低地板車直驅(qū)永磁電機(jī)性能計(jì)算與機(jī)械特性分析

曹 江

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島）

概述

低地板車以其便捷、節(jié)能環(huán)保、方便舒適等優(yōu)點(diǎn)，成為目前城市內(nèi)地面軌道交通發(fā)展的重要方向，越來越多的國家、城市正大力發(fā)展低地板車軌道交通。我國低地板車的研究起步較晚，但發(fā)展迅速，特別是相關(guān)企業(yè)先后引進(jìn)了國外先進(jìn)技術(shù)，帶動我國低地板車技術(shù)突發(fā)猛進(jìn)，技術(shù)體系得到巨大進(jìn)步和創(chuàng)新。但我國地形復(fù)雜多樣，環(huán)境氣候變化多端，且人口密度大，較之國外應(yīng)用領(lǐng)域有較大的差別[1-2]，因此，開展低地板車直驅(qū)永磁電機(jī)多工況、高指標(biāo)運(yùn)行的研究對于適應(yīng)我國運(yùn)輸實(shí)際情況具有重要的意義。

1 直驅(qū)永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)及主要工況性能計(jì)算

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)及主要工況

本文研究的低地板車驅(qū)動電機(jī)采用直驅(qū)形式，位于車輪旁邊，每個(gè)車輪有1 臺電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)額定功率為46.6 kW，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與車輪旋轉(zhuǎn)速度一致，轉(zhuǎn)速較低，額定運(yùn)行轉(zhuǎn)速為196 r/min。電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永磁結(jié)構(gòu)，磁鋼安裝方式為表貼式，其二維截面示意圖見圖1。

圖1 直驅(qū)永磁電機(jī)的截圖示意

直驅(qū)永磁電機(jī)的不同運(yùn)行工況數(shù)據(jù)如下：

（1）額定狀態(tài)：額定功率46.6 kW、額定電壓392 V、額定電流142 A、額定轉(zhuǎn)速196 r/min、額定頻率72 Hz。

（2）最大去磁狀態(tài)：功率46.6 kW、電壓392 V、轉(zhuǎn)速706 r/min、轉(zhuǎn)矩630 r/min。

1.2 電機(jī)額定狀態(tài)工作性能計(jì)算

根據(jù)給定的額定狀態(tài)數(shù)據(jù)作為已知的輸入條件，通過電磁程序仿真分析[3]，可以計(jì)算出電機(jī)的主要參數(shù)和工作特性，見表1。

從表1 可以看出，計(jì)算電流值140.24 A，與給定值相比誤差-1.24%，計(jì)算轉(zhuǎn)矩2 267.11 N.m，與給定值相比誤差為-0.127%，計(jì)算精度滿足工程應(yīng)用的要求。

表1 電機(jī)額定狀態(tài)下的主要參數(shù)和工作特性

電機(jī)額定狀態(tài)時(shí)輸出功率為46.6 kW，效率為76.15%，則總損耗為11.114 1 kW。

若采用冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)流量為13 L/min 時(shí)，冷卻介質(zhì)的溫升為

1.3 電機(jī)最大去磁狀態(tài)工作性能計(jì)算

根據(jù)給定的最大去磁狀態(tài)數(shù)據(jù)作為已知的輸入條件，通過電磁程序仿真分析，可以計(jì)算出電機(jī)的主要參數(shù)和工作特性，見表2。

表2 電機(jī)最大去磁狀態(tài)下的主要參數(shù)和工作特性

從表2 可以看出，計(jì)算轉(zhuǎn)矩630.645 N.m，與給定值相比誤差為0.17%，計(jì)算精度滿足工程應(yīng)用的要求。

2 直驅(qū)永磁電機(jī)的機(jī)械特性分析

2.1 直驅(qū)永磁電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度分析

建立低地板車直驅(qū)永磁電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度仿真模型[4]，電機(jī)采用四角接觸懸掛在轉(zhuǎn)向架上，設(shè)定對應(yīng)的邊界條件和負(fù)載，機(jī)殼四角為懸掛部位，采用固定約束，加載包括自身重量、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩和軸向沖擊等負(fù)載，不考慮電機(jī)溫升的影響，見圖2。

圖2 電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算模型及邊界條件

圖3 為電機(jī)的變形分布圖，機(jī)殼四角固定約束，變形量為0，最大變形量為0.005 15 mm，位于機(jī)殼四角懸掛處的對面，從總體分布趨勢來看，變形量從懸掛四角沿機(jī)殼圓周方向輻射到電機(jī)尺寸最遠(yuǎn)端逐漸增大到最大。

圖3 變形分布

圖4 為電機(jī)的等效應(yīng)力分布圖，可以看出，懸掛處的等效應(yīng)力最高，最大值為8.8 Mpa，且受重力方向的影響，上面兩個(gè)懸掛角的等效應(yīng)力相對下面兩個(gè)懸掛角要高，機(jī)殼其他部位的等效應(yīng)力很小。

圖4 電機(jī)整體等效應(yīng)力分布

圖5 為電機(jī)定子鐵心的等效應(yīng)力分布圖，可以看出，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在鐵心的邊緣位置，最大值為1.24 Mpa，從鐵心軛部向齒部應(yīng)力逐漸減小。

圖5 電機(jī)定子鐵心等效應(yīng)力分布

圖6 為電機(jī)轉(zhuǎn)子部件的等效應(yīng)力分布圖，可以看出，由于轉(zhuǎn)子承受電機(jī)的電磁力矩，且均勻分布在轉(zhuǎn)子表面，所以轉(zhuǎn)子部件的等效應(yīng)力在圓周方向上分布比較均勻，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子內(nèi)圓與轉(zhuǎn)軸接觸的地方，最大值為1.55 Mpa，受電磁力矩的影響，轉(zhuǎn)子等效應(yīng)力比定子鐵心要高，最大等效應(yīng)力高出0.31 Mpa。

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)子部件等效應(yīng)力分布

圖7 為電機(jī)轉(zhuǎn)軸的等效應(yīng)力分布圖，可以看出，由于轉(zhuǎn)子承受來自輪對的軸向沖擊負(fù)載，最大等效應(yīng)力為2.28 Mpa，相對轉(zhuǎn)子鐵心增加了0.74 Mpa，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子內(nèi)圓與轉(zhuǎn)軸接觸的地方。

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)軸等效應(yīng)力分布

2.2 直驅(qū)永磁電機(jī)的熱應(yīng)力分析

與上節(jié)分析電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度的計(jì)算模型一樣，不同之處是在進(jìn)行熱應(yīng)力分析時(shí)計(jì)入了電機(jī)溫升的影響[5]。

表3 為考慮電機(jī)溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力對機(jī)械強(qiáng)度影響的數(shù)據(jù)對比。從表中可以看出，考慮熱應(yīng)力后最大變形量為0.083 4 mm，與圖3 相比，考慮溫升影響后電機(jī)的變形量增加了16 倍，最大變形位置為機(jī)殼冷卻水道出水口位置，由于該位置由較大面積的空氣區(qū)域，厚度相對其他位置要薄，所以變形量較大，同時(shí)，由于冷卻水管在機(jī)殼內(nèi)周向均勻分布，導(dǎo)致機(jī)殼內(nèi)有水道的地方結(jié)構(gòu)相對其他地方偏薄，變形量基本與管道形狀吻合。懸掛處的等效應(yīng)力相對較小，機(jī)殼內(nèi)部材料受溫升影響，熱應(yīng)力占比重大，機(jī)械應(yīng)力相對較小，最大等效應(yīng)力為415.2 Mpa，比不考慮溫升影響的機(jī)械應(yīng)力增加了近50 倍，但低于所用材料的屈服強(qiáng)度。定子鐵心最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在鐵心的邊緣位置，最大值為415.21 Mpa，從鐵心軛部向齒部應(yīng)力逐漸減小，分布趨勢與圖5 類似。轉(zhuǎn)子部件的等效應(yīng)力在圓周方向上分布比較均勻，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子內(nèi)圓與轉(zhuǎn)軸接觸的地方，最大值為269 Mpa，轉(zhuǎn)子等效應(yīng)力比定子鐵心要低，這是由于轉(zhuǎn)子溫升比定子溫升低引起的。由于受轉(zhuǎn)子鐵心熱應(yīng)力的影響，轉(zhuǎn)軸的等效應(yīng)力也相應(yīng)增加，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子內(nèi)圓與轉(zhuǎn)軸接觸的地方，最大等效應(yīng)力為129.55 Mpa，與圖7 相比，最大等效應(yīng)力增加了近50 倍。

表3 考慮熱應(yīng)力后機(jī)械強(qiáng)度數(shù)據(jù)對比

3 結(jié)論

本文針對適應(yīng)我國運(yùn)輸實(shí)際情況的低地板車直驅(qū)永磁電機(jī)多工況、高指標(biāo)運(yùn)行開展研究，分析了電機(jī)額定運(yùn)行工況和最大去磁工況的性能分析，其性能滿足工程實(shí)際運(yùn)行需求，此外，通過機(jī)械強(qiáng)度分析可知，各材料的機(jī)械強(qiáng)度和熱應(yīng)力均在材料強(qiáng)度允許范圍之內(nèi)，考慮溫升影響后的熱應(yīng)力分析可知，溫升對電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度的影響相對負(fù)載的沖擊要高很多，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮熱應(yīng)力的影響，核算各部件的最大等效應(yīng)力是否超出材料的屈服極限強(qiáng)度，對從事該領(lǐng)域的研究工作者提供一定的參考價(jià)值。