摘要：地铁系统具有客运量大、站间距离短、行车密度大等特点，同时对车载设备的体积和重量也有严格要求，因此，地铁车辆牵引系统需具备转矩密度高、过载能力强、可靠性高及转矩输出平稳等特点。同时绿色城市轨道交通的建设对车辆节能降耗提出了更高的要求，需要牵引系统具有高效节能的特点。因此，研究并开发出高性能的牵引系统，对提高我国城市轨道交通牵引系统技术水平和建设绿色城市轨道交通意义重大
关键词：地铁车辆；永磁直驱同步牵引电动机；冷却设计；分析
引言：永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机，永磁体作为转子产生旋转磁场，三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应，感应三相对称电流。此时转子动能转化为电能，永磁同步电机作发电机（generator）用；此外，当定子侧通入三相对称电流，由于三相定子在空间位置上相差120，所以三相定子电流在空间中产生旋转磁场，转子旋转磁场中受到电磁力作用运动，此时电能转化为动能，永磁同步电机作电动机（motor）用。
1.地铁车辆用永磁同步牵引电动机
地铁系统具有客运量大、站间距离短、行车密度大等特点，因此，地铁车辆牵引系统须具备以下特点：一是转矩输出能力强，满足车辆的加速度和减速度要求，整个速度范围内转矩响应快，满足加速度的同时满足列车旅行速度的要求；二是全速度范围内保持高效率，为建设绿色城市轨道交通提供保证；三是牵引系统质量轻、体积小、结构坚固、维护少，降低牵引系统寿命周期成本。地铁车辆用永磁同步牵引电动机须满足地铁车辆的牵引/制动特性。
2.永磁同步电机工作方式
2.1直流发电机供电的励磁方式
这种励磁方式的发电机具有专用的直流发电机，这种专用的直流发电机称为直流励磁机，励磁机一般与发电机同轴，发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流。这种励磁方式具有励磁电流独立，工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点，是过去几十年间发电机主要励磁方式，具有较成熟的运行经验。缺点是励磁调节速度较慢，维护工作量大，故在10MW以上的机组中很少采用。
2.2交流励磁机供电的励磁方式
现代大容量发电机有的采用交流励磁机提供励磁电流。交流励磁机也装在发电机大轴上，它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁，此时，发电机的励磁方式属他励磁方式，又由于采用静止的整流装置，故又称为他励静止励磁，交流副励磁机提供励磁电流。交流副励磁机可以是永磁测量装置机或是具有自励恒压装置的交流发电机。为了提高励磁调节速度，交流励磁机通常采用100——200Hz的中频发电机，而交流副励磁机则采用400——500Hz的中频发电机。这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内，转子只有齿与槽而没有绕组，像个齿轮，因此，它没有电刷，滑环等转动接触部件，具有工作可靠，结构简单，制造工艺方便等优点。缺点是噪音较大，交流电势的谐波分量也较大。
2.3无励磁机的励磁方式
在励磁方式中不设置专门的励磁机，而从发电机本身取得励磁电源，经整流后再供给发电机本身励磁，称自励式静止励磁。自励式静止励磁可分为自并励和自复励两种方式。自并励方式它通过接在发电机出口的整流变压器取得励磁电流，经整流后供给发电机励磁，这种励磁方式具有结构简单，设备少，投资省和维护工作量少等优点。自复励磁方式除设有整流变压外，还设有串联在发电机定子回路的大功率电流互感器。这种互感器的作用是在发生短路时，给发电机提供较大的励磁电流，以弥补整流变压器输出的不足。这种励磁方式具有两种励磁电源，通过整流变压器获得的电压电源和通过串联变压器获得的电流源。
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3.冷却结构方案
永磁直驱电机体积受限于电机与轨面安全间距，为了实现永磁直驱电机高转矩输出需求，电机定子冲片外径最大化，冷却水道优先布置在机壳四角位置，以最大化有效利用空间。对四角布置的水路结构形式，采用轴向往返式循环水路结构，冷却水沿着外壳轴向长度方向往返迂回，通过外壳端部连通水路实现四角往返迂回水路的连通，使外壳四角冷却水路形成整体的密闭循环结构。该水路结构形式加工工艺简单，散热均匀，在电机轴向长度方向上不会形成温度梯度，但水路往返迂回形成很多转弯和折角，使流阻增大，造成较大的压头损失；
一是冷却结构方案一：外売四角位置水路分2层布置。冷却水通过外壳端部连通水路在四角布置的2层水路间往返迂回流动；该方案水路与外壳圆周占比比例最大可达45%，四角的内层与外层水道串联，可以形成一定的温度梯度，有利于提高散热效果；同时内层与外层水路可以设置加强筋，使两层水路与外壳的内壁形成一个整体，提高了外壳机械强度。
二是冷却结构二：四角位置水路按左右两边布置。冷却水通过外壳端部连通水路在四角布置的2条左右平行水路间往返迂回流动；该方案水路在四角位置左右分布，单个水路截面积明显增大，而且水路与外壳圆周占比比例最大可达38%，散热效果相对较好。但是左右2条水路截面相差较大，极易导致水路流速差异大。
三是冷却结构三：在四角水路设置2个直径45 mm的圆形水道。冷却水通过外壳端部连通水路在四角布置的2条左右平行水路间往返迂回流动；该方案最大特点是结构简单，工艺实施难度小，且圆型水道可使冷却水流速均匀，减小直管阻力和局部阻力。
4.温度场分析
为进一步评估冷却结构方案三的散热效果，对其进行温度场仿真计算。考虑到电机结构沿周向对称，选取电机的1/4周向截面建立三维温度场物理模型机温度场三维模型各部分均为拉伸体，结构较为规则，网格剖分质量较高。入口水流速为0.27 m/s（流速根据流量设置），水温与环境温度一致，为25℃；出水口静压设为101325 Pa；入水口湍流强度为5%，水力直径为45mm。。根据永磁直驱电机的各部分损耗值进行热源加载。由于永磁转子发热较少，因此忽略转子部分产生的损耗。在进行热计算时，在永磁体与转子铁心上适当加载体热源。电机内温度最高的部位为定子绕组部分，且受四角冷却水路布置的影响，绕组在周向呈现温度梯度。，温度最高的部位出现在远离冷却水路的绕组端部，最高温度约为145℃，温度最低的部位出现在冷却水路下方的绕组直线部位，最低温度约为98℃，各绕组间的最大温差达47K左右；绕组的平均温度约为118℃，满足温升限值200K要求。
总结：本文对地铁永磁直驱电机的冷却结构进行了研究，设计了3种方案，利用流体场进行分析比较，选取最优冷却方案进行温度场仿真，通过功能样机试验验证计算结果，温升试验结果与计算结果吻合较好，且一定程度上解决了永磁直驱电机温升高的问题，为永磁直驱电机冷却结构设计提供了依据。
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论文作者:蔡卫国
论文发表刊物:《基层建设》2018年第32期
论文发表时间:2018/12/19
标签：永磁论文; 水路论文; 励磁论文; 发电机论文; 绕组论文; 结构论文; 地铁论文; 《基层建设》2018年第32期论文;