机车永磁牵引电动机水冷结构方案分析_杨慧强.pdf

（）年第期第卷（总第期）机车永磁牵引电动机水冷结构方案分析杨慧强，何思源，王亚杰（中车株洲电力机车研究所 有限公司，湖南株洲）摘要针对机车永磁牵引电动机散热困难以及高频大冲击 载荷下结构强度设计难度大的问题，以某款机车牵引电动机研制为例，设计了两种水冷却结构方案，从结构强度、流场流阻和温升三个维度来进行对比分析，并开发功能样机进行试验验证，综合分析了两种方案的优 劣 势，为机车永磁牵引电动机的研制提供参考。关键词机车；永磁牵引电动机；水冷；结构强度；温升：中图分类 号：文献标识码：文章编 号：（），（，），？，？；引言机车车辆广泛应用于铁路工业领域，对国民经济有着很大的贡献，机车牵引电动机（以下简称牵引电机）作为传动系统中机电能量转换的核心部件，其性能很大程度上决定了车辆的性能与安全。传统的机车电机多为异步牵引电机，近年来随着永磁技术的发展，使得机车永磁牵引电机研制并装车成为可能。永磁牵引电机绿色环保、效率高、节能效果明显，但同时由于永磁电动机需采用全封闭结构，即电机转子处于由定子、端盖等组成的相对密闭的空间内，高转矩运行工况使得机车电动机热负荷高、散热困难，因此电动机的冷却结构设计尤为关键，传统的风冷方式已无法满足，需要采用液冷或其它冷却方式才能有效解决机车 永磁电机散热困难的问题。另一方面，机车电机重量大，日常运行过程中承受载荷也大，严酷的高频次大冲击载荷对电机的结构强度设计尤其是悬挂部位的结构强度设计提出了较高的要求。在实际运营 过程中，有不同车型的多款机车电机悬挂部位都出现了目视可见的裂纹。因此机车电机设计需要兼顾冷却结构设计和结构强度设计。本文 以研制的某款调车机车用永磁牵引电机为例，设计了两种水冷却结构方案。在此基础上，从结构强度、流场及温升三个维度进行对比分析，并开发功能样机进行试验验证，为机车用永磁牵引电机的设计提供参考。年第期第卷（总第期）（）方案介绍永磁电机的水冷一般采用外机壳水冷，即在电机机壳中布置有水路结构，里面充满冷却水，电机运行时内部产生的热量先传导给机壳，再由机壳传导给冷却水，最后由冷却水将热量带走。其中水路结构形式分为 周向螺旋式和轴向迂回式，周向螺旋式水路是指水道筋沿机壳表面呈螺旋式分布，冷却水沿着水道呈螺旋形向轴向方向流动。轴向迂回式水路是指水道筋沿机壳表面呈平行分布，冷却水沿着水道呈反方向迂回流动。本文针对水冷方式进行了 周向螺旋式和轴向迂回式两种方案的结构设计。电机基本参数电动机的主要技术参数如表所示。表电机主要参数项目参数工作制额定功率（）额定转速（）额定转矩（）额定效率（）彡方案一该方案采用 内蒙皮结构，水路结构为周向螺旋式，简化结构模型如图所示，电机由图示机壳、蒙皮 以及转子、定子、端盖等其它零部件组成。其中水道位于机壳内壁，内蒙皮焊接在机壳内表面的水道筋上，再与定子铁心装配成整体，机壳与内蒙皮以及内蒙皮与定子铁心均为过盈配合。该方案的优 点是水道结构相对规则利于加工，水路平滑、流阻小，冷却水与机壳接触面积大，冷却散热效果好，焊缝也相对较少。其缺点是出水口与入水口很难设计到电机的一端，同时水流从电机一端流向另一端温度升高，会产生温度梯度。图方案一结构示意方案二该方案为外蒙皮结构，由于电机悬挂结构根部占用 了较大面积的可使用水路，使得螺旋式水道布置相对困难，因此该方案采用轴向迂回式水路。该方案的简化结构模型如图所示，除水道结构与蒙皮外，电机转子、定子、端盖等其它结构与方案一保持一致。其中水道位于机壳外壁，外蒙皮焊接在机壳外表面的水道筋上，机壳与定子铁心为过盈配合。该方案的优点是出水口与人水口较容易设计在电机的同一端，肋片面积大，散热效果好，散热均匀，在电机两端不会出现温度梯度；其缺点是水路结构不规则，加工工艺复杂，且水道有许多转弯和倒角，流阻大，要求人口的水压也较大。机壳水道分布蒙皮图方案二结构示意仿真分析为深入比较两种结构方案的差异性，本节从模态、结构强度、流体场、温度场多个角度进行仿真对比分析。模态分析图为两种方案的几何模型，约束位置为图示悬挂部位的个圆孔加背面的个圆孔，其中轴为垂向方向，轴为横向方向，轴为纵向方向（列车行驶方向）。（）方案一（）方案二图几何模型图为两种方案的有限元模型，两种模型的网格尺度控制保持一致，在完成网格无关性验证后进行模态仿真，仿真结果如表所示。从结果来看，两种方案的各阶模态频率相近，且第阶模（）年第期第卷（总第期）态频率均大于，表明两种方案的电机结构在实际运行工况下总体刚度均满足设计要求。（）方案一（）方案二图有限元模型表整机前阶模态频率阶数方案一（）方案二（）阶 阶 阶 阶阶阶随机振动分析在模态分析的基础上进行整机随机振动疲劳分析，按标准要求的类转向架安装振动量级进行加 载谱，如图、表所示。应力云图如图、图、图所示。结果表 明，两种方案在三个方向的随机振动应力水平相当，根据和线性疲劳累计损伤理论计算可得到各 部件以及整机的三向疲劳损伤值均小于，表明两种结构方案的动强度疲劳均满足设计要求。表方案一最 大应力垂向横向纵向（）（）（）表方案二最 大应力垂向横向纵向（）（）（）（）方案一（）方案二（）（对数坐标）倍频程上限标称值下 限标称频清的，容差值倍频程当质量时，当质量 时，当质量 时，二频率，；：（？）图垂向应力云图 （）方案一（）方案二图类转向架安 装频谱表类转向架安装振动量级垂向横向纵向量级功能（）试验值（）（？）量级长寿（）命试必直（）（）仿真结果如表、表所示，三个方向 图横向应力云图 議（）方案（）方案二图纵向应力云图冲击振动分析在模态分析的基础上进行整机冲击振动分析，按 标准要求的类冲击载荷进行加载频谱，三个方向的峰值加速度均为，持续时间均为）。年第期第卷（总第期）（）仿真结果如表所示，三个方向 的应力云图如图、图、图所示。结果表明，方案一在垂向冲击工况下的最大等效应力 比方案二的略大，其它两个冲击方向的最大等效应力水平相当，且两种方案三个方向的最大等效应力均小于材料的屈服强度，结构强度均满足设计要求表冲击振动最大等效应力垂向（）横向（）纵向（）方案一 方案二 （）方案一 （）方案二图垂向冲击 应力万图 （）方案（）方案二图横向冲击应力云图 ）方案一 （）方案二图纵向冲击 应力云图过盈配合分析对于有机壳结构电机，机壳与定子铁心多米用过盈配合的连接方式，过盈量的选取应合理，需保证电机在运行过程中两者不发生相对滑移的 同时需具有良好的工艺性。方案一机壳与内蒙皮配合的最大过盈量为，最 小过盈量为；内蒙皮与定子铁心配合的最大过盈量为，最小过盈量为。方案二机壳与定子铁心配合的最大过盈量为，最小 过盈量为。本节采用有限元仿真方法分析两种结构方案在同等过盈量下的连接情况。仿真结果如表所示，应力云图、变形云图和接触云图如图、图、图所示。结果表明，在同等过盈量下，方案一的最大等效应力与最大变形量都比方案二大，这与机壳内壁水道的存在一定程度上减少 了机壳与内蒙皮的受力面积有关，同时从接触云图看，方案一的接触状态不如方案二，但两种方案的接触面均无相对滑移，接触良好。综合来看，两种方案的过盈配合均满足设计要求。表最大 等效应力与最大变形最大等效应力（）最大变形（）方案一方案二 （）方案一（）方案二图最大过盈量下应力云图（）方案一（）方案二图最小 过盈量下变形云图（）方案一（）方案二图最小过盈量下接触云图流场分析对两种结构方案的流体场进行仿真，参考冷却条件如下冷却工质：乙二醇水溶液冷却工质流量：冷却工质进口温度：环境温度：丈分析过程中假设冷却介质为不可压缩理想流体，水道壁面流动无滑移，不考虑实际加工对电机（）年第期第卷（总第期）时间图电机温度变化曲线（下转页）图温升试验现场仿真结果如图所示。从温度分布云图可以看出，两种方案最高温度均出现在定子绕组的端部，方案一最高温度达到约，最高温升为；对于方案二，有水道覆盖的区域散热良好，最高温度约，而在大面积无水道覆盖的悬挂区域散热较差，最高温度约，最高温升。从温度场仿真结果看，两种方案的温升都满足设计要求，但方案一的水道结构较方案二相对合理，需结合试验进一步验证。试验验证对两种方案均开发了功能样机，并在台架上进行了一系列试验，其中按照标准对其进行持续温升试验，试验的环温为，水流量均为，试验现场如图所示。功能样机由与之配套的逆变器供电，额定工况下的温升试验结果如下。（）方案一电机运行约后基本达到热稳定，最尚温度，绕组平均温升，温度变化曲线如图所示。（）方案二电机运行约后基本达到热稳定，最尚温度，绕组平均温升，温度变化曲线如图所示。试验结果与温度场仿真结果吻合，趋势一致，方案二温升比方案一高，表明方案一的水道布置更合理，但两种方案的温升都合格，均满足温升限值的要求。道结构改变的影响等。仿真结果如图所示。方案一进出口压差为，从水道速度矢量图可以看出，水道流动均匀，流动覆盖性好；方 案二进出口压差为，由于在悬挂根部有较大的流动死区，对流动散热可能会有一定影 响，需要进一步做温度场仿真分析。（）方案一（）方案二图流场仿真结 果温度场分析本节分析的冷却条件与假设条件与节保持一致，同时不考虑走行风对电机散热的影响，假设定子绕组线圈铜耗均匀分布，除定、转子铁心导热性能为各向异性外其他结构件的导热性能均认为各向同性等，对额定工况进行温升仿真，损耗分布如表所示表额定工况损耗分布铜耗（）铁耗（）机械损耗（）杂散损耗（）（）方案一（）方案二图温度场仿真结 果 年第期第卷（总第期）（）电值达到一定阈值后，再采用零矢量去进行初相的计算，获取初始相位后切除预充电阻并启动设备，结合初始相位角度通过对的 固定频率进行积分得到临时的 电角度值，由于电网频率一般较为稳定，此临时角度在短时间不会存在太大偏差，能够满足系统运行需求，待无感观测器稳定后转入无感运行完成启动。预充初相 位判（启动运行（无感运行图无感启动过程结语三相桥式整流技术在电气工程领域应用非常广泛，本文以工程应用的 角度出发，以型三电平逆变桥为对象分析了不同零矢量作用下的短路工况，并在此受控的短路工况下，通过短路电流来计算电网 电压的相位，再以此为积分初值对频率进行积分得到电 角度完成启动，直至无感观测器稳定后转入无感运行，全程不需要电 网 电压传感器的参与，免除了整流设备对电网 电压采样的需求，降低成本同时提高了系统稳定性。参考文献杜雄，郭宏达的电网 电压基波正负序分离方法中国 电机工程学报，（）郭利辉，张元敏，李永辉，等三相电压型变流器交流侧 滤波器的有源阻尼策略研究电力系统保护与控制，（）郑征，王鹏超，朱艺锋基于电流重构的整流器控制研究电子测量技术，（）杜少通，伍小杰，周娟，等，一种采用虚拟磁链模型预测的新型算法？中国电机工程学报，（）李华明，李叶松无电 网 电压传感器的三相整流器控制电力 电子技术，（）吴伊宏无电网 电压传感器的整流器直接功率控制技术研究华中科技大学，李华明三相整流器无电 网电压传感器控制策略华中科技大学，作 者简 介：罗华男年 生；毕业 于中南大 学控制科学与工程 专业，现从 事电力电子、电力拖动、电机测试等相关工作收稿日期：（上接页）结语本文以一款调车机车用永磁牵引电动机为载体，针对水冷结构设计了两种方案，对两种方案进行了结构强度、流体场以及温度场的仿真分析，同时开发样机进行了温升试验验证。（）结构强度的仿真结果表 明两种方案均满足强度要求，差别较小；流体场、温度场仿真结果与温升试验均表 明方案一较优；从焊接加工的工艺角度看，同样是方案一较优。（）方案一水道结构位于电机内部，一旦发生漏水现象容易导致绝缘失效，进而造成电机烧损，且在电机不解体的情况下很难处理；相比之下，方案二的水道位于机壳外壁，一且发生漏水现象冷却水不会进入电机内部，不会对电机造成进一步的损害。因此从水路结构后 期可靠性角度看，方案二要优于方案一。参 考文献韩才元？中国铁路内燃机车发展年内燃机车，（）：符敏利，陈致初，王健，等高速动车组永磁牵引电动机研制机车电传动，（）：何思源全封闭永磁同步牵引电动机冷却系统设计大功率变流技术，（）：曹 增玺 型机车牵引电机悬挂装置改进设计几机车电传动，（）：李霞改进型机车牵引电机悬挂座出现裂纹的原因探讨及改进建议机车电传动，（）：秦宝清天梭号电力机车电机悬挂装置的改进设计铁道机车车辆，（）：李茂青小型水 冷电机 冷却系统设计与计算研究科技资讯，（）：？：作者简 介：杨慧强男 年 生；硕士，毕业于西北工业大 学航空工程专业，现从事 轨 道交通牵引电机产品开发工作收稿日期：