軌道交通永磁同步牽引電機(jī)應(yīng)用研究

徐 強(qiáng)

南車(chē)青島四方股份有限公司，山東青島 266000

1 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

永磁同步電機(jī)工作的核心部分是永久磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)由磁鐵產(chǎn)生。電動(dòng)機(jī)主要由三個(gè)部分組成，分別是定子、轉(zhuǎn)子以及端蓋。同步電動(dòng)機(jī)中的定子與異步電動(dòng)機(jī)的工作原理是相似的，定子主要包括鐵心和線圈兩個(gè)部分。線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)是產(chǎn)生磁場(chǎng)的根本原因，線圈的高速旋轉(zhuǎn)使得三相交流電的應(yīng)用成為可能。轉(zhuǎn)子的基本結(jié)構(gòu)分轉(zhuǎn)子鐵芯，軸，永磁體。同步電動(dòng)機(jī)區(qū)別于一般電動(dòng)機(jī)的主要部分是永磁體，永磁體位于轉(zhuǎn)子中，不同永磁體的結(jié)構(gòu)差異很大，導(dǎo)致市場(chǎng)上各種電動(dòng)機(jī)在性能、控制系統(tǒng)以及應(yīng)用范圍方面也有比較大的差異。永磁電機(jī)的特點(diǎn)是只要轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，那么它會(huì)在定子疊片組中和轉(zhuǎn)子磁鋼保護(hù)套里產(chǎn)生與速度有關(guān)的渦流。速度越高，渦流越大，從而產(chǎn)生大量的熱。如果該熱量不能快速散發(fā)，就會(huì)導(dǎo)致磁鋼保護(hù)套的溫度急劇升高。使永磁體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致永磁體退磁，影響永磁電機(jī)的性能。另外，逆變器供電存在諧波電流，其高次諧波電流產(chǎn)生的高次諧波磁場(chǎng)會(huì)在永磁體內(nèi)產(chǎn)生渦流損耗，如果溫度超過(guò)最高工作溫度將產(chǎn)生退磁。為此要充分考慮電機(jī)的散熱問(wèn)題，合理的設(shè)計(jì)電機(jī)的定子槽型，盡量減少合成磁場(chǎng)的諧波，逆變器設(shè)計(jì)與控制要考慮減少諧波電流[2]。同時(shí)，合理設(shè)計(jì)通風(fēng)散熱系統(tǒng)，以便達(dá)到快速散熱的要求。

2 軌道交通永磁同步牽引電機(jī)研究應(yīng)用

永磁同步電機(jī)相對(duì)異步電機(jī)而言具有效率高、功率因數(shù)高、體積小、重量輕、可實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)、可實(shí)現(xiàn)全封閉結(jié)構(gòu)、噪音低、維修量小等的優(yōu)點(diǎn)，已成為高速鐵路和城市軌道車(chē)輛牽引電機(jī)又一個(gè)新的發(fā)展方向[3]。國(guó)外在這方面的研究與應(yīng)用上已取得了可喜的成果例如：

1）阿爾斯通分別為低地板車(chē)輛和AGV高速動(dòng)車(chē)組開(kāi)發(fā)了120kW和720kW全封閉永磁同步牽引電機(jī)。 AGV高速動(dòng)車(chē)組達(dá)到速度360km/h ，永磁同步牽引電機(jī)，全封閉自冷卻方式， 轉(zhuǎn)子磁鋼為表面式安裝，采用齒輪傳動(dòng)，極對(duì)數(shù)6，功率質(zhì)量比0.99，總效率97%，最大轉(zhuǎn)速4 500r/min，接觸網(wǎng)電壓3 000V。 裝有兩個(gè)AGV轉(zhuǎn)向架的永磁同步牽引系統(tǒng)幫助阿爾斯通創(chuàng)造了574.8km/h的世界鐵路第一速。Citadis型低地板輕軌車(chē)輛，永磁同步牽引電機(jī)，全封閉自冷卻方式， 轉(zhuǎn)子磁鋼為表面式安裝，采用齒輪傳動(dòng)，極對(duì)數(shù)4，功率質(zhì)量比1，總效率96%，最大轉(zhuǎn)速3600r/min，接觸網(wǎng)電壓600V。Citadis于2004年投入運(yùn)營(yíng)。與同功率的感應(yīng)牽引電機(jī)相比效率提高3%～4%，噪聲級(jí)降3dB～7dB，體積減少30%，質(zhì)量少30%；2）龐巴迪開(kāi)發(fā)的自通風(fēng)永磁同步電機(jī)，持續(xù)功率302kW，重量550kg，系統(tǒng)效率滿載時(shí)可達(dá)97.1%， 2008年夏在瑞典線路上裝車(chē)試驗(yàn)，效率比感應(yīng)電機(jī)提高了3.5%，300 km/h時(shí)的牽引力為感應(yīng)電機(jī)的2.65倍，電機(jī)噪聲低，245 km/h時(shí)為65dB(A)；3）西門(mén)子開(kāi)發(fā)的城軌車(chē)輛將轉(zhuǎn)向架、永磁電機(jī)和制動(dòng)裝置集合一體的新型轉(zhuǎn)向架Syntegra，采用直驅(qū)式永磁同步牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，全封閉、水冷、轉(zhuǎn)子磁鋼表面式安裝的永磁同步電機(jī)，極對(duì)數(shù)12，額定功率150kW，總效率97%，與同功率的感應(yīng)牽引電機(jī)相比噪聲可降低15dB，體積減少30%，效率提高3%；4）日本東芝基于實(shí)現(xiàn)360km/h運(yùn)營(yíng)速度的大功率化，牽引系統(tǒng)的小型化、低噪聲化和低壽命周期成本的理念，為新干線開(kāi)發(fā)了下一代具有永磁同步牽引系統(tǒng)的E954/E955系列機(jī)車(chē)。永磁同步牽引電機(jī)全封閉自冷卻方式，轉(zhuǎn)子磁鋼為表面式安裝，采用齒輪傳動(dòng)，極對(duì)數(shù)6，電機(jī)功率355kW，功率質(zhì)量比0.81，總效率97%，最大轉(zhuǎn)速4 500r/min。于2005年6月下線。東芝開(kāi)發(fā)的AC系列車(chē)，直接傳動(dòng)式永磁牽引電機(jī)，全封閉自冷方式，電機(jī)功率160kW，總效率95%，從2002年開(kāi)始，搭載在商業(yè)運(yùn)行。其針對(duì)地鐵車(chē)輛開(kāi)發(fā)了全封閉永磁同步牽引電機(jī)，相比異步牽引電機(jī)可節(jié)能10%，噪音可降低2dB～6dB；5）在中國(guó)南車(chē)株洲時(shí)代研究所以沈陽(yáng)地鐵（二號(hào)線）牽引系統(tǒng)為目標(biāo)，立項(xiàng)研制地鐵用JD155型永磁牽引電機(jī)，轉(zhuǎn)子為內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)，自冷卻方式，極對(duì)數(shù)8，電機(jī)功率190kW，總效率96.3%，最大轉(zhuǎn)速3 686r/min。于2011年6月完成裝車(chē)樣機(jī)研制和地面試驗(yàn)。浙大為南車(chē)四方永磁高速列車(chē)（速度350km/h）研制了永磁同步牽引電機(jī)，強(qiáng)迫風(fēng)冷卻方式， 轉(zhuǎn)子磁鐵為內(nèi)置式安裝， 采用齒輪傳動(dòng)，極對(duì)數(shù)4，電機(jī)功率600kW，功率質(zhì)量比大于1，電機(jī)效率97.7%，最大轉(zhuǎn)速5 800r/min。

3 結(jié)論

高速鐵路和城市軌道的發(fā)展需要牽引電機(jī)的體積進(jìn)一步減小，質(zhì)量進(jìn)一步減輕。永磁同步電機(jī)相對(duì)異步電機(jī)而言具有效率高、功率因數(shù)高、體積小、重量輕、可實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)、可實(shí)現(xiàn)全封閉結(jié)構(gòu)、噪音低、維修量小等的優(yōu)點(diǎn)，已成為高速鐵路和城市軌道車(chē)輛牽引電機(jī)又一個(gè)新的發(fā)展方向。隨著新材料、新結(jié)構(gòu)、新器件、新理論的發(fā)展以及永磁同步牽引傳動(dòng)技術(shù)研究[7]的不斷深入將為永磁同步牽引系統(tǒng)注入更多的活力。

[1]馮江華.鐵道車(chē)輛牽引系統(tǒng)用永磁同步電機(jī)比較[J].鐵道學(xué)報(bào)2007，29(5)：111-116.

[2]馮江華.軌道交通永磁同步牽引系統(tǒng)研究[J].機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2010(15)：15-21.

[3]劉榮強(qiáng).永磁同步電機(jī)在鐵路機(jī)車(chē)牽引系統(tǒng)的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)車(chē)，2008，411(5)：12-13.