新一代交通牵引动力电机设计与实现

新一代交通牵引动力电机设计与实现

王阳

山东远维智能装备有限公司  250000

摘要：城市发展速度的不断加快和大众生活水平的进一步提高，促使城市轨道交通管理技术水平得以提高，亦对交通牵引动力电机设计提出了更高要求。本文简要概述一种新一代交通牵引动力电机的设计方案，对其核心技术进行分析，并对其功能实现与应用进行总结，以期促进新一代交通牵引动力电机技术的发展。

关键词：新一代交通牵引动力；电机设计；关键技术

引言

近年来，新能源汽车产业和城市轨道交通产业得以快速发展，其对车辆驱动系统提出了越来越高的要求，动力牵引机和控制器作为车辆运行的关键，对动力牵引装置提出了更高的要求。电机具有体积小、自重小和运转效率高等诸多优势，能够在车辆的启动和输出转矩提高等方面具有更优良的性能，如在较宽的区间范围内实现平滑调速，从而便于对车辆控制管理。本文提出的一种新一代交通牵引动力电机设计方案，能够应用于轨道交通、车辆运输、无人机、物流机器人等交通牵引动力行业，可以为其提供了强大的动力“心脏”。

1. 项目概述

新一代交通牵引动力电机设计项目，涵盖了新材料与节能环保等领域，旨在通过使用新型材料、优化电机设计结构等措施全面改进现有动力电驱动方案，研发出世界顶级功率密度的新一代超高效动力牵引电机和电控系统。立足于已掌握的新型合金与磁体材料、高温绝缘与导热材料、全新的磁阻永磁电机结构设计等多项核心技术，解决现有产品散热、噪音、震动、高温失磁等痛点问题，因而本项目开发出融合了多项专利核心技术的新一代电驱动产品，充分涵盖了材料、工艺、器件、系统设计等领域的先进技术。

2. 核心技术分析

新一代交通牵引动力电机设计项目，关键技术主要包括理论模拟与计算部分、新型材料使用部分和整体结构优化部分等三项内容。理论模拟与计算部分，主要是针对永磁电机的特性，以有限元分析方法为基础，以永磁电机设计理论为依据，对电机电磁场进行数值计算的基础上确定设计电机的尺寸参数，强化对包括电机转子内径、气隙长度、永磁体尺寸等参数的优化。同时，基于Ansoft等多种数模软件来建立永磁电机的三维模型，通过Maxwell仿真模型、Matlab数值计算等得到永磁电机的尺槽转矩、绕组磁链、气隙磁密度、感应电动势等项目的精确波形等参数，进而得到电机磁密及磁密矢量分布图，并得到电机损耗的仿真值。通过分析电机在不同转速下的转矩特性与功率特性，来观察电机的峰值转矩与峰值功率，将仿真波形与设计电机的性能参数进行比较分析，确保电机仿真模型在合理转速范围内都可稳定运行，从而验证电机设计方案的正确性，进而从电机性能角度出发确定电机的极槽配合类型，采用可降低铁耗的转子结构，以模型电机的结构参数为依据进行样机制造。

新型材料使用部分的技术方案，主要是基于前期的研发基础，采用改进过的新型硅钢片材料，提升结构强度减少损耗；采用改进过的新型少胶云母高压高温绝缘材料，提升产品寿命和耐热等级；采用新型磁体材料，确保磁场与磁路实现最优化配置；采用新型非晶分段设计，提高电机磁负荷与降低磁钢损耗；采用自主研发的纳米机壳材料，降低整机重量，提高防护等级。

整体结构优化的技术方案，主要是基于新材料的使用，结合仿真模拟与实验验证，优化电机结构，研制出高功率密度高效率低压的永磁电机，进而对传统工业电机设计理念进行迭代与更新。具体来说，其核心技术思想为：优化径向磁场结构，突破磁场调制技术的理论制约，利用少极差磁场耦合的原理并采取两轮间永久磁场与感应电流磁场相互耦合的结构，改进交流电机定转子必须等级数，以保持定转子磁场相对静止的约束，改进磁性传输升速及高速双定子永磁电机的技术路线，把磁性齿轮与永磁发电机进行系统化设计成复合一体化结构。

3. 技术成熟性

新一代交通牵引动力电机设计项目属于高端装备制造领域，通过使用新型材料、优化设计结构，全面改进现有动力电驱动方案，从而研发出世界顶级功率密度的新一代超高效动力牵引电机和电控系统。技术人员在掌握的新型合金与磁体材料、高温绝缘与导热材料、全新的磁阻永磁电机结构设计等多项核心技术的基础上，致力于解决现有产品散热、噪音、震动、高温失磁等痛点问题，其涉及到材料、工艺、器件、系统设计等多领域的前沿技术，可显著提高电驱动系统的输出功率密度和动力转化效率，实现车辆装备的小型化、轻量化和低噪音化，降低运行成本，延长车辆工具的寿命周期，进一步提高交通运输设备在节能、减排、安全、舒适等方面的竞争优势，同时有助于提升行业技术水平，推动电机企业实施技术革新，实现产业转型升级。

4. 功能实现与应用

第一，在设备运行过程中，其功能实现主要依赖于结构设计与全面优化部分、磁路优化与永磁体方案优化部分、新型材料与工艺设计优化部分、冷却系统散热和损耗设计优化部分、噪音与振动优化部分等内容。以其中的噪音与振动优化部分为例，牵引动力电机的定子结构采用叠片的无机壳模式，能够借助四方对称结构设计强化定子结构的整体刚度，也能够通过定子结构的整体刚度设计和动力牵引电机之间自重质量的分配，实现两者之间的均衡布局，进而让牵引动力电机整体和局部之间的质量分布均匀且合理，优化其模态参数，保证设备的整体强度和耐冲击性能参数等经受住恶劣环境的考验。

第二，电机的永磁体选用耐高温、低温度系数的钐钴永磁材料，可使永磁体工作点范围合适，具有较高磁热稳定性。在发生短路故障时，能很好保证永磁体的特性，在恢复故障后，又能使永磁体可以很快正常工作，电机的抗去磁能力远超传统设备。

第三，针对牵引动力电机的焊缝设计，应在焊缝上方预留一定的尺寸释放设备之间相互影响的应力作用，避免成品不经过热处理就去除了整体应力，从而遭受到绝缘体的损伤，亦能避免电机中的定子结构损伤造成的异常故障。在流体仿真分析理论的基础上，通过对电机牵引风路结构的优化改良，让电机的通风管道截面呈现出大型圆弧的“一”字形，以此改善牵引动力电机运转过程中的风压分布形式，降低电机运转过程中的通风阻力值，提高电机运行的通风冷却效果，且能够有效抑制空气中的动力噪声，以此实现电机降噪性能的优化。

结论

随着永磁材料性能的提高，牵引动力电机在重型物流车、商用车与大巴、船用发电机与主轴动力电机、装甲车辆和重型无人机等潜在领域还将展示出强大的生命力。针对当前交通运输产业不断提高的需求，本文提出一种新一代交通牵引动力电机设计方案，其在内部结构、材料等方面进行优化改良，同时在进行产品的开发和设计过程中，会不断优化磁路和完善对磁体方案的设计。另一方面，在产品量产之前的仿真分析、样品验证、产品测试过程中，项目人员亦考虑到对产品的冷却系统、散热及损耗进行改进，同时会使用新型材料运用和工艺设计技术，实现产品在高效节能上的最优效果。

参考文献

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