)子 一字形磁路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、機(jī)座與端蓋一體化水冷結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)熱絕緣材料及端部灌封結(jié)構(gòu)、大尺寸薄壁空心轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)、“以空代實” 端蓋結(jié)構(gòu)等有效措施，試驗結(jié)果驗證了設(shè)計的合理性、可行性和準(zhǔn)確性，為永磁直驅(qū)技術(shù)在大功率機(jī)車的應(yīng)用推廣提供參考，也為我國大功率機(jī)車永磁驅(qū)動技術(shù)路線的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。