鐵路機(jī)車直驅(qū)牽引高效永磁電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

劉立東

（遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院，沈陽 110023）

鐵路發(fā)展經(jīng)歷了直流電機(jī)到交流電機(jī)的過程。交流電機(jī)比直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、維修方便，但調(diào)速性能差，機(jī)車起動轉(zhuǎn)矩偏小。由于交流電機(jī)具有直流電機(jī)沒有的優(yōu)越性，所以用三相交流異步電動機(jī)代替直流電機(jī)來牽引機(jī)車，并在鐵路領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。與異步電動機(jī)相比，直驅(qū)牽引高效永磁電機(jī)具有總質(zhì)量輕、損耗低、噪聲低、可以解決輪軌側(cè)磨和曲線波磨、降低曲線噪聲等優(yōu)勢。但直驅(qū)牽引高效永磁電機(jī)也存在需要解決的關(guān)鍵問題。

1 直驅(qū)牽引高效永磁電機(jī)的特點(diǎn)

1.1 無沖擊震動損耗少

齒輪傳動的異步牽引電機(jī)的傳遞損耗大、噪聲高、維修不方便，不適合在鐵路機(jī)車上應(yīng)用。而直驅(qū)的異步電動機(jī)的體積有所增加，導(dǎo)致簧下質(zhì)量增加，加重了機(jī)車對軌道的沖擊震動，同時(shí)也增加了牽引電機(jī)的機(jī)械磨耗。直驅(qū)牽引高效永磁電機(jī)則不存在沖擊問題，也相應(yīng)的降低了損耗和噪聲。

1.2 體積小效率高

直驅(qū)牽引高效永磁電機(jī)比異步傳動電機(jī)節(jié)省30%的體積，其中減少部分電機(jī)占比10%，齒輪箱占20%，同時(shí)，效率有所提高，直驅(qū)牽引高效永磁電機(jī)效率達(dá)96%，而異步傳動系統(tǒng)效率為93%。牽引電機(jī)采用交流異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)的效率曲線如圖1所示。

圖1 交流異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)的效率曲線

1.3 噪聲小

與通常的異步電機(jī)相比，電機(jī)噪聲可由105dB降低到90dB。

2 直驅(qū)牽引高效永磁電機(jī)關(guān)鍵問題

2.1 分析與設(shè)計(jì)問題

需要對傳統(tǒng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法做出針對性調(diào)整，由此帶來一系列有待研究的科學(xué)問題。主要體現(xiàn)在：鐵路機(jī)車直驅(qū)永磁同步電機(jī)在整體形狀布置上發(fā)生重大變化，模態(tài)仿真特性也隨之變化。由于形狀的變化導(dǎo)致電機(jī)在徑向激振力波的作用下的振動規(guī)律和噪聲規(guī)律發(fā)生改變，所以需要重新進(jìn)行電機(jī)的模態(tài)分析。相鄰定子單元雖然實(shí)現(xiàn)機(jī)械解耦，但是端部仍然存在磁場耦合。

電機(jī)的電抗參數(shù)和性能與電機(jī)的耦合磁場有關(guān)。定子部分?jǐn)?shù)學(xué)模型和多單元模塊組合磁場耦合關(guān)系模型的建立問題，及其與控制方式的結(jié)合問題。

極端條件下電氣和機(jī)械可靠性與壽命問題。電機(jī)的結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、溫度場和熱應(yīng)力分析、材料彈塑性蠕變對電機(jī)性能的影響等非線性問題的分析，所帶來的學(xué)科交叉問題。

2.2 繞組特性分析與設(shè)計(jì)問題

由于繞組的跨距不相等，并且繞組采用反向嵌放方式，使得彼此相鄰定子部分可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械解耦，從而大大增強(qiáng)了電機(jī)裝配和維護(hù)的靈活性，提高了電機(jī)系統(tǒng)的整體可靠性，但是同時(shí)也導(dǎo)致了繞組特性的改變。需要研究的科學(xué)問題主要體現(xiàn)在：繞組線圈采用不等跨距，是否需對傳統(tǒng)諧波電勢削弱方法進(jìn)行修正，需要總結(jié)出一套非對稱端部繞組電勢諧波含量計(jì)算和抑制的方法。繞組跨距不等，并且反向嵌放會使電機(jī)軸向端部分磁場分布非常復(fù)雜，導(dǎo)致繞組終端部所受電磁力需要進(jìn)行重新計(jì)算，并總結(jié)出規(guī)律，為電機(jī)繞組端部綁扎固定提供理論依據(jù)。三相繞組的端部不對稱以及磁路結(jié)構(gòu)變化對繞組自感、互感以及各種電抗參數(shù)的影響，以及電抗參數(shù)對電機(jī)性能的影響問題。研究不同繞組結(jié)構(gòu)與定子單元模塊數(shù)量和特性的關(guān)系，并找到繞組優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法。確定電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算中與繞組相關(guān)的數(shù)據(jù)（短距、分布系數(shù)、每極每相槽數(shù)、相帶等）。

2.3 一體化性能優(yōu)化控制和冗余功率控制問題

根據(jù)實(shí)際負(fù)載的需要，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能與效率的最優(yōu)化控制，提高系統(tǒng)的可靠性。需要研究的科學(xué)問題為：如何克服機(jī)械裝備使用環(huán)境和運(yùn)行工況的不確定性，從而建立基于人工智能化的系統(tǒng)控制模型，確定控制參數(shù)，使系統(tǒng)投入運(yùn)行的定子單元與系統(tǒng)的負(fù)荷實(shí)現(xiàn)最佳匹配；多變量、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)的綜合控制策略問題。

3 直驅(qū)牽引高效永磁電機(jī)關(guān)鍵問題解決辦法

3.1 理論分析與設(shè)計(jì)技術(shù)

將電機(jī)定子設(shè)計(jì)成組合式，實(shí)現(xiàn)電機(jī)解耦，系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的變化實(shí)現(xiàn)冗余功率的最優(yōu)化控制。

3.2 電機(jī)結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)

低速大功率意味著大轉(zhuǎn)矩，定子的巨大反作用力給機(jī)車直驅(qū)永磁同步電機(jī)的分析與設(shè)計(jì)提出了更加嚴(yán)格的要求。

3.3 多變量強(qiáng)耦合非線性時(shí)變系統(tǒng)的模糊變結(jié)構(gòu)控制

大型裝備，尤其是本課題主要研究的機(jī)車牽引推進(jìn)系統(tǒng)，需要控制的變量多，且變量之間存在強(qiáng)耦合、非線性和時(shí)變等特點(diǎn)，因此，針對機(jī)車直驅(qū)永磁同步電機(jī)的控制，提出了滿足不確定因素條件下的人工智能最優(yōu)化控制問題。

4 結(jié)語

牽引機(jī)車采用高效的永磁直驅(qū)系統(tǒng)，傳動效率高，省去了變速箱等中間傳動環(huán)節(jié)，為大型牽引機(jī)車交流電機(jī)驅(qū)動制造開辟了一個(gè)全新的研究思路。同時(shí)，從系統(tǒng)最優(yōu)化的角度出發(fā)，通過對系統(tǒng)冗余容量的最優(yōu)化控制，使冗余容量變成系統(tǒng)的自身備用容量，不但提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，也提高了運(yùn)行的可靠性。