永磁直驅(qū)牽引電機磁鋼分段對軸承溫升的影響*

孫德強，李嘉賓，倪 偉，吳 楠，張江濤

（中車永濟電機有限公司，西安 710016）

軌道車輛直接驅(qū)動技術相對傳統(tǒng)的齒輪箱傳動技術，具有傳動效率高、傳動結(jié)構(gòu)簡單、維護成本低等優(yōu)勢。該技術是將驅(qū)動電機直接與車輛車軸連接，牽引電機直接驅(qū)動車輪，減少了車輪與車軸之間的傳動齒輪箱，精簡了機車驅(qū)動機構(gòu)，使車輛效率更高，質(zhì)量更輕，噪聲也得到了減小。中國鐵路總公司在2017 年開展了大功率永磁直驅(qū)驅(qū)動技術研究，研究車輛采用了直驅(qū)式永磁同步電動機，某公司承接了該項目中牽引電機的研制工作［1］。電機試制完成后，進行了研究性試驗，試驗結(jié)果顯示電機運行性能能夠滿足車輛要求，然而軸承處溫度較高，溫升超限。電機軸承處溫升過高會影響軸承壽命，增加運行過程中的機械損耗，嚴重時甚至導致電機故障。因此，有必要尋找一種能夠有效降低電機軸承溫升的方法來解決電機中軸承溫升超限問題。

研究以解決永磁直驅(qū)牽引電機軸承溫升超限問題為目的，對比分析了多種降低軸承溫升的方法，選出了一種能夠不影響電機性能且不改變電機結(jié)構(gòu)的軸承降溫方案—磁鋼分段技術；采用理論分析和有限元仿真相結(jié)合的方法分析了磁鋼分段對渦流損耗的影響機理，結(jié)合制造工藝確定了合適的分段數(shù)量；對磁鋼分段前后的試驗樣機分別進行長時溫升試驗，分析試驗結(jié)果，驗證磁鋼分段技術的降溫效果和磁鋼分段數(shù)量的合理性。

1 改善軸承溫升的方案選擇

電機溫升的降低方案一般從2 方面著手，一方面是設法減少電機的損耗，以便減少損耗產(chǎn)生的熱量；另一方面是提高電機的散熱能力，改進冷卻方法［2］。本電機是采用強迫通風方式冷卻，且電機結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)確定，難以通過增加散熱能力的方法來降低溫升。而電機定子損耗與電源諧波、電磁參數(shù)及運行工況有關，為保證電機性能，電機定子損耗難以得到有效的降低，且定子損耗的降低對軸承的溫升影響很小，所以排除降低定子損耗的方法。轉(zhuǎn)子損耗是轉(zhuǎn)子溫升的直接影響因素，且轉(zhuǎn)子與軸承直接接觸，轉(zhuǎn)子損耗會直接影響到軸承溫升。因此，為有效地降低軸承溫升，降低轉(zhuǎn)子損耗是一種比較合理的技術手段。

近年來，國內(nèi)外學者對降低永磁電機轉(zhuǎn)子損耗的方法進行了大量探索。劉富貴等［3］研究了不同層數(shù)集中繞組及磁鋼圓周分段下表貼式永磁電機的轉(zhuǎn)子損耗，對比了轉(zhuǎn)子d、q軸開槽對轉(zhuǎn)子損耗的影響，得出定子采用多層繞組及轉(zhuǎn)子圓周軸向分段能夠降低轉(zhuǎn)子損耗且轉(zhuǎn)子q軸開槽較d軸開槽更有利于削弱轉(zhuǎn)子損耗。路文開等［4］研究了不同的充磁方向?qū)Ω咚匐姍C轉(zhuǎn)子渦流損耗造成的影響，得出空載條件下，徑向充磁方式轉(zhuǎn)子渦流損耗較小，負載增加時，平行充磁方式轉(zhuǎn)子渦流損耗較小。張德金等［5］進行了SPWM 逆變器供電條件下以降低轉(zhuǎn)子渦流損耗為目標的電機結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，揭示了電機結(jié)構(gòu)參數(shù)對轉(zhuǎn)子渦流損耗的規(guī)律，提出了通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)抑制轉(zhuǎn)子渦流損耗的具體策略。王曉遠等［6］提出了一種在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)的磁鋼表面覆蓋銅板的方式來減少磁鋼損耗的方法，并通過有限元分析和電機試驗驗證了該方法的有效性。孫德強等［7］以一臺機車牽引電機為基礎，研究了磁鋼分段對內(nèi)置式永磁電機的影響規(guī)律。上述研究為降低轉(zhuǎn)子渦流損耗提供了多種有效措施，綜合比較能夠發(fā)現(xiàn)，磁鋼分段能夠在不影響電機其他性能的基礎上降低磁鋼渦流損耗。由于磁鋼轉(zhuǎn)子多為封閉結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子散熱條件不夠好，較少的渦流損耗也將導致軸承處產(chǎn)生較大的溫升，因此降低電機磁鋼的渦流損耗即可降低電機軸承溫升。且磁鋼分段方式不需要改變電機定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，對于已經(jīng)確定的電機方案來說比較方便。因此，最終確定采用磁鋼分段的方案來降低軸承溫升。

2 轉(zhuǎn)子渦流損耗的理論分析

為研究磁鋼分段對電機溫升的影響，需要找出磁鋼分段對渦流損耗的影響規(guī)律，因此要先對磁鋼渦流損耗的產(chǎn)生機理進行分析。

磁場諧波在磁鋼內(nèi)形成渦流損耗的透入深度為式（1）：

式中：δ為透入深度；ω為諧波角頻率；μ為磁導率；σ為電 導 率。

當透入深度大于磁鋼的磁化方向長度和寬度時，諧波電流將貫穿整個磁鋼，而磁鋼電導率較高，永磁電機在正常運行時，諧波電流容易貫穿整個磁鋼，所以可將磁鋼作為電導體進行分析。將磁鋼作為一個激勵電導體，長和寬分別是2a和2b，磁鋼長和寬的等效電阻分別是Ra和Rb。磁鋼分段后長和寬的等效電阻發(fā)生變化，磁鋼渦流也發(fā)生變化，磁鋼分段前后等效電阻的變化如圖1 所示。

圖1 磁鋼分段前后的效果對比

由圖1 可以看出，磁鋼分段增加了磁鋼的等效電阻。將磁鋼內(nèi)的渦流等效為理想電流模型，根據(jù)文獻［8-9］對轉(zhuǎn)子渦流損耗理論的研究，可以將圖1 中磁鋼分段前后的渦流損耗表示為式（2）～式（4）：

式中：C為系數(shù)；Φ為穿過整個磁鋼的磁通；N為分段數(shù)量；P、P1、P2分別為磁鋼未分段、磁鋼徑向分段和磁鋼軸向分段時的轉(zhuǎn)子渦流損耗。

由轉(zhuǎn)子渦流損耗的表達式可以看出，磁鋼分段后表達式的分母變大，說明磁鋼分段后的渦流損耗要小于分段前的渦流損耗；且N值越大，表達式數(shù)值越小，說明磁鋼分段數(shù)越多，渦流損耗越小，即渦流損耗隨磁鋼分段數(shù)目的增加而逐漸減??；渦流損耗隨磁鋼分段數(shù)量大致呈反比例關系。

3 磁鋼分段對轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響

由上節(jié)對磁鋼分段機理的理論分析可知磁鋼分段數(shù)量越多，渦流損耗越小，然而在實際生產(chǎn)中，磁鋼分段會導致工藝成本的增加，且磁鋼分段數(shù)量達到一定程度后，隨著分段數(shù)的增加，磁鋼渦流損耗減少不再明顯。因此，要結(jié)合工藝成本和渦流損耗來選擇磁鋼的分段數(shù)目。為找出經(jīng)濟合理的磁鋼分段數(shù)量，對磁鋼不同分段數(shù)量下的渦流損耗進行了有限元仿真。

仿真以已經(jīng)生產(chǎn)出的樣機為基礎模型，電機的鐵心長度是550 mm，根據(jù)加工工藝選擇的磁鋼軸向長度是55 mm，相當于已將磁鋼進行了軸向分段，分段數(shù)量是10。考慮到裝配強度和加工難度等因素的影響，在電機軸向分為10 段的基礎上對磁鋼進行徑向分段，研究分段數(shù)量對渦流損耗的影響。磁鋼徑向長度是92 mm，結(jié)合制造工藝及加工成本與分段數(shù)量的關系。將分段數(shù)量定為1、2、4、10，則磁鋼徑向長度分別是92、46、23、9.2 mm。在有限元軟件中對電機進行建模，電機其他結(jié)構(gòu)參數(shù)按照電機實際結(jié)構(gòu)設置，建好的分段模型如圖2 所示。

圖2 磁鋼徑向分段模型

樣機中所采用的磁鋼剩磁密度為1.05 T，相對磁導率1.07，電導率1 282 051 s/m。設置激勵方式為正弦電流源（配套變頻器），仿真條件見表1。

表1 有限元仿真條件

按照仿真條件對有限元模型進行加載計算，仿真出的磁鋼渦流損耗分布云圖如圖3 所示。

圖3 磁鋼徑向分段渦流損耗分布云圖

對仿真出的磁鋼渦流損耗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得出電機渦流損耗隨分段數(shù)量的變化曲線，如圖4 所示。從圖4 中可以看出：磁鋼渦流損耗隨著磁鋼徑向分段數(shù)量的增大而逐漸減小，且效果明顯；隨著磁鋼分段數(shù)量的增加，渦流損耗的下降趨勢漸趨平緩；說明分段數(shù)量達到一定程度后，分段數(shù)量增多對渦流損耗的影響逐漸變小，即渦流損耗隨分段數(shù)量的變化曲線存在拐點，超過拐點后，分段數(shù)量對渦流損耗的影響變化不明顯；徑向分段數(shù)為10 時，渦流損耗降低為徑向未分段損耗的18.5%，且分段數(shù)量10 在曲線的拐點左右；該仿真結(jié)果與上節(jié)的理論分析規(guī)律一致，考慮到分段數(shù)量為10時，在工藝和降低渦流損耗效果上都比較理想，最終決定采用分段數(shù)量為10 的降溫升方案。

圖4 渦流損耗隨徑向分段數(shù)量的變化曲線

4 磁鋼分段前后的軸承溫升對比試驗

為驗證磁鋼分段對電機軸承的降溫效果及所選分段數(shù)量的合理性，進行磁鋼分段前后樣機的長時溫升試驗。

試驗主要通過對比磁鋼分段前后軸承處的溫升，驗證磁鋼分段對電機軸承的降溫效果，按照確定的分段數(shù)量生產(chǎn)出磁鋼徑向分10 段的試驗樣機，如圖5 所示。對磁鋼徑向未分段和磁鋼徑向分10 段2 種電機分別進行額定工況下的長時溫升試驗。試驗條件是：電機轉(zhuǎn)速353 r/min，配套變頻器供電，正弦電流源，電流頻率41 Hz，電流幅值476 A。該試驗條件是電機額定工況運行時軸承溫升最嚴酷工況，條件苛刻。試驗中統(tǒng)計電機軸承處的溫升值，試驗在軸承處溫升值穩(wěn)定后結(jié)束，試驗結(jié)束后軸承處的溫升數(shù)據(jù)如圖6 所示。

圖5 試驗樣機

圖6 磁鋼分段前后軸承處溫升對比

對比溫升試驗數(shù)據(jù)可知：磁鋼徑向分段后傳動端軸承處溫升值由53 K 降低到40.8 K，溫升值降低12.2 K，降幅達23%；非傳動端軸承處溫升值由64.7 K 降低到53.7 K，溫升值降低11 K，降幅達17%；電機傳動端和非傳動端軸承處的溫升值降低到項目要求的限值以內(nèi)；試驗說明電機磁鋼分段后，軸承處的溫升值有所降低，且降溫效果明顯；2種電機只在磁鋼分段方面有區(qū)別，其他完全一致，在電機結(jié)構(gòu)參數(shù)不變和性能不受影響的條件下降低了電機軸承溫升；說明采用磁鋼分段方案降溫效果明顯且磁鋼分段數(shù)量合理。

5 結(jié) 論

針對永磁直驅(qū)牽引電機軸承溫升超限的問題，分析選擇了磁鋼分段技術來降低軸承溫升；通過理論研究與有限元分析相結(jié)合的方法找到了渦流損耗隨磁鋼分段數(shù)量的變化機制，結(jié)合生產(chǎn)工藝確定了合理的磁鋼分段數(shù)量。最后通過對比試驗驗證了采用磁鋼分段技術后的降溫效果，使電機的軸承溫升達到了項目要求，證明了磁鋼分段數(shù)量的合理性和磁鋼分段方案的可行性。

磁鋼分段技術的成功應用解決了溫升超限的問題，文中將理論研究、有限元分析和制造工藝相結(jié)合來確定分段數(shù)量的分析方法，及磁鋼分段方案的成功應用對以后研究永磁電機相關問題具有重要的參考價值。