軌道交通中永磁同步牽引系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

馬穎濤, 李 紅, 李巖磊, 楊 寧

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京 100081)

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軌道交通中永磁同步牽引系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

馬穎濤, 李 紅, 李巖磊, 楊 寧

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京 100081)

在軌道交通領(lǐng)域，永磁同步牽引系統(tǒng)經(jīng)歷了多年發(fā)展，初步進(jìn)入了商業(yè)化階段。相比傳統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)作為牽引電機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)，永磁同步牽引系統(tǒng)能耗更低；電機(jī)功率密度更高，可以在功率較低的場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)直驅(qū)；電機(jī)可設(shè)計(jì)成全密封結(jié)構(gòu)，噪聲可明顯降低。同時(shí)，永磁同步牽引系統(tǒng)也具備一些缺點(diǎn)和特殊性，例如永磁體的失磁風(fēng)險(xiǎn)；牽引系統(tǒng)復(fù)雜性較高；控制和故障保護(hù)上有特殊性；永磁同步電機(jī)制造難度和成本較高等。這些問題都需要引起足夠重視和深入研究，才能促進(jìn)永磁同步牽引系統(tǒng)的成熟和應(yīng)用。最后展望了永磁同步牽引系統(tǒng)在軌道交通領(lǐng)域中的應(yīng)用前景：雖然無法取代異步電機(jī)牽引系統(tǒng)，但永磁同步牽引系統(tǒng)將以其鮮明的優(yōu)點(diǎn)，在多元化用戶需求和細(xì)分市場(chǎng)中占得一席之地。

永磁同步牽引系統(tǒng)； 軌道交通； 永磁同步電機(jī)； 永磁體失磁

自20世紀(jì)70年代交流傳動(dòng)機(jī)車誕生，伴隨電力電子技術(shù)、控制理論和信息技術(shù)的進(jìn)步，交流傳動(dòng)電力牽引已經(jīng)過40余年的發(fā)展。特別是異步電機(jī)為電動(dòng)機(jī)的牽引系統(tǒng)，以其優(yōu)良的特性，自20世紀(jì)80年代開始流行，至今已成為軌道交通領(lǐng)域公認(rèn)的主流[1]。

和異步電機(jī)牽引系統(tǒng)類似，永磁同步牽引系統(tǒng)是交流牽引傳動(dòng)的另外一條技術(shù)路線[2-4]。自2000年以來，歐洲和日本多家公司，如龐巴迪、阿爾斯通、東芝等，陸續(xù)開始將永磁同步電機(jī)作為牽引電機(jī)，現(xiàn)已有批量產(chǎn)品應(yīng)用。這標(biāo)志著永磁同步牽引系統(tǒng)初步進(jìn)入了商業(yè)化應(yīng)用階段[5]。在國(guó)內(nèi)以南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司(簡(jiǎn)稱：株洲所)為代表，于2012年和2014年，分別在地鐵車輛上[6]和動(dòng)車組上對(duì)其永磁同步牽引系統(tǒng)進(jìn)行考核。

與異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有更高效率、更高功率密度等特點(diǎn)[7-9]。有案例實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)輪軸的直驅(qū)系統(tǒng)，省去了齒輪箱?？蓪⒂来磐诫姍C(jī)設(shè)計(jì)成全封閉結(jié)構(gòu)，運(yùn)行噪聲明顯下降，且免除了清掃電機(jī)內(nèi)部的維護(hù)工作。牽引系統(tǒng)的能耗是軌道交通能耗的重要部分。在節(jié)能減排的政策背景下，永磁同步牽引系統(tǒng)能夠?yàn)檐壍澜煌ǖ墓?jié)能減排做出積極貢獻(xiàn)。雖然永磁同步牽引系統(tǒng)有顯著優(yōu)點(diǎn)，但永磁同步電機(jī)的諸多特殊性也決定了該技術(shù)路線在應(yīng)用中也存在一些問題。例如永磁體失磁風(fēng)險(xiǎn)[10-12]，牽引系統(tǒng)復(fù)雜性較高，系統(tǒng)控制與故障保護(hù)上有特殊性[13]，永磁電機(jī)的制造難度和成本較高[7,14]，這些都值得關(guān)注和深入的研究。

首先結(jié)合國(guó)內(nèi)外的技術(shù)現(xiàn)狀對(duì)永磁同步牽引系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行綜述。之后將對(duì)永磁同步牽引系統(tǒng)引入的新問題進(jìn)行分析討論。最后結(jié)合永磁電機(jī)在其他工業(yè)場(chǎng)合中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，展望永磁同步牽引系統(tǒng)在軌道交通行業(yè)的前景。

1 發(fā)展現(xiàn)狀與優(yōu)點(diǎn)

1.1 效率提高，能耗降低

永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子上安裝有永磁鐵，無須勵(lì)磁電流，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的功率因數(shù)和更低的定子銅耗。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同頻，基本消除了轉(zhuǎn)子鐵耗和轉(zhuǎn)子銅耗。因此永磁同步電機(jī)的效率可高達(dá)97%。相比異步電機(jī)牽引系統(tǒng)，永磁同步牽引系統(tǒng)的效率在全速度范圍內(nèi)均有一定提高。

根據(jù)報(bào)道采用永磁同步牽引系統(tǒng)節(jié)能效果約10%。案例如下：東日本鐵路公司的103系電車20萬km的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；東芝公司的地鐵車輛在東京地鐵的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司在沈陽地鐵2號(hào)線第20列車M1車上的一臺(tái)電機(jī)運(yùn)行考核數(shù)據(jù)。

阿爾斯通稱采用永磁同步牽引系統(tǒng)的AGV高速動(dòng)車組可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)15%的節(jié)能效果。

1.2 功率密度優(yōu)勢(shì)

與同等級(jí)的異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)的體積和質(zhì)量可以減 小20～30%，因此功率密度顯著提高。據(jù)報(bào)道阿爾斯通AGV高速動(dòng)車組(360 km/h)采用的720 kW全封閉永磁同步電機(jī)，功率密度可達(dá)0.99 kW/kg，該車于2010年在意大利商業(yè)運(yùn)行。阿爾斯通公司的AGV高速動(dòng)車組和Citadis型低地板輕軌車輛，均采用齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。

在同等尺寸和質(zhì)量的條件下，永磁同步電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)更大的轉(zhuǎn)矩，因此可以實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。例如西門子公司城軌車輛新型轉(zhuǎn)向架Syntegra采用直驅(qū)式永磁同步電機(jī)(圖1)；東日本鐵路公司的103系電車采用直驅(qū)技術(shù)；斯柯達(dá)在有軌電車上采用46.6 kW的永磁直驅(qū)牽引電機(jī)。

圖1 西門子全封閉水冷永磁同步電機(jī)

取消齒輪箱可以提高傳動(dòng)系統(tǒng)效率、降低噪聲、免除齒輪箱的維護(hù)成本等優(yōu)點(diǎn)。

但是，齒輪箱作為電機(jī)軸到輪軸之間的變速環(huán)節(jié)，同時(shí)也是一級(jí)緩沖。直驅(qū)系統(tǒng)省去變速箱，輪軸與電動(dòng)機(jī)直接連接。那么各種有害沖擊負(fù)荷也就全部由電機(jī)本體承受，這對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

1.3 可實(shí)現(xiàn)全封閉電機(jī)

永磁同步電機(jī)效率的顯著提高意味著其自身發(fā)熱的減少。特別是對(duì)于轉(zhuǎn)子，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子發(fā)熱量較低，這就利于電機(jī)的全封閉設(shè)計(jì)。

全封閉電機(jī)設(shè)計(jì)不僅免除了定期解體清掃電機(jī)內(nèi)部的維護(hù)工作，也明顯地降低了噪聲。據(jù)報(bào)道，阿爾斯通的Citadis型低地板輕軌車輛采用全封閉永磁同步電機(jī)，噪聲降低了3～7 dB；西門子的城軌車輛新型轉(zhuǎn)向架Syntegra中采用的全封閉水冷永磁同步電機(jī)，比同功率異步電機(jī)相比噪聲降低15 dB；東日本鐵路公司的103系電車采用全封閉永磁同步電機(jī)，沿線噪聲約降低5 dB；東芝公司的地鐵車輛采用全封閉永磁同步電機(jī)(圖2)，噪聲降低2～6 dB。

2 存在的挑戰(zhàn)

異步電機(jī)牽引系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟，無論是從供應(yīng)商到運(yùn)營(yíng)部門，都積累了大量的設(shè)計(jì)、運(yùn)用和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)于永磁同步牽引系統(tǒng)，雖然在上述方面有顯著優(yōu)勢(shì)，但是永磁同步電機(jī)的諸多特殊性也必然伴隨一些缺點(diǎn)。

2.1 永磁體失磁風(fēng)險(xiǎn)

永磁體是永磁同步電機(jī)中最核心的零部件之一。

圖2 東芝公司永磁同步牽引電機(jī)

稀土永磁材料釹鐵硼由于其優(yōu)良的特性(常溫狀態(tài)下剩磁密度較高、矯頑力較高、磁能積較高、價(jià)格相對(duì)較低)，成為永磁同步電機(jī)的主流永磁材料。它的性能直接決定了永磁同步電機(jī)的效率、性能和可靠性。

近年來，隨著永磁同步電機(jī)在交流傳動(dòng)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，永磁體的失磁作為一個(gè)共性問題受到了諸多公司和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注和研究。如中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心研究了電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)的失磁問題和失磁對(duì)電機(jī)損耗的影響[11]；中船重工集團(tuán)704研究所，對(duì)永磁電機(jī)最大不失磁電流與電機(jī)新能進(jìn)行了分析[15]；沈陽工業(yè)大學(xué)針對(duì)永磁體渦流發(fā)熱退磁研究開展了深入研究[16-17]；華北電力大學(xué)針對(duì)自啟動(dòng)永磁同步電機(jī)的失磁機(jī)理和抑制方法展開了研究[18]。

永磁電機(jī)的永磁體失磁會(huì)導(dǎo)致電機(jī)性能降低，甚至無法使用，因此必須引起足夠重視。永磁體失磁的原因較為復(fù)雜，有可能是單獨(dú)一個(gè)原因，也可能是多個(gè)因素共同起作用。通常來講，永磁同步電機(jī)失磁的原因主要有以下幾個(gè)方面。

(1) 沖擊電流

沖擊電流產(chǎn)生的去磁磁場(chǎng)可以導(dǎo)致永磁體失磁。那么一般認(rèn)為電機(jī)電樞電流最大發(fā)生在電機(jī)機(jī)端短路情況下。特別是電機(jī)不對(duì)稱短路故障(如相間短路)產(chǎn)生的暫態(tài)沖擊電流教穩(wěn)態(tài)短路電流值更大，更容易引起永磁體的不可逆失磁[19]，且失磁程度隨電機(jī)工作溫度的升高而增加。

因此必須設(shè)計(jì)合理的短路電流倍數(shù)或電樞電抗，限制故障狀態(tài)下電機(jī)電樞電流，防止沖擊電流失磁。

(2) 高溫

釹鐵硼屬于負(fù)溫度系數(shù)永磁材料。溫度高于居里溫度時(shí)，矯頑力將下降，會(huì)發(fā)生失磁。而且永磁體短時(shí)的超溫即可能發(fā)生不可逆失磁。常用釹鐵硼材料的居里溫度在80～180℃。居里溫度點(diǎn)越高，永磁體價(jià)格也迅速升高。

永磁同步電機(jī)的溫升必須控制在合理的范圍，避免永磁體的溫度高于居里溫度。參照IEC 60349-4《與電子變流器連接的永磁同步電機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)，定子繞組基準(zhǔn)溫度為150℃，永磁體基準(zhǔn)溫度為100℃。

而感應(yīng)電機(jī)對(duì)電機(jī)的溫升的要求更為寬松。參照IEC 60349-2《鐵路機(jī)車車輛用電子變流器供電的交流電動(dòng)機(jī)》中對(duì)異步電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子溫升的約定，H級(jí)絕緣等級(jí)時(shí)定子繞組的溫升限制為180 K，而且標(biāo)準(zhǔn)中未明確的給出轉(zhuǎn)子溫度限值，以不損害任何繞組或其他部件為限。因此，永磁同步電機(jī)對(duì)電機(jī)溫升要求更為苛刻。

由于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子渦流損耗較低，在早期小容量永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)子溫升問題并未引起足夠重視。永磁體本身也會(huì)感應(yīng)出渦流發(fā)熱。電機(jī)定子槽開口引起的氣隙磁導(dǎo)變化以及定子電流的諧波成分，會(huì)在永磁體內(nèi)感應(yīng)出渦流。隨著電機(jī)功率的提高，永磁體的體積增大，特別是對(duì)于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁體的散熱條件更差。渦流損耗會(huì)引起永磁體局部溫升過高，增加了失磁風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 腐蝕、氧化

釹鐵硼永磁材料中的釹和鐵都是易氧化易腐蝕的元素。永磁體受腐蝕、氧化也會(huì)導(dǎo)致失磁。因此需要永磁體做好表面涂覆防護(hù)。同時(shí)采用全封閉結(jié)構(gòu)避免鐵屑吸附在永磁體上。

(4) 沖擊振動(dòng)

劇烈震動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致永磁體失磁。

綜上所述，永磁體存在失磁風(fēng)險(xiǎn)，永磁同步電機(jī)需要在設(shè)計(jì)上充分考慮各種因素，避免永磁同步電機(jī)發(fā)生失磁。

2.2 系統(tǒng)復(fù)雜性較高

(1) 軸控

輪徑差的必然存在決定了同一列車的不同輪對(duì)的轉(zhuǎn)速總存在差異，即不同牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速必然有差異。

異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子頻率是不一致的，而且其轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)峭ㄟ^感應(yīng)產(chǎn)生的。這就決定了多臺(tái)異步電機(jī)可以并聯(lián)一起，由同一臺(tái)逆變器集中控制。因此感應(yīng)為電動(dòng)機(jī)的牽引系統(tǒng)可以采用車控或架控的方式，即一個(gè)逆變器帶4臺(tái)或者2臺(tái)異步電機(jī)。車控方式如圖3(a)所示，4臺(tái)感應(yīng)電機(jī)直接并聯(lián)運(yùn)行。

但是永磁同步電機(jī)的特性決定了其轉(zhuǎn)子頻率與定子頻率是一致的，而且轉(zhuǎn)子磁鏈的位置只取決于轉(zhuǎn)子位置。而多個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置必然無法保持一致。這就決定了永磁同步電機(jī)無法實(shí)現(xiàn)車控和架控。永磁同步牽引系統(tǒng)只能采用軸控方式，如圖3(b)所示，即每臺(tái)永磁同步電機(jī)都需要有獨(dú)立的逆變器分別控制。這就導(dǎo)致逆變器的數(shù)量比較多。雖然系統(tǒng)的冗余性得到提高，但其零部件數(shù)量顯著的增加，復(fù)雜性亦較高，故障點(diǎn)倍增。

圖3 逆變器與牽引電機(jī)示意圖

(2) 隔離接觸器

由于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈不可調(diào)節(jié)。因此即便逆變器停止工作，永磁同步電機(jī)定子繞組也會(huì)隨著電機(jī)旋轉(zhuǎn)感應(yīng)出反電勢(shì)。

在高速惰行時(shí)，為避免逆變器停機(jī)以后永磁電機(jī)通過逆變器的反并聯(lián)二極管向直流環(huán)節(jié)充電，同時(shí)也考慮到電機(jī)端較高的反電勢(shì)可能給逆變器造成危害，就需要能夠?qū)⒛孀兤髋c永磁同步電機(jī)之間實(shí)現(xiàn)隔離。因此在逆變器與永磁同步電機(jī)之間，還必須有斷路能力的開關(guān)。這無疑增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。

2.3 控制、故障保護(hù)和工作運(yùn)行的特殊性

(1) 弱磁控制

當(dāng)永磁同步電機(jī)定子電壓達(dá)到逆變器能夠輸出的最高電壓時(shí)，只有通過弱磁控制來提高電機(jī)的高速范圍。由于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈不能調(diào)整，因此需要在定子電流中增加去磁分量來消弱電機(jī)磁場(chǎng)。去磁電流分量會(huì)增加永磁同步電機(jī)的定子銅耗，從而影響了電機(jī)效率。

當(dāng)永磁同步電機(jī)工作在弱磁高速的工況，若逆變器突然停止工作，去磁電流的消失將導(dǎo)致定子電壓升高，有可能損害逆變器。這也為逆變器的帶速重投造成了困難。

(2) 短路故障的處理

在異步電機(jī)的牽引系統(tǒng)中，一旦電機(jī)發(fā)生故障，僅需逆變器停止工作即可。

但是永磁同步電機(jī)發(fā)生機(jī)端短路或匝間短路時(shí)，若永磁同步電機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，則會(huì)有持續(xù)的短路電流存在。可能導(dǎo)致故障進(jìn)一步擴(kuò)大，或者燒損絕緣發(fā)生繞組接地，甚至導(dǎo)致電機(jī)過熱損壞電機(jī)。當(dāng)逆變器發(fā)生故障導(dǎo)致短路時(shí)，需要隔離接觸器將永磁同步電機(jī)與逆變器斷開，防止故障的進(jìn)一步惡化。

(3) 磁場(chǎng)強(qiáng)度隨溫度變化

永磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨溫度發(fā)生變化。轉(zhuǎn)子溫度每升高10K，磁場(chǎng)強(qiáng)度約減少1%。由于電機(jī)的溫度從-40℃到150℃大范圍變化，溫度的變化會(huì)對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)產(chǎn)生明顯的影響。這需要電機(jī)控制上考慮到溫度變化的因素。

(4) 附加鐵耗

在列車惰行工況下，逆變器盡管已經(jīng)停止工作，永磁同步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)依然會(huì)在定子鐵芯中產(chǎn)生渦流損耗。這一部分附加鐵損，也會(huì)影響永磁同步牽引系統(tǒng)的總效率。

2.4 永磁同步電機(jī)的制造工藝較復(fù)雜

鼠籠型異步電機(jī)是結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的電動(dòng)機(jī)之一，制造工藝非常成熟，成本相對(duì)較低。

永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比鼠籠型異步電機(jī)復(fù)雜。永磁體本身具有較強(qiáng)的磁性，這為電機(jī)的加工生產(chǎn)帶來挑戰(zhàn)，例如轉(zhuǎn)子鐵芯疊壓、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡、永磁體安裝與固定、轉(zhuǎn)子運(yùn)輸?shù)?。加工過程中也需要使用特殊的、非鐵磁性的工具。需要增加設(shè)備對(duì)永磁體磁性能進(jìn)行檢測(cè)。

因此相比異步電機(jī)，永磁同步電機(jī)的制造工藝更為復(fù)雜，生產(chǎn)成本會(huì)更高。如果發(fā)生故障，維修的難度也更高。

2.5 稀土材料的成本問題

永磁材料釹鐵硼的重要原材料釹就是稀土元素。稀土作為一種不可再生資源，近年來作為戰(zhàn)略資源被國(guó)家加大了管控。稀土價(jià)格曾經(jīng)在2010年以來大幅波動(dòng)，對(duì)永磁體和永磁同步電機(jī)的成本造成了較大的影響。長(zhǎng)期來看，稀土價(jià)格仍然看漲。永磁同步電機(jī)的成本仍將明顯高于異步電機(jī)。

3 行業(yè)類比

永磁同步電機(jī)以其鮮明的優(yōu)勢(shì)，在風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域有了較廣泛的應(yīng)用。

3.1 純電動(dòng)汽車領(lǐng)域

電動(dòng)汽車和軌道交通中的牽引系統(tǒng)最為類似。主流純電動(dòng)車型的電機(jī)產(chǎn)品大多采用交流感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)。電機(jī)的功率等級(jí)差別較大，這主要取決于汽車的品牌定位。部分國(guó)外純電動(dòng)車型及電機(jī)類型如表1所示。

表1 部分國(guó)外純電動(dòng)車型與電機(jī)

從表中可以看出，兩種電機(jī)皆有應(yīng)用，并不存在誰是先進(jìn)技術(shù)，誰是落后淘汰技術(shù)的問題。比如表中功率最大的特斯拉的Model S，其誕生時(shí)間最晚，采用的交流感應(yīng)電機(jī)。

3.2 風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域

以永磁同步電機(jī)在風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)用歷史和現(xiàn)狀為例。當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)主要分為兩類：雙饋技術(shù)與永磁直驅(qū)技術(shù)。雙饋技術(shù)采用一種轉(zhuǎn)子繞線式的異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)。永磁直驅(qū)技術(shù)則采用永磁同步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)。

與異步電機(jī)牽引系統(tǒng)在軌道交通牽引領(lǐng)域占據(jù)主流一樣，雙饋技術(shù)也在風(fēng)電領(lǐng)域內(nèi)占主導(dǎo)地位。雙饋技術(shù)以其方案成熟，運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，約占據(jù)了全球85%的市場(chǎng)份額。近些年來，永磁直驅(qū)技術(shù)也逐漸嶄露頭角。以2012年為例，中國(guó)新增大型風(fēng)電機(jī)組中，永磁直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組約占26%[20]。

永磁直驅(qū)技術(shù)和雙饋技術(shù)幾乎同時(shí)出現(xiàn)。但是在過去和現(xiàn)在，雙饋技術(shù)仍將是市場(chǎng)的主流。隨著永磁直驅(qū)技術(shù)的日漸成熟，將成為一種的有力的補(bǔ)充。

4 前景展望

與集中控制的異步電機(jī)牽引系統(tǒng)相比，永磁同步牽引系統(tǒng)的系統(tǒng)節(jié)能效果明顯。永磁同步電機(jī)具高功率密度的顯著優(yōu)勢(shì)。永磁同步電機(jī)采用封閉結(jié)構(gòu)顯著的降低了噪聲、減少了電機(jī)的日常維護(hù)清掃工作。

但是，永磁電機(jī)也面臨諸多挑戰(zhàn)：永磁體失磁風(fēng)險(xiǎn)不容忽視；永磁同步牽引系統(tǒng)在控制、故障保護(hù)和運(yùn)行過程中具有很多特殊性；永磁同步牽引系統(tǒng)的復(fù)雜性較高，將不可避免導(dǎo)致故障點(diǎn)的增多和維護(hù)成本的提高；永磁電機(jī)的初始成本較高，特別是永磁材料價(jià)格不夠穩(wěn)定。任何一項(xiàng)具體技術(shù)的成熟都需要一定的過程，更何況永磁同步牽引系統(tǒng)是涉及到牽引變流器、電機(jī)、轉(zhuǎn)向架等核心零部件，涉及到機(jī)械、電磁設(shè)計(jì)、熱學(xué)、控制、材料等各個(gè)學(xué)科。這都決定了這項(xiàng)技術(shù)需要在實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)。

在軌道交通領(lǐng)域中，永磁同步電機(jī)的工作環(huán)境通常比較惡劣，例如沖擊振動(dòng)，工作溫度范圍較大等。牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命一般都不少于20年。迄今為止，還未有永磁同步牽引系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全壽命周期的運(yùn)營(yíng)。因此能否實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)在全壽命周期內(nèi)的可靠運(yùn)行；能否通過節(jié)能抵消較高的初始成本和維護(hù)成本；能否最終實(shí)現(xiàn)其全壽命周期成本低于異步電機(jī)牽引系統(tǒng)，仍需實(shí)踐的考驗(yàn)。

技術(shù)的成熟性、質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性、及時(shí)且低成本的維修和維護(hù)才是用戶選擇的重要標(biāo)準(zhǔn)。因此異步電機(jī)牽引系統(tǒng)仍將在未來較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)占據(jù)主流地位。但是可以預(yù)見，永磁同步牽引系統(tǒng)將以其鮮明的優(yōu)點(diǎn)，在多元化用戶需求和細(xì)分市場(chǎng)中占得一席之地。

[1] 黃濟(jì)榮.電力牽引交流傳動(dòng)與控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[2] KONDOU K, MATSUOKA K. Permanent magnet synchronous motor control system for railway vehicle traction and its advantages[C]// Proceedings of the Power Conversion Conference. Nagaoka: IEEE，1997：63-68(vol.1).

[3] BOSE R K. A high-performance inverter-fed drive system of an interior permanent magnet synchronous machine[J]．IEEE Transactions on Industry Applications，1998，24(6)：987-997．

[4] NOGUCHI T. Trends of permanent magnet synchronous machine drives[J]．IEEE Transactions on Electrical and Electronic Engineering，2007，2(2)：125-142．

[5] 馮江華.軌道交通永磁同步牽引系統(tǒng)的發(fā)展概況及應(yīng)用挑戰(zhàn)[J]. 大功率變流技術(shù)，2012,(3)：1-7.

[6] 閆 磊, 郭 楓.永磁同步牽引系統(tǒng)在沈陽地鐵2號(hào)線地鐵車輛上的應(yīng)用[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2013(3)：46-48.

[7] 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī):理論與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[8] MELFI M J. Induction versus permanent magnet motors[J]．IEEE Industry Applications Magazine，2009，15(6)：28-35．

[9] BRINNER T R, MCCOY R H, KOPECKY T. Induction Versus Permanent-Magnet Motors for Electric Submersible Pump Field and Laboratory Comparisons[J]．IEEE Transactions on Industry Applications，2014，50(1)：174-181．

[10] 林 巖．釹鐵硼永磁電機(jī)防高溫失磁技術(shù)的研究[D]．沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2006．

[11] 曾金玲，盧炳武，霍福祥. 電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)的退磁特性分析研究[J].汽車技術(shù)，2012,(8)：15-18.

[12] 黃 浩，柴建云，姜忠良. 釹鐵硼稀土永磁材料交流失磁[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，44(6)：721-724.

[13] SMEETS J．Study of turn-to-turn failure in permanent magnet traction motor for railway applications[D]．Stockholm: Royal Institute of Technology (KTH)，2008．

[14] 陳致初，李益豐，符敏利. 永磁同步牽引電動(dòng)機(jī)的特殊性[J]. 大功率變流技術(shù)，2012，(3)：25-30.

[15] 畢劉新，王善銘，楊平西. 基于最大不失磁電流的表貼式永磁電機(jī)性能分析[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用，2011，38(2)：1-5.

[16] 張炳義，王三堯，馮桂宏. 釹鐵硼永磁電機(jī)永磁體渦流發(fā)熱退磁研究[J]. 沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35(2)：126-132.

[17] 王三堯．低速直驅(qū)永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)與防退磁技術(shù)研究[D]．沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2012．

[18] 盧偉甫，劉明基，羅應(yīng)立．自起動(dòng)永磁同步電機(jī)起動(dòng)過程退磁磁場(chǎng)的計(jì)算與分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(15)：53-60.

[19] HAYLOCK J A，HOEFER U M，JACK A G．Predicting and Preventing Demagnetisation in Permanent Magnet Motor Drives[C]． Proceeding of the 3rd IET International Conference，2006．

[20] 祁和生，沈德昌．當(dāng)前我國(guó)大型風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析報(bào)告[J]. 風(fēng)能產(chǎn)業(yè)，2013，(12)：7-26.

Overview of Advantages and Challenges of Permanent Magnet Synchronous Traction System in Railway Transit

MAYingtao,LIHong,LIYanlei,YANGNing

(China Academy of Railway Sciences, Locomotive & Car Research Institute，Beijing 100081)

In the railway transport industry, the permanent magnet synchronous traction system has preliminarily entered into the stage of commercialization, after several years of development. Compared to the traction system employing induction motor which is the mainstream in the railway traction, the permanent magnet synchronous traction system has several advantages such as lower energy consumption, higher power density, possibility of direct dive structure in low power condition, possibility of totally enclosed structure and lower noise. At the same time, it has several noticeable drawbacks due to its specialties which need to be handled seriously before its widely use, such as risk of demagnetization, complexity of the traction system, some specialties problem on the control and protection, relatively high production and cost. At last the prospect of permanent magnet synchronous traction system is concluded: although it cannot replace the induction motor traction system, the permanent magnet synchronous traction system will have a share in the market segments because of diversified needs of users.

permanent magnet synchronous traction system； railway transportation； permanent magnet synchronous motor； demagnetization

1008-7842 (2015) 03-0066-05

??)男，助理研究員(

2015-03-30)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A doi:10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.16