低地板车直驱永磁电机性能计算与机械特性分析

曹 江

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛）

概述

低地板车以其便捷、节能环保、方便舒适等优点，成为目前城市内地面轨道交通发展的重要方向，越来越多的国家、城市正大力发展低地板车轨道交通。我国低地板车的研究起步较晚，但发展迅速，特别是相关企业先后引进了国外先进技术，带动我国低地板车技术突发猛进，技术体系得到巨大进步和创新。但我国地形复杂多样，环境气候变化多端，且人口密度大，较之国外应用领域有较大的差别[1-2]，因此，开展低地板车直驱永磁电机多工况、高指标运行的研究对于适应我国运输实际情况具有重要的意义。

1 直驱永磁电机的结构及主要工况性能计算

1.1 电机结构及主要工况

本文研究的低地板车驱动电机采用直驱形式，位于车轮旁边，每个车轮有1 台电机驱动，电机额定功率为46.6 kW，电机的转速与车轮旋转速度一致，转速较低，额定运行转速为196 r/min。电机转子采用永磁结构，磁钢安装方式为表贴式，其二维截面示意图见图1。

图1 直驱永磁电机的截图示意

直驱永磁电机的不同运行工况数据如下：

（1）额定状态：额定功率46.6 kW、额定电压392 V、额定电流142 A、额定转速196 r/min、额定频率72 Hz。

（2）最大去磁状态：功率46.6 kW、电压392 V、转速706 r/min、转矩630 r/min。

1.2 电机额定状态工作性能计算

根据给定的额定状态数据作为已知的输入条件，通过电磁程序仿真分析[3]，可以计算出电机的主要参数和工作特性，见表1。

从表1 可以看出，计算电流值140.24 A，与给定值相比误差-1.24%，计算转矩2 267.11 N.m，与给定值相比误差为-0.127%，计算精度满足工程应用的要求。

表1 电机额定状态下的主要参数和工作特性

电机额定状态时输出功率为46.6 kW，效率为76.15%，则总损耗为11.114 1 kW。

若采用冷却系统的冷却介质流量为13 L/min 时，冷却介质的温升为

1.3 电机最大去磁状态工作性能计算

根据给定的最大去磁状态数据作为已知的输入条件，通过电磁程序仿真分析，可以计算出电机的主要参数和工作特性，见表2。

表2 电机最大去磁状态下的主要参数和工作特性

从表2 可以看出，计算转矩630.645 N.m，与给定值相比误差为0.17%，计算精度满足工程应用的要求。

2 直驱永磁电机的机械特性分析

2.1 直驱永磁电机的机械强度分析

建立低地板车直驱永磁电机的机械强度仿真模型[4]，电机采用四角接触悬挂在转向架上，设定对应的边界条件和负载，机壳四角为悬挂部位，采用固定约束，加载包括自身重量、转子旋转、转子转矩和轴向冲击等负载，不考虑电机温升的影响，见图2。

图2 电机机械强度计算模型及边界条件

图3 为电机的变形分布图，机壳四角固定约束，变形量为0，最大变形量为0.005 15 mm，位于机壳四角悬挂处的对面，从总体分布趋势来看，变形量从悬挂四角沿机壳圆周方向辐射到电机尺寸最远端逐渐增大到最大。

图3 变形分布

图4 为电机的等效应力分布图，可以看出，悬挂处的等效应力最高，最大值为8.8 Mpa，且受重力方向的影响，上面两个悬挂角的等效应力相对下面两个悬挂角要高，机壳其他部位的等效应力很小。

图4 电机整体等效应力分布

图5 为电机定子铁心的等效应力分布图，可以看出，最大等效应力出现在铁心的边缘位置，最大值为1.24 Mpa，从铁心轭部向齿部应力逐渐减小。

图5 电机定子铁心等效应力分布

图6 为电机转子部件的等效应力分布图，可以看出，由于转子承受电机的电磁力矩，且均匀分布在转子表面，所以转子部件的等效应力在圆周方向上分布比较均匀，最大等效应力出现在转子内圆与转轴接触的地方，最大值为1.55 Mpa，受电磁力矩的影响，转子等效应力比定子铁心要高，最大等效应力高出0.31 Mpa。

图6 电机转子部件等效应力分布

图7 为电机转轴的等效应力分布图，可以看出，由于转子承受来自轮对的轴向冲击负载，最大等效应力为2.28 Mpa，相对转子铁心增加了0.74 Mpa，最大等效应力出现在转子内圆与转轴接触的地方。

图7 电机转轴等效应力分布

2.2 直驱永磁电机的热应力分析

与上节分析电机机械强度的计算模型一样，不同之处是在进行热应力分析时计入了电机温升的影响[5]。

表3 为考虑电机温度变化产生的热应力对机械强度影响的数据对比。从表中可以看出，考虑热应力后最大变形量为0.083 4 mm，与图3 相比，考虑温升影响后电机的变形量增加了16 倍，最大变形位置为机壳冷却水道出水口位置，由于该位置由较大面积的空气区域，厚度相对其他位置要薄，所以变形量较大，同时，由于冷却水管在机壳内周向均匀分布，导致机壳内有水道的地方结构相对其他地方偏薄，变形量基本与管道形状吻合。悬挂处的等效应力相对较小，机壳内部材料受温升影响，热应力占比重大，机械应力相对较小，最大等效应力为415.2 Mpa，比不考虑温升影响的机械应力增加了近50 倍，但低于所用材料的屈服强度。定子铁心最大等效应力出现在铁心的边缘位置，最大值为415.21 Mpa，从铁心轭部向齿部应力逐渐减小，分布趋势与图5 类似。转子部件的等效应力在圆周方向上分布比较均匀，最大等效应力出现在转子内圆与转轴接触的地方，最大值为269 Mpa，转子等效应力比定子铁心要低，这是由于转子温升比定子温升低引起的。由于受转子铁心热应力的影响，转轴的等效应力也相应增加，最大等效应力出现在转子内圆与转轴接触的地方，最大等效应力为129.55 Mpa，与图7 相比，最大等效应力增加了近50 倍。

表3 考虑热应力后机械强度数据对比

3 结论

本文针对适应我国运输实际情况的低地板车直驱永磁电机多工况、高指标运行开展研究，分析了电机额定运行工况和最大去磁工况的性能分析，其性能满足工程实际运行需求，此外，通过机械强度分析可知，各材料的机械强度和热应力均在材料强度允许范围之内，考虑温升影响后的热应力分析可知，温升对电机机械强度的影响相对负载的冲击要高很多，设计时应考虑热应力的影响，核算各部件的最大等效应力是否超出材料的屈服极限强度，对从事该领域的研究工作者提供一定的参考价值。