摘要：城市轨道交通列车在运行过程中, 站与站间的距离较短,需满足频繁的起动、制动特性；同时高速运行的重载城轨车会引起基础线路的振动, 需不断提高城轨车的轻量化水平。
关键词：超高导电；金属材料；电机；应用
引言
针对城轨车的运行工况对牵引用变频电机性能提出更高的要求，首先在频繁启动过程中牵引电机定子绕组不但要承受大电流的频繁冲击，还要承受电动机和热应力的叠加作用。另外电机各系统组件的热膨胀系数不同，在频繁启动作用下产生的热效应会在外包绝缘与电磁线之间形成剪切应力，破坏绝缘系统与导电体之间的固定性，可能会造成绝缘系统的分层、撕裂以及击穿等问题。
2 温度对牵引电机的影响
电机绕组绝缘结构所采用的材料特性与温度息息相关，当温度升高到一定程度时，可能造成绝缘材料的特性发生本质变化，甚至失去绝缘能力。以H级绝缘材料为例，当工作温度每超过H级绝缘极限温度10度，会造成其使用寿命平均缩短一半。 其次，随着电机额定工作环境温度的升高，电机中的电磁线的导线电阻率随着温度的升高而增大、金属导线的电阻值增大，从而使得异步电机的定、转子电阻增加。由于电机的定、转子电阻增大从而导致定、转子铜耗增加，也即电机的损耗增加。由能量守恒定律知由于损耗的增加使得输出的机械功率减少从而导致工作效率降低，转子额定转速下降等。
如果电机温升过高，为了避免烧毁电机，车辆动力性需降额运行。故电机的温升是影响电机甚至整车性能的关键因素。
3 变频器供电对牵引电机的影响
牵引电机在城轨车配备的变频器供电下实现不同的转速与扭矩，以适应不同工况条件下的变速要求。变频调速时不论采用什么样的控制方法其输出到电机端上的电压脉冲都会在电机定子绕组中产生非正弦的高次谐波，同时在异步电机转子导条中会感应出不同频率的电势和电流，不同频率电流组合成非正弦电流，这些高次谐波会增加电机定子铜损、转子铜损和铁损，从而影响电机效率。
因此尽可能的减小定子和转子电阻，减小定子电阻即可降低基波铜耗，也可弥补高次谐波引起的铜耗的影响。
4 超高导电金属材料在电机上的应用
石墨烯是只有一个原子层厚度的二维材料，是目前已知的电学性能最出色的材料。从材料的载流子浓度和迁移率进行分析，石墨烯和铜是两类差异明显但互补的电导体材料，因为悬空单层石墨烯具有高于铜4～5个数量级的载流子迁移率，而铜较石墨烯具有更高的载流子浓度；同时，与石墨烯接触的铜可以对石墨烯进行有效的电子掺杂，所以，通过石墨烯与铜的结合制备的石墨烯铜复合材料在具有铜的机械性能的同时，又具有石墨烯的超高导电性能，以国际退火铜为标准，石墨烯复合铜电导率提高17％，热导率也大幅提高。
因此超高导电金属材料是一种通过在铜基体中添加石墨烯制成的新型铜材，以18.5kw电机为例，通过仿真计算得出的温度场分析结果：
1） 转子导条采用超高导电金属材料计算结果：
（1）定子平均温升降低：21K；
（2）转子导条平均温升降低：16K。
2）效率对比分析结果：额定点效率提升1.75%
从温度和效率对比分析结果得出电机温升变化明显，较低的温度就意味着可以使用较小的风扇甚至可以不使用风扇，这将会减少附加零件的摩擦损失以及空气阻力的损失，从而进一步提高电动机的效率。同时，由于电机的工作温度的降低，将大大延长电动机的寿命和降低维修费用。
由于的超高导电金属材料低电阻率，相同感应电压下转子中的电流要大于普通纯铜转子，因此可以使用较少的材料来制造相同功率和效率的电机。正是由于所用材料的减少，使得超高导电金属材料电机在功率和效率相同的情况下，比传统电机具有更低的材料成本，较小的重量以及更小的体积。同时，由于超高导电金属材料转子电机所具有的以上优点，为电机的设计提供了更大、更灵活的设计空间——既可以追求高效率，也可以追求低成本、小体积和低重量。
5 结论
因此超高导电金属材料在牵引电机中的应用，既满足轻量化的要求, 又能满足电机牵引、制动性能及温升的要求。超高导电金属材料电机是一种超高效电机的解决方案，在提高电机能效的同时，还具有体积小，重量轻，温升低，可靠性高，成本低等一系列优势。
参考文献：
（1）吴新振，王祥珩，罗 成，异步电机转子感应非正弦电流时的导条损耗，中 国 电 机 工 程 学 报，2005年9月；
（2）吕吉敏，章潇慧，熊定邦，张荻，超高导电铜基材料的研究现状与展望，中国材料进展，2018年6月。
论文作者:肖爱国
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/19
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