Analysis of Temperature Rise in High-Speed Permanent Magnet Synchronous Traction Motors by Coupling the Equivalent Thermal Circuit Method and Computational Fluid Dynamics

To solve the problem of temperature rise caused by the high power density of high-speed permanent magnet synchronous traction motors,the temperature rise of various components in the motor is analyzed by coupling the equivalent thermal circuit method and computational fluid dynamics.Also,a cooling strategy is proposed to solve the problem of temperature rise,which is expected to prolong the service life of these devices.First,the theoretical bases of the approaches used to study heat transfer and fluid mechanics are discussed,then the fluid flow for the considered motor is analyzed,and the equivalent thermal circuit method is introduced for the calculation of the temperature rise.Finally,the stator,rotor loss,motor temperature rise,and the proposed cooling method are also explored through experiments.According to the results,the stator temperature at 50,000 r/min and 60,000 r/min at no-load operation is 68℃ and 76℃,respectively.By monitoring the temperature of the air outlets inside and outside the motor at different speeds,it is also found that the motor reaches a stable temperature rise after 65 min of operation.Coupling of the thermal circuit method and computational fluid dynamics is a strategy that can provide the average temperature rise of each component and can also comprehensively calculate the temperature of each local point.We conclude that a hybrid cooling strategy based on axial air cooling of the inner air duct of the motor and water cooling of the stator can meet the design requirements for the ventilation and cooling of this type of motors.

Design of Axial-Flux Motor for Traction Application

This paper deals with the design of high power – low dimensions axial-flux permanent-magnet motor intended for trac-tion application. First, two motor configurations are analytically designed and compared using finite element calcula-tion. Then, the configuration yielding the best performances is integrated and modelled with the whole traction chain under MATLAB/SIMULINK environment in order to demonstrate the motor operation on a large speed band.

考虑悬浮牵引耦合的常导高速磁浮列车牵引性能仿真

常导高速磁浮列车长定子直线同步电机(LLSM)定子电枢电流和动子励磁电流产生的磁动势共同作用形成气隙磁场,实现车辆悬浮和牵引,所以悬浮力和牵引力之间存在耦合。基于MATLAB/Simulink建立了牵引供电系统的仿真模型,采用不考虑悬浮牵引耦合的LLSM数学模型,在恒定励磁电流条件下仿真计算了牵引性能;采用考虑悬浮牵引耦合的LLSM数学模型,其以有限元仿真数据为样本库,基于线性回归最小二乘方法拟合得到,在恒定悬浮力条件下仿真计算了牵引性能。通过对比两种仿真结果,分析了耦合作用的影响。

考虑悬浮导向间隙变化的长定子直线同步电机力性能分析

常导高速磁浮列车长定子直线同步电机由于特殊的分离结构,气隙由悬浮与导向系统决定,导致牵引力与悬浮力容易受到悬浮与导向系统性能的影响。研究了一个长定子段下垂、悬浮磁极模块纵向倾斜和横向偏移三种工况对气隙的影响,基于有限元软件建立了2D与3D有限元模型,计算分析了长定子直线同步电机的牵引力和悬浮力,揭示了气隙变化对力的影响规律。分析结果可以为高速磁浮列车的牵引系统设计与控制提供参考。

牵引用永磁同步电机温度场集总参数热网络法分析

永磁同步牵引电机具有效率高、体积小、功率密度高等优点,在城际铁路运输领域应用越来越多,具有广阔的发展前景。但随着永磁同步牵引电机的单机容量日益增大,其内部损耗也随之不断增加,损耗的增加使得电机的温升不断增加。在高温环境下,永磁体有可能产生退磁等一系列问题,影响牵引电机的稳定安全运行。本文以一台永磁同步牵引电机为例,对电机转子内置转子等较复杂部件进行合理等效,其次使用集总参数热网络法,建立能够反映电机整体热量传递的热网络结构,该结构可快速计算电机不同工况下的温度分布情况,对电机的热设计有一定的帮助。

空轨车辆用永磁同步牵引电动机研制

空轨车辆运行于空中轨道,其永磁同步牵引电动机存在结构紧凑、转矩密度高、损耗密度大等问题,同时还需要具体低齿槽转矩及低转矩脉动等。通过对电磁设计、热管理设计、结构设计等关键技术进行研究,开发了样机,先后通过了单电机试验、地面联调试验和装车运行考核。试验结果分析表明,该电机满足空轨车辆指标要求,验证了设计的可行性。

一种永磁同步电机无模型高阶滑模控制算法

针对城市轨道交通高转矩永磁同步牵引电机因参数摄动和未知扰动等不确定因素造成控制性能下降的现象,提出一种基于扩展非奇异终端滑模扰动观测器的转速环新型无模型非奇异快速终端滑模控制方法。首先,依据永磁同步牵引电机在参数摄动和未知扰动下的数学模型,使用转速环的输入输出建立新型超局部模型。其次,基于新型超局部模型设计转速环的无模型非奇异快速终端滑模控制器;同时结合高阶滑模和非奇异终端滑模设计观测器来实时精准估计新型超局部模型的未知部分,通过对控制器进行前馈补偿,增强了系统的鲁棒性,提高了转速的控制精度,并减少了系统抖振。最后,通过与PI控制、无模型滑模控制进行仿真和实验综合比较,验证了所提出的控制算法对电机参数摄动和未知扰动具有较强的容错性和抗干扰性,能降低对电机精准数学模型的依赖。

采煤机牵引系统双电机功率平衡控制策略

随着采煤机装机功率和开采能力的提升,牵引系统控制效果及动态性能已成为影响采煤机工作稳定性的重要因素.目前,采煤机电牵引系统双电机控制策略多采用传统的主从控制,其同步性能存在滞后问题,容易导致牵引电机偏载.此外,系统在控制算法方面多采用传统PI控制,对于容易发生参数摄动及负载变化频繁的牵引系统而言,传统PI控制的控制性能不佳.为提高采煤机牵引系统驱动性能并实现牵引电机功率平衡,根据采煤机牵引系统结构,本文提出了一种基于自抗扰控制的转速主从、转矩交叉耦合控制的双电机控制策略,并对控制策略进行了仿真分析和实验研究.结果表明,本文所提出控制策略实现了牵引系统功率平衡并提升了系统的控制性能.

轨道车辆永磁牵引电动机控制技术综述

永磁同步电动机由于具有高效率、高功率密度、启动特性好、加速能力强及噪声低等优点,在轨道交通领域得到广泛关注,具有广阔的应用前景。针对轨道车辆永磁牵引传动系统的驱动变流器拓扑和控制技术两方面展开综述。概述永磁牵引电动机变流器拓扑及其调制策略的研究现状,分析基于两电平拓扑和三电平拓扑牵引变流器的优缺点;综述碳化硅电力电子器件在轨道车辆牵引变流系统的优势和应用现状;对永磁牵引电动机的矢量控制、直接转矩控制及模型预测控制等方法进行总结与分析;针对轨道车辆的应用特点,阐述现有永磁牵引电动机弱磁控制和无位置传感器控制方法的研究现状。最后,对永磁牵引电动机控制技术的发展趋势进行展望。

基于正交设计试验的永磁同步牵引电机散热的数值模拟研究

基于Taguchi正交设计试验,以定子绕组最高温度为试验指标,采用数值模拟方法分析了机座的散热筋参数对电机散热性能的影响。通过极差分析,发现影响定子绕组最高温度的各因素主次顺序依次为,散热筋高度、散热筋间距、散热筋宽度。综合考虑材料成本和电机减重要求,得到最佳的水平组合方式为散热筋高度30 mm、散热筋宽度4 mm、散热筋间距20 mm。

电流谐波对永磁体涡流损耗的影响

永磁同步电机应用于高速铁路牵引领域,要求电机具有高起动加速性能和宽调速范围。驱动电机的牵引逆变器最大开关频率一般为500 Hz,电压波形的畸变导致输出电流谐波含量大,在永磁体中产生涡流损耗,导致永磁体局部过热甚至产生不可逆退磁。文中分析涡流损耗的来源和计算方法,针对电流谐波产生的永磁体涡流损耗,基于实际测量电流波形分析电流谐波涡流路径、各次谐波涡流损耗的大小、永磁体槽口深度hr与涡流损耗的关系及分段与涡流损耗的关系。分析结果表明:电流谐波是产生永磁体涡流损耗的主要原因,主要为2次、5次、7次、11次、13次电流谐波;低速工况涡流损耗高于高速工况,这与低速工况5次、7次电流谐波幅值较大成正相关;采用分段后,电流谐波产生的涡流损耗大大降低,最佳轴向、径向分段数为6~8段。分析结果为牵引逆变器驱动的永磁同步电机降低电流谐波产生的永磁体涡流损耗以保障电机的安全运行提供了参考。

电梯加装“电机封星”功能的必要性分析

针对当前永磁同步驱动主机电梯未设置“电机封星”功能存在的风险,探讨“电机封星”功能的原理,结合新版《电梯型式试验规则》分析给在用电梯加装“电机封星”功能的必要性,降低电梯设计制造遗留风险。加装“电机封星”功能有变频器电子封星和接触器封星2种方式。案例表明,“电机封星”功能较好地减少了电梯上行超速冲顶或下行蹲底等风险,提高了电梯的安全性。

直驱永磁牵引电机振动原因分析

目的:与传统的异步电机相比,直驱永磁传动可省掉齿轮传动装置,提高传动效率,减小传动机构维护工作量,并提高传动系统整体效能。为解决直驱永磁牵引电机低速运行时振动加剧的问题,提高直驱永磁牵引电机服役寿命及安全性与舒适性,特开展本研究。方法:针对直驱永磁牵引电机在90~105 r/min转速范围内出现的振动加剧问题,根据永磁电机振动机理通过解析法分析了直驱永磁牵引电机极槽配合与电机径向电磁力之间的数值关系;使用SKF-AX型数据采集器对直驱永磁牵引电机传动端与非传动端及不同方向进行振动加速度检测,并对振动结果进行频谱分析,找到引起振动的频段;通过有限元方法对直驱永磁牵引电机进行径向力分析,对定子铁心模态进行分析,得到径向力的幅值、频率以及定子铁心自振频率。结果及结论:结合解析法、振动检测试验及有限元仿真分析证明该电机在90~105 r/min转速范围内发生共振是引起振动加剧的根本原因;并基于以上分析对该电机的极槽配合进行了改进,将电机14极114槽更改为14极126槽。通过有限元仿真分析及振动检测试验可知,已有效解决了电机在90~105 r/min出现的共振问题,提高了直驱永磁电力机车的安全性与舒适性。

600 km/h高速磁浮牵引系统的配置及其关键参数的选择

目的:目前上海磁浮列车示范运营线设计的最高运行速度为505 km/h,为适应600 km/h的高速运行,须对既有常导高速磁浮牵引系统的配置进行分析和优化设计。方法:站在牵引供电系统的角度,从直线电机稳态数学模型出发,在不改变直线电机基本结构和参数的前提下,提出了600 km/h高速磁浮牵引系统的优化方向:提高变流器的输出电压及容量,以及适当缩短牵引分区和定子段长度。基于以往工程可行性研究,对既有磁浮系统中牵引供电系统的相关边界条件进行了分析,认为馈电电缆和定子电缆限制了既有电机的输入电压和电流,而列车长度和定子开关站的数量又限制了定子段的长度,进一步明确了600 km/高速磁浮牵引系统关键参数的选取原则,并给出了建议的参数。以一条平直轨道的线路为例设计了牵引系统,并以此为基础进行了牵引仿真计算。结果及结论:对于5节编组的常导高速磁浮列车,适当缩短分区长度至20 km,定子段长度至800 m,采用32 MVA的变流器,则列车可在加速运行35 km后达到600 km/h的运行速度。

长沙市轨道交通永磁牵引系统能耗分析

文章简要介绍了长沙市轨道交通5号线列车永磁同步电机的特点和应用现状,并选取长沙市轨道交通1号线1列采用永磁同步牵引系统的试验列车,进行牵引系统能耗的线路仿真及现场节能测试,并结合长沙市轨道交通1~4号线采用异步牵引系统的列车和5号线采用永磁同步牵引系统的列车空载能耗分析情况,针对效率和能耗与采用异步牵引系统的列车进行了详细的对比与分析,得出正线接触网安装有再生电能吸收利用装置的线路,排除列车载客影响,5号线空载列车能耗相比1号线、3号线、4号线空载列车平均能耗节能率达到29.56%,相比正线接触网未安装再生电能吸收利用装置的2号线,空载列车能耗节能率达到39.21%。列车能耗作为运营成本的重要组成部分,永磁牵引系统节能效果明显,与国家要求的节能低碳经济发展要求相吻合,永磁牵引系统的应用有利于降低地铁列车运营成本,并有助于实现快速绿色交通的目标。

永磁同步电机作为机车牵引电机的应用现状及前景

在介绍永磁同步电机结构和特点的基础上,对其在机车牵引电机上的应用做了较详细的介绍,并对其应用前景进行了展望。

铁道车辆牵引系统用永磁同步电机比较

永磁体的采用,使永磁同步电机即使在空转的时候也能产生反电势,并且随着转速的升高反电势亦升高。当永磁同步电机作为铁道车辆牵引电机时,由于铁道车辆特有的惰行工况,必须解决永磁同步电机在铁道车辆惰行时的高反电势,以及由此带来的重投困难。如果仅从控制的角度,在电机高速运行时施加直轴负向电流,从而减弱合成气隙磁场,以降低反电势,但由此将带来惰行的铜耗,并且对控制器和逆变器的可靠性提出了更高的要求。本文从降低电机高速惰行时的反电势出发,提出了几种永磁电机方案,从而为铁道车辆牵引用永磁同步电机的选择提供一定参考。

电动汽车用永磁同步牵引电动机直接转矩控制(英文)

为提高电动汽车电传动系统性能,提出永磁同步牵引电动机直接转矩控制策略。根据电机的运行状态选择空间电压矢量获得快速动态转矩响应,同时有效降低逆变器的开关损耗。为提高系统效率,采用基于实时输入功率检测的定子磁链优化控制方法。仿真及实验结果证明了控制策略的有效性。

基于转子磁场定向的永磁同步电机牵引控制策略

以永磁同步电机为控制对象,研究了其转子磁场定向驱动的控制策略。首先分析永磁同步电机的数学模型,基于此研究转子磁场定向永磁同步电机的调速控制策略,并设计了速度外环和电流内环的调节器,最后通过系统仿真验证了整个驱动控制策略的有效性。结果表明,系统抗干扰能力强,具有良好的动静态性能。

改进同步SVM过调制在机车牵引永磁同步电机中的应用

针对机车牵引大功率永磁同步电机,提出了一种基于同步调制和零序电压注入的空间矢量调制（SVM）过调制方法。综述了当前对机车牵引变换器调制算法的研究,介绍了同步载波调制的切换方式选择方案,详细分析了SVM过调制在零序电压注入方式下的实现方法,推导了其在注入区、补偿区、修正区及六脉波区的数学表达式。提出的机车牵引变换器调制方法可以降低开关频率、减小分数次谐波。零序电压注入的SVM过调制方法实现方式简单、无参数依赖、能够平滑过渡到六脉波调制模式。最后通过仿真和实验的方法在永磁同步电机实验平台上验证了所提方法的正确性,该方法在不增加其它硬件成本的情况下,可减小开关频率为500 Hz以下、减少开关损耗、提高电流谐波特性,有一定的工程应用价值。