电动公交车用永磁同步电动机设计

周立安

(中车株洲电机有限公司，湖南株洲412001)



电动公交车用永磁同步电动机设计

周立安

(中车株洲电机有限公司，湖南株洲412001)

摘要针对12m电动公交车(以下简称车辆)用永磁同步电动机(以下简称电机)设计进行分析和介绍。主要从电机的设计技术参数和要求、电磁方案设计、结构设计特点和措施进行了说明和论述。最后通过试验结果分析表明该电机满足车辆的要求, 验证了其设计的可行性和有效性。

关键词永磁同步电动机；逆变器；电磁设计；防护等级

0引言

近年来，电动公交车以其噪声小、零排放等优点得到了迅速的发展，已逐渐成为城市的重要交通工具。驱动电机作为其“心脏”，受安装空间、恶劣工况及运行环境等诸多因素影响，该电机应具有以下技术特点：(1)基速以下输出大转矩，以适应起动、加速、负荷爬坡、频繁起停等复杂工况；(2)基速以上为恒功率运行，以适应最高车速、超车等要求；(3)全转速运行范围内的效率最优化，以提高车辆的续驶里程；(4)结构坚固、体积小、重量轻、良好的环境适应性和高可靠性；(5)噪声低、振动小，满足乘客的舒适性要求；(6)低成本及大批量生产能力。

目前用于电动公交车的驱动电机类型主要有：异步牵引电动机、开关磁阻牵引电动机、永磁同步牵引电动机等。永磁同步牵引电动机因其具有高过载能力、高功率密度、高功率因素、宽广的高效工作区、较宽的恒功调速范围、体积小、重量轻等优点，在电动公交车上得到了广泛的应用，这也代表了电动公交车用驱动电机的发展方向。

1 设计技术参数和要求

1.1技术参数及性能

电机类型：三相永磁同步变频电机；供电电源：电压源逆变器供电；应用场合：驱动12m电动公交客车；额定功率：80kW(S1)；峰值功率：150kW(5min)；额定电压：258VAC；额定电流：188A；额定效率：95.9%；峰值电流：715A；额定频率：110Hz；频率范围：0～260Hz；额定转速：1100r/min；最高转速：2600rpm；额定转矩：694.5N·m；峰值扭矩：3300N·m；安装型式：架悬；防护等级：IP55；冷却方式：IC3W7；冷却介质：50%-50%的乙二醇防冻液；冷却介质进水口温度：≤65℃；冷却液流量：1.2m3/h。

(1)额定牵引特性

恒转矩特性：694.5N·m，0～1100r/min；恒功率特性：80kW，1100～2600r/min。

(2)峰值牵引、制动特性

恒转矩特性：3300N·m，0～434r/min；恒功率特性：150kW，434～1600r/min；自然特性：降功率，1600～2600r/min。

1.2设计要求

(1)车辆基本信息

轴式：4×2(中央电机直接驱动)；最大速度：≥70km/h；最大爬坡度：≥20%；传动比：6.2；计算车辆轮径：0.479m；车辆尺寸：12000×2550×3400；车辆最大总质量：18000kg。

(2)车载动力电源供电要求

额定电压DC：384V；工作电压DC：250～720V；工作电压DC(全功率)：384～720V；工作电压DC(限功率)：250～384V。

(3)逆变器对电机要求

最高工作频率f：400Hz；最大线反电动势VAC：600V转速2600rpm，20℃；最大线电流I：750A；控制策略：一台逆变器供电一台电机；电机性能计算满压以前按最小电流控制，满压之后按弱磁控制设计。

(4)应用环境

电机应适应雨、雪、风、沙、盐雾环境要求。

工作环境温度：-20℃～+45℃，24h内平均温度不高于40℃。

储存温度：-20℃～60℃。

海拔高度：海拔低于≤1500m。

(5)技术条件按电动汽车用电机及其控制器技术条件-第1部分GB/T 18488.1—2006执行。

1.3结构特点

电机安装方式为架悬式，轴伸向下倾斜6°，通过8个M10螺栓和4个悬置软垫安装在车架上;防护等级IP55；水冷机座和前后端盖采用铸铝合金；前后采用轴承单元结构；电机带封闭的主接线盒，出线电缆通过轴伸端机座上方接线盒里面的接线座引出；电机非轴伸端带旋转变压器；通过车辆上的水冷却器对电机进行强迫冷却，结构见图1所示。

图1结构总图

2电磁设计

本电机在充分考虑电动公交车的牵引性能、逆变器的输出能力和控制策略、供电电源输出要求及应用环境等因素的前提下，如何按永磁同步电机设计特点，实现其匹配性设计，以及如何合理选取电机的电磁负荷、转子磁路结构、永磁体尺寸及材料，提高转矩密度、功率密度和效率，使损耗分布合理，同时增强散热能力、提高电机绝缘的耐热等级，使电机的牵引特性、温升、效率、噪声等指标满足要求，是本电机设计的关键。

电磁计算采用场路结合的方法进行,主要从结构参数选取、牵引特性计算、全运行区间的效率、电磁噪音4个方面进行考虑。

2.1主要结构参数选取

(1)圆系

电机最大外形尺寸为Φ455×530mm(外径×长度)，结合水冷机座结构和Y2系列电机标准圆系，定子冲片外径取Φ400mm。

(2)极数

电机超速试验时转速为3120r/min，配套变频器最高输出频率为400Hz,因此本电机只能选择不大于14的极数。总体而言,输出相同的转矩,极数选择越多，线圈端部越短，定子轭部空间越小，电机的体积和重量也就越小。但受磁钢和定子槽合理布置约束，极数不能无限大，选择12极最优。

(3)气隙

在电机其它参数不变、仅改变气隙大小的情况下，分别对峰值恒转矩结束点的磁负荷和热负荷、峰值恒功率结束点过载倍数、磁钢的用量、工艺性等指标进行对比分析，气隙取2.5mm最合理。

(4)定子

定子冲片选用72槽、槽形为梨形槽，绕组为散嵌绕组。为降低电机齿槽转矩，定子采用斜槽结构，斜过的距离为1个定子齿距。

(5)永磁体的设计

永磁体在转子中的摆放空间有限，要求永磁材料有较高的磁能积；同时高工作频率可能产生永磁体本身涡流的损耗和定子温度的影响，导致永磁体工作温度较高。根据电机转子温升评估和抗去磁能力计算结果，永磁体选用NdFeB38UH。

电机选取内置径向式转子磁路结构，通过增加磁钢厚度加大磁阻转矩，以满足弱磁范围较宽、峰值转矩大的要求。在相同空载反电动势、转子冲片满足材料机械性能的条件下，给定最大线电流750A，分别对“V”型结构和“一”型结构进行有限元仿真对比分析，“V”型结构和“一”型结构分别见图2、图3。

图2“V”型结构转子冲片有限元最小周期模型

从图2的模型可知，在转子冲片外径一定的条件下,每极的磁钢空间有限,很难布置更多的磁钢,仿真计算结果显示,电机的峰值转矩为2820N·m，不能满足3300N·m要求，因此必须改变磁路结构型式。

图3一字型结构转子冲片有限元最小周期模型

在转子冲片减重孔不变情况下,磁路结构由“V”型结构改为“一”型结构,按图3的模型进行计算,电机的最大峰值转矩为3415N·m,满足3300N·m要求,因此电机磁路结构选用“一”型结构。

利用电磁场有限元分析软件计算电机的空载反电动势、空载漏磁系数及交直轴电感曲线，作为输入数据在路的电磁计算程序中进行牵引特性计算。通过多种电磁方案对比和优化，最终定转子槽形尺寸选择如图4所示，定子采用半闭口平行齿梨形槽，接法为Y，采用双层叠绕组；转子采用“一字”型结构。主要性能计算值见表1。

图4　定、转子槽形尺寸

2.3尽可能提高电机全运行区间的效率

适当增加电机的有效部分重量，一方面减少了电机的基本损耗(铁耗和铜耗)；另一方面由于损耗的变少降低了电机的温升，进一步减少了由此产生的热损耗，提高了效率。

车辆正常运行时，电机经常工作在轻载区，输出功率只有最大功率的1/5左右，其损耗中的可变损耗变化很大；为了提高电机轻载时的效率，必须增加铁磁材料的重量来降低磁密，减少不变损耗，即铁耗。

2.4降低电磁噪声

本电机为全封闭水冷机座结构，最高运行速度只有2600r/min，通风噪声和机械噪声影响很小，因此电机噪声主要来源于电磁噪声。根据电磁噪声产生的原因，采用下列方法降低电磁噪声。

(1)选择适当的气隙磁密，不宜太高，但过低又会影响材料的利用率。

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(2)选择合适的极槽配合，避免出现低次力波。

(3)定子采用斜槽结构，斜过的距离为1个定子齿距。

(4)定、转子磁路对称均匀。

3结构设计及措施

3.1电机结构

(1)定转子冲片三圆尺寸借用Y2-250中心高电机落料模。

(2)为实现轻量化设计，水冷机座、前后端盖采用铸造铝合金；同时在保证电机电磁性能、机械性能的前提下对转子冲片减重孔的分布进行优化设计，进一步降低转子铁心重量。

(3)由于铝合金的膨胀系数大约为铁心的2倍，铝合金机座与定子冲片的过盈量选取需按以下条件进行核算：既要满足传递峰值转矩所需最小过盈量(进水温度为65℃，同时考虑机座与定子铁心的温差)，又确保最大过盈量时铝合金机座和定子冲片机械性能在材料允许安全范围内(电机储存温度-20℃)。

(4)为了拆装方便，联轴器与轴伸通过锥度面过盈配合传递扭矩。为了可靠性，在2倍峰值转矩下对锥度面过盈量、联轴器及轴伸强度进行校核，在额定转矩下对轴伸进行疲劳校核。经核算联轴器和轴伸均低于材料允许的抗拉和屈服强度。

3.2轴承结构

(1)针对车辆用电机倾斜安装、振动冲击的特点，轴承端选用柱轴承，非轴伸端选用球轴承，并对轴承进行寿命、最小负荷计算，同时电机的转速不能超过轴承极限转速的70%。经核算最小负荷、轴承极限满足要求，且轴承寿命远大于8年的整车寿命。

(2)为了装配工艺性，前后采用轴承单元结构；为了保证轴承运行的可靠性，轴承座材料为锻钢，轴承外圈与轴承座之间为过渡配合，轴承内圈与转轴之间为小过盈配合；为了避免端盖与轴承座的温度系数不同带来的装配质量问题，采用双止口配合面结构。

(3)由于免维护密封轴承散热差，运行温度偏高，且难以满足8年使用寿命，因此本电机轴承选用加润滑脂结构，通过前后端盖上的加油嘴定期进行补充。

3.3为了防止电机装车后导致整车振动或无法起动，每台电机应在车载控制器供电下，先在地面上进行旋变的调零及方向确认，合格后再带悬置软垫在试验台架上进行0～2600r/min空载振动测定试验。

3.4绝缘结构

针对电压源逆变器PWM控制供电给电机绝缘带来的损害，电磁线采用耐电晕漆包圆线QP-2/200，它采用三层漆膜复合导线，其底漆为聚酯亚胺，面漆为聚酰胺酰亚胺，中间层为含抗高频脉冲性能的纳米材料的有机散嵌绕组；层间、相间、对地绝缘均采用H级耐电晕绝缘结构；定子绕组采用VPI TJ1158 H级无溶剂漆，以获得良好的电气、机械与热性能。

3.5IP55防护等级结构设计

(1)轴承密封采用多曲路迷宫结构，前后轴承盖与端盖间采用止口过渡配合和涂密封胶密封。

(2)接线盒密封：接线盒盖与接线盒座间采用O型密封圈密封；三相电源线进线采用IP67不锈钢填料函密封；温度传感器、旋转变压器进线采用IP67电联接器。

(3)前后端盖与机座采用止口过渡配合，涂密封胶密封。

4试验结果

电机与其控制器已在中国汽车技术研究中心做完强检试验，计算值和实测值见表2所示。电机效率MAP图、电机及其控制器系统效率MAP图分别见图5 、 图6。

表2　主要性能计算值和试验对比

从表2可以看出：

(1)电机主要性能指标计算值基本和实测值相吻合。

(2)电机的绝缘系统为H级，绕组温升按F级考核，电阻法允许温升为105K，额定点和峰值点温升有较大的余量；滚动轴承允许温升为55K，轴伸端轴承和非轴伸端轴承温升也有较大的余量。

(3)电机噪声实测值高于标准或用户要求。

(4)重量指标达到国内领先水平。

图5电机效率MAP图

图6电机及其控制器系统效率MAP图

从图5、图6可得知：电机、电机及其控制器的高效工作区都很宽广。此外强检试验其它项也点均合格，并于2015年1月取得强检强告。

该电机已批量装车，2015年2月运行至今，电机牵引特性和温升等指标完全符合设计要求，表明该电机的设计开发是成功和可行的。

5结语

本文综合考虑电动公交车的牵引性能、逆变器的输出能力和控制策略、供电电源输出要求及应用环境等因素，对电机进行优化设计，通过电磁方案分析、结构设计说明及试验验证等，证明该电机具有起动转矩大、高效工作区宽广、转矩转速性能良好、体积小、重量轻、噪音低等优点，完全满足12m电动公交车的驱动需求。该电机的成功开发为电动汽车用系列电机的开发积累了宝贵经验。

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Design of Permanent Magnet Synchronous Motor for Electric Bus

ZhouLi′an

(CRRC Zhuzhou Electric Co.,Ltd.,Zhuzhou 412001,China)

AbstractIn this paper, analysis and introduction on permanent magnet synchronous motor (hereafter referred to as “motor”) for 12m electric bus (hereafter referred to as “bus”) developed by our company are made. Description and discussion are mainly made from technical parameter requirements, electromagnetic scheme, structure characteristics and measures. The test results show that this motor can meet requirements of the bus, and verify feasibility and validity of this design.

Key wordsPermanent magnet synchronous motor；inverter；electromagnetic design；protection degree

收稿日期：2015-11-25

作者简介：周立安男1978年生；毕业于西南交通大学机械工程及自动化专业，现从事永磁电机的设计与开发等方面工作.

中图分类号：TM313

文献标识码：A

文章编号：1008-7281(2016)02-0013-005

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.04