地铁车辆用永磁直驱同步牵引电动机冷却结构设计

地铁车辆用永磁直驱同步牵引电动机冷却结构设计
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。

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。

参考文献：
[1]申长宏，高彬，蒲全卫，张冲.某型地铁车辆用带轴承座的传动齿轮箱[J].电力机车与城轨车辆，2013，36（03）：5-8+17.
[2]符敏利，何思源，李益丰，彭俊.地铁车辆用JD155永磁同步牵引电动机的
设计[J].大功率变流技术，2012（03）：12-16.
[3]刘可安，许峻峰，文宇良，何亚屏，刘雄，张朝阳.地铁车辆用永磁同步牵
引电动机地面试验研究[J].大功率变流技术，2012（03）：20-24.
[4]刘海涛.地铁车辆用DC 1500V IGBT牵引逆变器[J].机车电传动，2008（05）：42-44.
[5]马喜成，龙倩倩.地铁车辆用EP2002制动控制系统[J].机车电传动，2007（04）：38-42+61.。