基于多物理場仿真的跨坐式單軌車用永磁牽引電機綜合設計*

廖敏鋒,李偉業,王禹

(襄陽中車電機技術有限公司,湖北襄陽441000)

0 引言

城市軌道交通具有運量大、速度快、安全、節約能源和用地等特點。世界各國普遍認識到：解決城市的交通擁堵問題的根本出路在于優先發展以軌道交通為骨干的城市公共交通系統。在我國,為解決城市交通擁堵日益嚴重的問題,軌道交通發展迅速,作為城市軌道交通中典型的一種：跨坐式單軌交通具有占地面積少、爬坡能力強、通過曲線半徑小、建設費用地、噪聲小等諸多優點,尤其適用于山地等地形結構復雜的城市[1]?？缱絾诬壾囋谌毡?、韓國、馬來西亞、新加坡、泰國、美國、德國、俄羅斯、巴西、澳大利亞等國家已陸續應用[2]。在我國,2004年,重慶市從日本引進了跨座式單軌交通系統,并成功運營,同時為了降低工程投資及運營成本、改善制造技術長期受制于人的狀況,跨座式單軌系統依次實現了車體及內裝、轉向架、牽引國內跨坐式單軌車主要用于重慶,車型單一,驅動電機為異步牽引電機。為適應運量小的場合對跨座式單軌車輛的需求,基于綠色、節能、環保的原則,國內某軌道車輛有限公司研制了一輛永磁單軌車輛,驅動電機為文章所介紹的變頻調速永磁同步牽引電機。

針對軌道交通牽引電機設計眾多學者進行了研究。文獻[1]分析了不同永磁體材料對寧波地鐵4號線永磁同步牽引性能的影響。文獻[2]以高速動車組大功率永磁牽引電機為研究對象,在電機參數選取、結構設計等方面展開研究,并進行了仿真計算。文獻[3]根據下一代地鐵車輛永磁同步牽引電機的技術特點及主要技術參數指標要求,通過對等效定額設計、電磁設計、輕量化設計及冷卻結構設計等關鍵技術攻關,并進行了試驗。文獻[4]介紹了大功率永磁直驅電力機車牽引電機直驅傳動結構和風路結構設計方法,對永磁電機散熱仿真和溫升試驗進行對比分析。文獻[5]以一臺額定功率為815kW的永磁同步牽引電機為研究對象,依據成型繞組槽部導熱模型,建立了整機三維溫度場共軛傳熱計算模型,并對電機溫升進行了仿真幾試驗測試。文獻[6]運用有限元法對客運機車用1430kW永磁同步牽引電機的轉子沖片強度進行數值仿真與分析,采用不同加載方式計算對比,建立在永磁同步牽引電機設計初期更合理的轉子沖片強度分析方法。目前對于永磁牽引電機的多物理場綜合分析文獻較少,也沒有提出明確的設計流程。

本文基于多物理場綜合設計流程,根據單軌車輛給定的技術指標和要求,對跨坐單軌車用永磁電機進行了電磁、結構及散熱綜合設計,并生產了一臺105kW樣機,搭建了試驗平臺進行測試。

1 綜合設計流程

單軌車用永磁牽引電機設計是一個電磁場、應力場、溫度場、流體場多場耦合非線性設計過程,設計流程如圖1所示。軌道交通牽引電機的設計是集電磁設計、轉子強度設計、轉子動力學分析以及冷卻系統設計等多物理場綜合設計的過程,必須每個關鍵技術都得到合理的解決方案,才能保證可靠安全運行。

圖1 永磁牽引電機綜合設計流程

2 跨坐式單軌車輛總體指標和要求

跨座式單軌車列車配置為4輛車編組型式,由兩輛全動車和兩輛半動車構成?？缱絾诬壾嚵熊囖D向架為牽引電機提供機械安裝位置,牽引電機采用座式安裝方式與轉向架進行連接。牽引電機通過聯軸器與齒輪傳動裝置將轉矩傳遞到輪對,從而驅動輪對旋轉。轉向架的走行輪為橡膠輪胎,內部充滿惰性氣體,其正常工作時基本參數為：最大輪徑：1006mm;最小輪徑：970mm;齒輪傳動比：6.55;其最高運行速度為80km/h。列車旅行速度：≥30km/h最高運行速度：80km/h。永磁牽引電機的主要技術指標見表1,電機牽引特性曲線見圖2。

表1 永磁牽引電機主要技術指標

圖2 電動機牽引轉矩-轉速特性(牽引工況)

圖2為牽引電機的牽引特性曲線,要求最大牽引轉矩達到1322 N·m,最大牽引功率147kW。高加速模式要求最大牽引轉矩達到2071 N·m,最大牽引功率147kW。

圖3為電制動工況下的轉矩-轉速特性曲線。要求最大制動轉矩達到1187 N·m。

圖3 電動機電制動工況下的轉矩-轉速特性

圖4 額定點磁密分布

3 電磁方案設計

相比單軌車異步牽引電機,本項目因為整車輕量化指標要求高,使電機在轉向架安裝空間限制要求更高,電動機外徑尺寸減小60mm,大大增加電機設計難度。

在額定負載(105kW,1294r/min)時,電動機各部位的磁密分布如圖所示,氣隙磁密為1.04T,定子齒部(1/3)磁密為1.52T,定子軛部磁密為1.01T,各部分磁密分布比較合理。

根據磁場計算結果進一步計算電機牽引制動特性曲線,圖5為電機的牽引性能計算結果,圖6為電機制動性能計算結果。計算結果滿足電機運行性能要求。

圖5 電機牽引性能曲線

圖6 電機制動性能曲線

4 輕量化結構設計

永磁電機在轉向架上的安裝方式與地鐵牽引電動機等常見的懸掛式安裝結構不同,本電機是采用四點底座式安裝,電機與車體安裝架為懸臂梁,較傳統的架懸安裝方式,永磁電機承受的振動沖擊載荷增大,因此還需解決電機永磁體、軸承及絕緣結構在車輛簧下嚴酷使用環境的適應性難題。

輕量化結構設計采取的主要措施有：(1)整體采用四點安裝座式結構,可降低機械結構件承受的振動沖擊載荷,進而開展減重設計。(2)電機定子采用全封閉水冷機殼結構,提高電機散熱能力,控制電磁有效部件重量,從而進行減重。(3)電機轉子采用空心軸設計,能取得較好的減重效果。(4)利用數值仿真分析方法對各機械結構進行應力和變形仿真分析。

輕量化設計后永磁同步牽引電機結構仿真主要包括評估轉子沖片強度和整機結構強度。電機高速運轉時,轉子的強度和變形主要由離心力決定,轉子沖片在離心力載荷下的應力特征可通過離心力計算公式描述

(1)

式中,σ—沖片應力;F—離心力;m—質量;v—旋轉速度;r—旋轉半徑。

如圖7所示為電機轉子沖片強度及形變,轉子沖片在最高轉速和超速轉速下的去安全系數均大于1.2,最大變形均未超過氣隙的8%,滿足強度要求。

圖7 電機轉子沖片強度及形變

整機結構仿真參照標準GB/T 21563—2008和IEC61373：2010模擬長壽命的隨機振動試驗和沖擊試驗載荷,評估整機結構可靠性。

隨機振動分析是一種基于概率統計的譜分析技術。設隨機時程載荷為,則其自相關函數表示為

(2)

而對其進一步做傅里葉變換得

(3)

即是隨機時程載荷的的功率譜密度函數,簡稱PSD譜。

圖8為參考標準中的隨機振動試驗載荷,在功率譜密度函數的輸入下,進行隨機振動分析,可以得到結構響應的概率統計即應力分布特征,并評估電機的疲勞壽命。通常的方法是根據應力譜統計結果,結合Good-man曲線進行修正,最后結合S-N曲線進行疲勞損傷計算。軌道交通領域通常采用無限壽命設計,針對變幅、交變應力,可按照下式進行設計。

圖8 某電機的PSD輸入曲線

σmax<σ-1

(4)

式中,σmax—最大工作交變應力幅;σ-1—沖片的疲勞極限,由試驗獲得。

如圖9、圖10、圖11 所示電機定子結構在沖擊和振動載荷下的最大應力均出現在機座懸掛位置處,在三個方向的沖擊載荷下的應力均為超過材料QT450的屈服強度,安全系數均大于1.2;在三個方向的振動載荷下的應力均為超過材料QT450的疲勞極限強度,安全系數均大于1.2,滿足強度要求,具體數據如表2所示。

表2 定子強度仿真結果

圖9 垂向沖擊、振動載荷應力云圖

圖10 橫向沖擊、振動載荷應力云圖

圖11 縱向沖擊、振動載荷應力云圖

5 冷卻設計

永磁牽引電機因為轉子具有磁性,為了防止其表面吸附空氣中的雜質,一般將電機內部進行全封閉,冷卻效果更差。因此,該自扇風冷的全封閉結構永磁牽引電機的熱設計是個難題。

本電機采用與轉子同軸的自風扇冷卻,冷卻效果與轉子的轉速直接相關,在低速階段風扇的冷卻能力下降,但結構簡單,無需額外的電源供電,使用范圍較廣[3],圖12為電機冷卻結構示意圖,定子鐵心的熱量傳導至機殼,通過對流換熱由機殼冷卻空中的流動空氣冷卻帶走。

圖12 電機冷卻結構示意圖

根據電機風扇安裝空間,確定風扇葉片尺寸為：葉片外徑D1為φ336mm,葉片內徑D2為φ155mm,葉片軸向長度b為58mm。

電機額定轉速為1294r/min。

根據葉片主要尺寸,可得葉輪外徑通過氣體的圓柱形表面積為

在精神分析治療模式中，治療師與患者并非處于平等地位，患者只是整個治療過程中的服從者，而治療師作為指導者，可掌控整個治療過程，患者一直處于被動地位。在行為主義治療模式中，治療師和患者則扮演科學家與受實驗者的角色，其在關系地位上也具有不平等性。而在人本主義治療模式中，治療師與患者的關系有了改變，其具有平等性，兩者均作為治療過程的參與者，無地位上下之分。后現代心理治療模式將一切都認為是社會的構建，治療師與患者之間存在合作關系，兩者具有互動性。治療師只作為治療的參與者，其不具有判斷的權利，這種治療模式將患者原本的被動性變為了主動性，提高了患者的地位。

S=0.92πD1b=0.056m2

(5)

葉輪外徑線速度為

V1=nπD1/60=22.765m/s

(6)

式中,n—電機額定轉速。

葉輪內徑線速度為

v2=nπD2/60=10.501m/s

(7)

則,徑向葉片風扇能夠產生的最大風量為

QM=0.42Sv1=0.538m3/s

(8)

徑向葉片數目為

(9)

通過以上計算,風扇葉片數設置為16片。風扇工作流量按最大風量的40%進行計算,則風扇所能產生的工作流量約為0.215m3/s。

圖13為溫度場求解域內的電機溫度分布云圖,可以看出,電機最高溫升為182K,出現在定子繞組端部;沿電機軸向方向,從進風口至出風口(Z最大處為進風口),定轉子鐵心溫度逐漸升高。繞組的溫度最高,其次是定轉子鐵心。

圖13 電機內部溫度場分布云圖

從圖14可以看出,從進風端到出風端,繞組的溫度逐漸升高,這是因為從進風端到出風端,冷卻空氣的溫度逐漸升高。繞組的平均溫升為171K(474-303),平均溫度為201℃,溫度較高,最高溫升達到182K(485-303),符合電機絕緣等級的溫升要求,可見全封閉自扇風冷結構滿足電機的技術指標要求。

圖14 繞組溫度場分布云圖/K

6 樣機性能測試

永磁同步牽引電機的樣機加工完成后,對其進行相應的性能測試,測試根據 IEC60349-4規定的的電機試驗大綱進行[4]。測試現場如圖15所示。

圖15 電機測試現場

電機性能試驗結果與項目指標對比見表3。

表3 電機性能指標和實測值對比

試驗結果表明,研制出的樣機在效率、噪聲和溫升等方面明顯優于技術要求的指標,重量也符合車輛總體指標要求。

7 結語

本文根據跨坐式單軌車用永磁牽引電機的應用特點,給出了電機設計流程,根據該流程本文針對研究對象電機進行了電磁設計、輕量化設計及冷卻設計,通過多物理場仿真分析,設計參數復合電機技術要求;根據設計結果進行了樣機試制,并搭建了電機測試平臺,電機測試結果與仿真結果吻合,驗證了設計方法的合理性,證明該電機完全滿足技術要求。

該電機的成功研制表明我國已基本掌握了軌道交通車輛永磁直驅牽引電機的關鍵技術,為直驅技術在地鐵車輛乃至軌道交通的應用提供參考意見,也為我國鐵路裝備牽引傳動系統升級換代奠定了堅實基礎。