永磁牵引电机在下一代地铁上的应用

王 淼，张 豪

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111）

0 引言

随着社会经济的快速发展，中国轨道交通事业也得到了蓬勃发展，因此对轨道车辆的要求也越来越高，牵引电机是轨道车辆中的重要设备。在科技快速发展的过程中，永磁材料的耐腐蚀性和热稳定性都得到了极大改善，在电机中的应用成本也得到有效降低，永磁牵引电机在轨道交通中的应用越来越广泛。轨道车辆中应用的永磁牵引电机一般要求有较小的体积、较轻的质量和较大的输出功率，在轨道车辆进行启动时能够提供较大的启动转矩，在很宽的速度范围内能够进行平滑调速，从而能够很好地实现对轨道车辆的转矩控制。

1 永磁牵引电机特点

永磁牵引电机因为具有体积小、质量轻、效率高以及可靠性高等优点，在社会许多领域中得到了较为广泛的应用，比如在工业生产、高速铁路机车、城轨地铁车辆、民用等方面。随着新型永磁材料的快速发展和应用[1-4]，永磁电机的发展也逐渐迈向大功率和高速化方向，在调速系统中的应用也越来越普遍。永磁牵引电机的特点主要有以下几点。

（1）具有高功率因数和较高效率。和异步电机相比，永磁牵引电机不需要无功励磁电流，因此具有更高的功率因数，得到的定子电流和定子铜耗也相对较小。在进行稳态运行的过程中，永磁牵引电机不会出现转子铜耗，和同规格的异步电机相比也可以提高一定程度的效率，在一定的额定负载范围内，永磁牵引电机较高的功率因数和效率能够得到保持，从而达到良好的节能效果。

（2）体积小、质量轻、可靠性高。近年来，新型永磁材料的发展和应用，在一定程度上提高了永磁牵引电机的功率密度[5]，和相同容量的异步电机相比较，体积和质量都大大减小了，应用范围也变得越来越广泛。

电机参数要求如表1所示。

表1 电机基本参数

2 电磁方案

2.1 永磁牵引电机极对数

转子极数是永磁电机设计的关键参数，在对极数进行选择时，既需要考虑其对电机性能的影响，又需要从系统匹配的角度考虑变流器的限制。

一般来说，电机极对数越高，线圈端部越短，定子轭部越薄，电机体积越小，因此功率密度和转矩密度越大；再者，极对数越高，每极永磁体体积越小，有利于设计高机械强度的转子冲片。

从系统匹配上，电机极对数高意味着高速工作频率升高，于是要求变流器的开关频率提高，且限制影响了中速段的控制策略，不利于系统工作在最优策略下，功率因数低、效率低。本电机最高转速为4 772 r/min（全磨耗，140 km/h），配套变频器输出频率范围为0～360 Hz，因此下一代地铁车辆电机极数最多可选择8极[6-8]。

2.2 永磁牵引电机转子磁路结构

永磁电机可以分为表贴式和内置式两种转子结构。永磁电机垂直于转轴的剖面图如图1所示。

图1 永磁电机垂直于转轴的剖面图

图1（a）所示为表贴式永磁牵引电机，其主要特点是直、交轴的主电感相等，通常在表贴式永磁牵引电机转子的外侧会有一层非磁性材料，主要作用是压住永久磁铁，在电机进行高速运转时能够避免表面磁铁脱离。表贴式永磁电机具有较小的转子惯性，没有凸极性的铁心形状，在应用过程中会产生永磁转矩，但不会产生磁阻转矩。

图1（b）所示为内置式永磁牵引电机，其主要特点是直、交轴的主电感不相等，其磁铁内嵌铁心中间具有凸极性，能够产生磁阻转矩。内置式永磁电机具有较为简单的结构，生产起来也比较容易，表面没有脆性磁铁，因此具有更加牢固的结构。同时，内置式永磁电机具有恒功宽度宽、弱磁能力好、失磁风险小、工艺简单、可靠性好等优点。

根据下一代地铁列车牵引电机要求具有高功率密度、大扭矩、宽调速的特点，对永磁牵引电机转子有以下3点要求。

（1）永磁牵引电机的转矩密度要求比较高，采用了永磁体内置式的结构，利用磁阻转矩达到高转矩密度的要求；

（2）永磁牵引电机高速的特性要求转子的机械强度要高，根据这一点选择每极永磁体多分段的内置式转子结构，并对磁桥进行优化；

（3）要求牵引电机具有高可靠性，因此工艺需要简化，保证电机的可靠性。

综合上述分析，对各转子结构反复核算验证，最终选定内置式转子方案，其优点为起动转矩高、功率密度高、工艺简单可靠。

3 电机结构

电机由定子装配、转子装配、轴承装配及附件装配等组成。电机为全封闭无机壳结构，采用自带同轴风扇鼓入式外循环冷却方式。定子绕组采用成型绕组，转子铁心通过热套在转轴上、通过过盈配合传递转矩。

3.1 定子

定子采用全叠片无机壳焊接结构，即通过4块筋板将两侧定子压圈、定子冲片及定子端板焊接成一个整体。该结构具有质量轻、散热效果好等优点。

定子冲片采用高导磁率、低损耗的硅钢片，冲片上开有冷却风路用通风孔。定子线圈采用成型绕组，绝缘结构采用成熟的地铁异步牵引电机200级有机硅绝缘体系。将成型的定子绕组嵌入到定子铁心中，然后整体真空压力浸漆，在端部采用端箍和绑扎绳固定牢靠。

3.2 转子

转子由永磁体和转子铁心等组成。为充分利用磁阻转矩和保护永磁体，电机采用内置式转子磁路结构。永磁体为高磁能积和耐高温性能好的稀土材料。转子铁心由转子冲片、转轴及压圈等组成。

3.3 轴承结构

电机传动端轴承采用圆柱滚子轴承，非传动端轴承采用深沟球轴承，前后轴承均用来承受来自电机轴的径向载荷。前后滚动轴承承受的载荷主要有电机轴重力，牵引电机转子重力，由磁场回路不对称产生的单边磁拉力，以及由振动冲击引起的冲击动载荷。

轴承计算寿命满足大于200万km要求，具体计算值如表2所示。

表2 轴承寿命计算结果

3.4 外围附件

为了监控永磁牵引电动机在试验和运行中各部位的温度，在电机定子铁心、两端轴承安装了温度传感器。

在电动机的轴端安装检测电动机转子速度和位置的旋转变压器。旋变定子通过激励源产生磁场，电动机运行时，旋变转子切割旋变定子磁场使旋变定子正弦、余弦绕组输出的电压值发生变化，控制系统通过采集旋变定子输出的正弦、余弦信号可准确判断电动机转子磁极的位置。

4 通风冷却结构

由于地铁线路站间距较短，地铁车辆处于频繁启停运行工况，导致地铁牵引电机输出转矩及工作转速时刻在变化。电机大部分工作在低速大转矩区间，地铁车辆牵引电机通常采用自带同轴风扇冷却。电机冷却风量的大小与电机转速息息相关，在低速大电流区域（电机输出大转矩所致），电机冷却风量最小，为此通常采用线路仿真的方法来确定电机等效定额[4]。

4.1 风量需求

在获取了电机等效定额点损耗情况后，再根据牵引电机设计手册—通风与发热计算，即按能量守恒关系，电机在运行过程中所产生的热量（损耗）依靠流体（如空气）带走，估算出所需冷却介质流量为：

4.2 冷却风路

根据所求得的电机冷却风量需求，再结合电机结构设计中冷却风速设计原则（冷却风速控制在20～30 m/s效果为佳）及减重需求，可确定电机冷却风路所需的通风面积介于17 100～25 650 mm2。电动机采用全封闭通风冷却结构，采用自带同轴风扇的外循环冷却方式，如图2所示。

图2 电机冷却风路示意图

为提高冷却效果和降低噪声，优化冷却风路径，尽可能减少风路中的障碍物、风路改变方向时采取平滑过渡结构等。

4.3 通风结构流体场仿真

采用CFD仿真分析，对通风孔数量以及面积进行多参数优化，确定通风结构参数，使方案满足总体要求。电机内部流体场分布如图3所示。

图3 电机内部流体场分布

5 永磁牵引电机关键技术

5.1 防止永磁体退磁技术

如果永磁牵引电机出现设计问题，或受到冲击电流产生电枢反应作用，很容易发生失磁现象，不仅会造成永磁牵引电机的性能下降，而且会导致电机无法使用[1]。下一代地铁永磁牵引电机通过对永磁材料的热稳定性进行深入研究，对不同磁路结构形式的抗去磁能力进行分析，这样可以在进行永磁牵引电机设计制造时，避免出现电机失磁现象。

在进行下一代地铁永磁牵引电机设计的过程中，要对电机温度场的分布进行深入研究，对永磁电机的最大去磁工作点以及在最高工作温度下永磁材料退磁曲线的拐点进行校准，可以有效增加电机的可靠性。下一代地铁采用自通风冷却方式，通过仿真计算出散热的通风量，对电机结构的冷却风路进行优化，自带同轴风扇的外循环冷却方式。同时，选择材料时要选择具有较高耐温等级的永磁体，在结构和工艺上采用拼块式结构，这样能够有效抑制涡流损耗，通过对通风系统进行合理设计，能够有效达到相应的冷却要求。

5.2 反电动势的设计与校核

永磁同步牵引电机因为具有永磁体的存在，所以和异步电机不同，其在外部不提供电源的情况下，进行旋转时在定子绕组中会感应到较大的反电势能，如果电动势的峰值过高，甚至超过了逆变器元件的耐压能力，就容易造成元件损坏。在永磁牵引电机高速运转时，所产生的反电动势的峰值如果高于牵引逆变器的直流母线电压，由于逆变器相关电路会起到整流作用，导致产生再生制动，对永磁牵引电机会造成一定的损坏。因此在进行永磁牵引电机的设计时，关键在于反电动势的计算和校核。选取的反电动势不管较低还是较高，都会对永磁牵引电机造成一定影响，所以需要根据不同永磁牵引电机的运行特点，对电机反电动势的大小进行合理选择，比如对于地铁列车，一般都是长时间运行在高速段，为了减少运行时的弱磁电流，确保系统在永磁牵引电机高速运行时的良好性能，可以采用反电动势较低的设计方案[5-8]。

6 结束语

本文对下一代永磁牵引电机电磁设计方案、电机结构、通风冷却结构进行了介绍，分析了永磁牵引电机设计的关键技术，并对永磁牵引电机关键技术在轨道车辆中的应用进行了探讨。综上所述，永磁牵引电机具有较小的体积和较轻的质量，并且具有较大的启动转矩和较好的动态性能，能够对地铁车辆实现无齿轮箱的直接驱动，因此在机车车辆中的应用越来越广泛。