軌道交通永磁同步牽引電機應用研究

徐 強

南車青島四方股份有限公司，山東青島 266000

1 永磁同步電機的結構及其特點

永磁同步電機工作的核心部分是永久磁場，該磁場由磁鐵產生。電動機主要由三個部分組成，分別是定子、轉子以及端蓋。同步電動機中的定子與異步電動機的工作原理是相似的，定子主要包括鐵心和線圈兩個部分。線圈的轉動是產生磁場的根本原因，線圈的高速旋轉使得三相交流電的應用成為可能。轉子的基本結構分轉子鐵芯，軸，永磁體。同步電動機區別于一般電動機的主要部分是永磁體，永磁體位于轉子中，不同永磁體的結構差異很大，導致市場上各種電動機在性能、控制系統以及應用范圍方面也有比較大的差異。永磁電機的特點是只要轉子旋轉，那么它會在定子疊片組中和轉子磁鋼保護套里產生與速度有關的渦流。速度越高，渦流越大，從而產生大量的熱。如果該熱量不能快速散發，就會導致磁鋼保護套的溫度急劇升高。使永磁體內部結構發生變化，從而導致永磁體退磁，影響永磁電機的性能。另外，逆變器供電存在諧波電流，其高次諧波電流產生的高次諧波磁場會在永磁體內產生渦流損耗，如果溫度超過最高工作溫度將產生退磁。為此要充分考慮電機的散熱問題，合理的設計電機的定子槽型，盡量減少合成磁場的諧波，逆變器設計與控制要考慮減少諧波電流[2]。同時，合理設計通風散熱系統，以便達到快速散熱的要求。

2 軌道交通永磁同步牽引電機研究應用

永磁同步電機相對異步電機而言具有效率高、功率因數高、體積小、重量輕、可實現直接驅動、可實現全封閉結構、噪音低、維修量小等的優點，已成為高速鐵路和城市軌道車輛牽引電機又一個新的發展方向[3]。國外在這方面的研究與應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輛和AGV高速動車組開發了120kW和720kW全封閉永磁同步牽引電機。 AGV高速動車組達到速度360km/h ，永磁同步牽引電機，全封閉自冷卻方式， 轉子磁鋼為表面式安裝，采用齒輪傳動，極對數6，功率質量比0.99，總效率97%，最大轉速4 500r/min，接觸網電壓3 000V。 裝有兩個AGV轉向架的永磁同步牽引系統幫助阿爾斯通創造了574.8km/h的世界鐵路第一速。Citadis型低地板輕軌車輛，永磁同步牽引電機，全封閉自冷卻方式， 轉子磁鋼為表面式安裝，采用齒輪傳動，極對數4，功率質量比1，總效率96%，最大轉速3600r/min，接觸網電壓600V。Citadis于2004年投入運營。與同功率的感應牽引電機相比效率提高3%～4%，噪聲級降3dB～7dB，體積減少30%，質量少30%；2）龐巴迪開發的自通風永磁同步電機，持續功率302kW，重量550kg，系統效率滿載時可達97.1%， 2008年夏在瑞典線路上裝車試驗，效率比感應電機提高了3.5%，300 km/h時的牽引力為感應電機的2.65倍，電機噪聲低，245 km/h時為65dB(A)；3）西門子開發的城軌車輛將轉向架、永磁電機和制動裝置集合一體的新型轉向架Syntegra，采用直驅式永磁同步牽引傳動系統，全封閉、水冷、轉子磁鋼表面式安裝的永磁同步電機，極對數12，額定功率150kW，總效率97%，與同功率的感應牽引電機相比噪聲可降低15dB，體積減少30%，效率提高3%；4）日本東芝基于實現360km/h運營速度的大功率化，牽引系統的小型化、低噪聲化和低壽命周期成本的理念，為新干線開發了下一代具有永磁同步牽引系統的E954/E955系列機車。永磁同步牽引電機全封閉自冷卻方式，轉子磁鋼為表面式安裝，采用齒輪傳動，極對數6，電機功率355kW，功率質量比0.81，總效率97%，最大轉速4 500r/min。于2005年6月下線。東芝開發的AC系列車，直接傳動式永磁牽引電機，全封閉自冷方式，電機功率160kW，總效率95%，從2002年開始，搭載在商業運行。其針對地鐵車輛開發了全封閉永磁同步牽引電機，相比異步牽引電機可節能10%，噪音可降低2dB～6dB；5）在中國南車株洲時代研究所以沈陽地鐵（二號線）牽引系統為目標，立項研制地鐵用JD155型永磁牽引電機，轉子為內置式磁路結構，自冷卻方式，極對數8，電機功率190kW，總效率96.3%，最大轉速3 686r/min。于2011年6月完成裝車樣機研制和地面試驗。浙大為南車四方永磁高速列車（速度350km/h）研制了永磁同步牽引電機，強迫風冷卻方式， 轉子磁鐵為內置式安裝， 采用齒輪傳動，極對數4，電機功率600kW，功率質量比大于1，電機效率97.7%，最大轉速5 800r/min。

3 結論

高速鐵路和城市軌道的發展需要牽引電機的體積進一步減小，質量進一步減輕。永磁同步電機相對異步電機而言具有效率高、功率因數高、體積小、重量輕、可實現直接驅動、可實現全封閉結構、噪音低、維修量小等的優點，已成為高速鐵路和城市軌道車輛牽引電機又一個新的發展方向。隨著新材料、新結構、新器件、新理論的發展以及永磁同步牽引傳動技術研究[7]的不斷深入將為永磁同步牽引系統注入更多的活力。

[1]馮江華.鐵道車輛牽引系統用永磁同步電機比較[J].鐵道學報2007，29(5)：111-116.

[2]馮江華.軌道交通永磁同步牽引系統研究[J].機車電傳動，2010(15)：15-21.

[3]劉榮強.永磁同步電機在鐵路機車牽引系統的應用[J].內燃機車，2008，411(5)：12-13.