基于多物理场仿真的跨坐式单轨车用永磁牵引电机综合设计*

廖敏锋,李伟业,王禹

(襄阳中车电机技术有限公司,湖北襄阳441000)

0 引言

城市轨道交通具有运量大、速度快、安全、节约能源和用地等特点。世界各国普遍认识到：解决城市的交通拥堵问题的根本出路在于优先发展以轨道交通为骨干的城市公共交通系统。在我国,为解决城市交通拥堵日益严重的问题,轨道交通发展迅速,作为城市轨道交通中典型的一种：跨坐式单轨交通具有占地面积少、爬坡能力强、通过曲线半径小、建设费用地、噪声小等诸多优点,尤其适用于山地等地形结构复杂的城市[1]。跨坐式单轨车在日本、韩国、马来西亚、新加坡、泰国、美国、德国、俄罗斯、巴西、澳大利亚等国家已陆续应用[2]。在我国,2004年,重庆市从日本引进了跨座式单轨交通系统,并成功运营,同时为了降低工程投资及运营成本、改善制造技术长期受制于人的状况,跨座式单轨系统依次实现了车体及内装、转向架、牵引国内跨坐式单轨车主要用于重庆,车型单一,驱动电机为异步牵引电机。为适应运量小的场合对跨座式单轨车辆的需求,基于绿色、节能、环保的原则,国内某轨道车辆有限公司研制了一辆永磁单轨车辆,驱动电机为文章所介绍的变频调速永磁同步牵引电机。

针对轨道交通牵引电机设计众多学者进行了研究。文献[1]分析了不同永磁体材料对宁波地铁4号线永磁同步牵引性能的影响。文献[2]以高速动车组大功率永磁牵引电机为研究对象,在电机参数选取、结构设计等方面展开研究,并进行了仿真计算。文献[3]根据下一代地铁车辆永磁同步牵引电机的技术特点及主要技术参数指标要求,通过对等效定额设计、电磁设计、轻量化设计及冷却结构设计等关键技术攻关,并进行了试验。文献[4]介绍了大功率永磁直驱电力机车牵引电机直驱传动结构和风路结构设计方法,对永磁电机散热仿真和温升试验进行对比分析。文献[5]以一台额定功率为815kW的永磁同步牵引电机为研究对象,依据成型绕组槽部导热模型,建立了整机三维温度场共轭传热计算模型,并对电机温升进行了仿真几试验测试。文献[6]运用有限元法对客运机车用1430kW永磁同步牵引电机的转子冲片强度进行数值仿真与分析,采用不同加载方式计算对比,建立在永磁同步牵引电机设计初期更合理的转子冲片强度分析方法。目前对于永磁牵引电机的多物理场综合分析文献较少,也没有提出明确的设计流程。

本文基于多物理场综合设计流程,根据单轨车辆给定的技术指标和要求,对跨坐单轨车用永磁电机进行了电磁、结构及散热综合设计,并生产了一台105kW样机,搭建了试验平台进行测试。

1 综合设计流程

单轨车用永磁牵引电机设计是一个电磁场、应力场、温度场、流体场多场耦合非线性设计过程,设计流程如图1所示。轨道交通牵引电机的设计是集电磁设计、转子强度设计、转子动力学分析以及冷却系统设计等多物理场综合设计的过程,必须每个关键技术都得到合理的解决方案,才能保证可靠安全运行。

图1 永磁牵引电机综合设计流程

2 跨坐式单轨车辆总体指标和要求

跨座式单轨车列车配置为4辆车编组型式,由两辆全动车和两辆半动车构成。跨座式单轨车列车转向架为牵引电机提供机械安装位置,牵引电机采用座式安装方式与转向架进行连接。牵引电机通过联轴器与齿轮传动装置将转矩传递到轮对,从而驱动轮对旋转。转向架的走行轮为橡胶轮胎,内部充满惰性气体,其正常工作时基本参数为：最大轮径：1006mm;最小轮径：970mm;齿轮传动比：6.55;其最高运行速度为80km/h。列车旅行速度：≥30km/h最高运行速度：80km/h。永磁牵引电机的主要技术指标见表1,电机牵引特性曲线见图2。

表1 永磁牵引电机主要技术指标

图2 电动机牵引转矩-转速特性(牵引工况)

图2为牵引电机的牵引特性曲线,要求最大牵引转矩达到1322 N·m,最大牵引功率147kW。高加速模式要求最大牵引转矩达到2071 N·m,最大牵引功率147kW。

图3为电制动工况下的转矩-转速特性曲线。要求最大制动转矩达到1187 N·m。

图3 电动机电制动工况下的转矩-转速特性

图4 额定点磁密分布

3 电磁方案设计

相比单轨车异步牵引电机,本项目因为整车轻量化指标要求高,使电机在转向架安装空间限制要求更高,电动机外径尺寸减小60mm,大大增加电机设计难度。

在额定负载(105kW,1294r/min)时,电动机各部位的磁密分布如图所示,气隙磁密为1.04T,定子齿部(1/3)磁密为1.52T,定子轭部磁密为1.01T,各部分磁密分布比较合理。

根据磁场计算结果进一步计算电机牵引制动特性曲线,图5为电机的牵引性能计算结果,图6为电机制动性能计算结果。计算结果满足电机运行性能要求。

图5 电机牵引性能曲线

图6 电机制动性能曲线

4 轻量化结构设计

永磁电机在转向架上的安装方式与地铁牵引电动机等常见的悬挂式安装结构不同,本电机是采用四点底座式安装,电机与车体安装架为悬臂梁,较传统的架悬安装方式,永磁电机承受的振动冲击载荷增大,因此还需解决电机永磁体、轴承及绝缘结构在车辆簧下严酷使用环境的适应性难题。

轻量化结构设计采取的主要措施有：(1)整体采用四点安装座式结构,可降低机械结构件承受的振动冲击载荷,进而开展减重设计。(2)电机定子采用全封闭水冷机壳结构,提高电机散热能力,控制电磁有效部件重量,从而进行减重。(3)电机转子采用空心轴设计,能取得较好的减重效果。(4)利用数值仿真分析方法对各机械结构进行应力和变形仿真分析。

轻量化设计后永磁同步牵引电机结构仿真主要包括评估转子冲片强度和整机结构强度。电机高速运转时,转子的强度和变形主要由离心力决定,转子冲片在离心力载荷下的应力特征可通过离心力计算公式描述

(1)

式中,σ—冲片应力;F—离心力;m—质量;v—旋转速度;r—旋转半径。

如图7所示为电机转子冲片强度及形变,转子冲片在最高转速和超速转速下的去安全系数均大于1.2,最大变形均未超过气隙的8%,满足强度要求。

图7 电机转子冲片强度及形变

整机结构仿真参照标准GB/T 21563—2008和IEC61373：2010模拟长寿命的随机振动试验和冲击试验载荷,评估整机结构可靠性。

随机振动分析是一种基于概率统计的谱分析技术。设随机时程载荷为,则其自相关函数表示为

(2)

而对其进一步做傅里叶变换得

(3)

即是随机时程载荷的的功率谱密度函数,简称PSD谱。

图8为参考标准中的随机振动试验载荷,在功率谱密度函数的输入下,进行随机振动分析,可以得到结构响应的概率统计即应力分布特征,并评估电机的疲劳寿命。通常的方法是根据应力谱统计结果,结合Good-man曲线进行修正,最后结合S-N曲线进行疲劳损伤计算。轨道交通领域通常采用无限寿命设计,针对变幅、交变应力,可按照下式进行设计。

图8 某电机的PSD输入曲线

σmax<σ-1

(4)

式中,σmax—最大工作交变应力幅;σ-1—冲片的疲劳极限,由试验获得。

如图9、图10、图11 所示电机定子结构在冲击和振动载荷下的最大应力均出现在机座悬挂位置处,在三个方向的冲击载荷下的应力均为超过材料QT450的屈服强度,安全系数均大于1.2;在三个方向的振动载荷下的应力均为超过材料QT450的疲劳极限强度,安全系数均大于1.2,满足强度要求,具体数据如表2所示。

表2 定子强度仿真结果

图9 垂向冲击、振动载荷应力云图

图10 横向冲击、振动载荷应力云图

图11 纵向冲击、振动载荷应力云图

5 冷却设计

永磁牵引电机因为转子具有磁性,为了防止其表面吸附空气中的杂质,一般将电机内部进行全封闭,冷却效果更差。因此,该自扇风冷的全封闭结构永磁牵引电机的热设计是个难题。

本电机采用与转子同轴的自风扇冷却,冷却效果与转子的转速直接相关,在低速阶段风扇的冷却能力下降,但结构简单,无需额外的电源供电,使用范围较广[3],图12为电机冷却结构示意图,定子铁心的热量传导至机壳,通过对流换热由机壳冷却空中的流动空气冷却带走。

图12 电机冷却结构示意图

根据电机风扇安装空间,确定风扇叶片尺寸为：叶片外径D1为φ336mm,叶片内径D2为φ155mm,叶片轴向长度b为58mm。

电机额定转速为1294r/min。

根据叶片主要尺寸,可得叶轮外径通过气体的圆柱形表面积为

在精神分析治疗模式中，治疗师与患者并非处于平等地位，患者只是整个治疗过程中的服从者，而治疗师作为指导者，可掌控整个治疗过程，患者一直处于被动地位。在行为主义治疗模式中，治疗师和患者则扮演科学家与受实验者的角色，其在关系地位上也具有不平等性。而在人本主义治疗模式中，治疗师与患者的关系有了改变，其具有平等性，两者均作为治疗过程的参与者，无地位上下之分。后现代心理治疗模式将一切都认为是社会的构建，治疗师与患者之间存在合作关系，两者具有互动性。治疗师只作为治疗的参与者，其不具有判断的权利，这种治疗模式将患者原本的被动性变为了主动性，提高了患者的地位。

S=0.92πD1b=0.056m2

(5)

叶轮外径线速度为

V1=nπD1/60=22.765m/s

(6)

式中,n—电机额定转速。

叶轮内径线速度为

v2=nπD2/60=10.501m/s

(7)

则,径向叶片风扇能够产生的最大风量为

QM=0.42Sv1=0.538m3/s

(8)

径向叶片数目为

(9)

通过以上计算,风扇叶片数设置为16片。风扇工作流量按最大风量的40%进行计算,则风扇所能产生的工作流量约为0.215m3/s。

图13为温度场求解域内的电机温度分布云图,可以看出,电机最高温升为182K,出现在定子绕组端部;沿电机轴向方向,从进风口至出风口(Z最大处为进风口),定转子铁心温度逐渐升高。绕组的温度最高,其次是定转子铁心。

图13 电机内部温度场分布云图

从图14可以看出,从进风端到出风端,绕组的温度逐渐升高,这是因为从进风端到出风端,冷却空气的温度逐渐升高。绕组的平均温升为171K(474-303),平均温度为201℃,温度较高,最高温升达到182K(485-303),符合电机绝缘等级的温升要求,可见全封闭自扇风冷结构满足电机的技术指标要求。

图14 绕组温度场分布云图/K

6 样机性能测试

永磁同步牵引电机的样机加工完成后,对其进行相应的性能测试,测试根据 IEC60349-4规定的的电机试验大纲进行[4]。测试现场如图15所示。

图15 电机测试现场

电机性能试验结果与项目指标对比见表3。

表3 电机性能指标和实测值对比

试验结果表明,研制出的样机在效率、噪声和温升等方面明显优于技术要求的指标,重量也符合车辆总体指标要求。

7 结语

本文根据跨坐式单轨车用永磁牵引电机的应用特点,给出了电机设计流程,根据该流程本文针对研究对象电机进行了电磁设计、轻量化设计及冷却设计,通过多物理场仿真分析,设计参数复合电机技术要求;根据设计结果进行了样机试制,并搭建了电机测试平台,电机测试结果与仿真结果吻合,验证了设计方法的合理性,证明该电机完全满足技术要求。

该电机的成功研制表明我国已基本掌握了轨道交通车辆永磁直驱牵引电机的关键技术,为直驱技术在地铁车辆乃至轨道交通的应用提供参考意见,也为我国铁路装备牵引传动系统升级换代奠定了坚实基础。