永磁牽引電機在軌道交通車輛的應用與發展

李瑩+黃康

摘 要：描述了永磁牽引電機的技術優勢及對于軌道交通車輛的意義，介紹了當前國內外的技術現狀，然后講述了永磁電機牽引系統的技術特點并分析了與異步牽引電機相比的性能優勢，最后展望了永磁牽引電機的發展趨勢。

關鍵詞：永磁；牽引電機；軌道交通車輛；能耗

中圖分類號：TM341 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）10-0086-01

1 永磁牽引電機

電機是機電能量交換的裝置，而能量的交換都是通過電機定子磁場與轉子磁場交互作用進行的，因此磁場是電機進行機電能量交換的核心。根據電機勵磁方式的不同，可以將電機分為永磁體勵磁電機（簡稱永磁電機）與電勵磁電機。19世紀初，法拉第發明的世界上第一臺電機就是永磁電機，但當時采用的永磁材料是鐵磁材料，磁能積不高，很快被后來居上的電勵磁電機所取代。

進入20世紀后半葉，隨著磁能積高、矯頑力強的稀土永磁材料的發展，永磁電機又逐漸回到了大家的視野。尤其是釹鐵硼材料的發展與應用，有效降低了稀土永磁材料的成本，使得稀土永磁電機開始在工業與民用領域大規模應用，促進了永磁電機的長足發展。永磁牽引電機是當前軌道交通牽引系統技術研究的熱點，是業界公認的下一代牽引電機發展方向。

2 國內外技術現狀

（1）國外技術發展現狀。法國阿爾斯通分別為低地板輕軌車輛和AGV高速動車組開發了120kW和720kW全封閉永磁同步電機。裝有2個轉向架的永磁同步牽引系統在2007年幫助阿爾斯通創造了574.8km/h的世界鐵路第一速[1]。龐巴迪裝有永磁同步電機牽引系統的車輛已在瑞典的Stockholm與Vasteras之間運行，采用MTRAC自通風永磁同步電機，額定效率可達97.1%，相比異步電機提高3.5%。德國西門子為地鐵列車開發了直驅式永磁牽引電機，取消傳動齒輪箱，幫助轉向架將軸距由2.5m降低至1.6m，系統效率提高3%，噪聲減低15dB。（2）國內技術發展現狀。在國內，中國中車從2003年開始永磁電機牽引系統的基礎研究工作，十余年來先后攻克了永磁電機牽引系統的關鍵技術與工藝，同時建立了永磁電機牽引系統仿真平臺、設計平臺與試驗平臺。2011年，中車在沈陽地鐵2號線成功實現了永磁電機牽引系統在軌道交通車輛的首次裝車應用，并完成了載客運營里程60000公里。2014年，中車承擔國家863計劃項目開發的高速動車組永磁牽引系統成功實現裝車應用。永磁牽引電機額定效率達到98.2%，功率密度超過1kW/kg。2015年，中車開發的120kW永磁電機牽引系統在低地板車上成功應用，電機采用強迫水循環冷卻，額定效率達96%，體積小的優勢有力解決了低地板車轉向架空間緊張的難題。2016年，中車在長沙地鐵1號線成功裝車應用一整列車永磁同步牽引系統，完成載客運營考核5萬公里后通過了中國城市軌道交通協會組織的專家評審，同意在地鐵領域開始批量應用。

3 永磁電機牽引系統的技術特點

永磁牽引電機的獨特性給牽引系統的設計帶來了新的挑戰。與異步電機牽引系統相比，永磁牽引系統技術具有其獨特性[2]。一方面，永磁牽引電機為同步電機，其必須采用軸控供電方式，而異步牽引電機可以采用車控或架控等群控供電方式。軸控供電方式大幅增加了電力電子開關數量，但也在故障冗余性、粘著利用等方面帶來了優勢。通過合理地選擇元器件，軸控供電方式并不會明顯增加成本。另一方面，永磁牽引電機轉子采用永磁體勵磁，系統故障時無法通過封鎖逆變脈沖關斷牽引電機反電勢，因此逆變器與牽引電機之間需要設置隔離接觸器，用來在系統故障時隔離永磁牽引電機反電勢以避免影響系統。

4 技術優勢對比分析

與異步牽引電機相比，永磁牽引電機應用于軌道交通車輛上的技術優勢主要體現在高功率密度、低能耗與低噪聲等方面[3]。

（1）功率密度對比。根據現有應用項目對比分析（見表1所示），在高速動車組、地鐵車輛、低地板車與跨座式單軌車幾個領域永磁牽引電機均體現了高功率密度的顯著優勢。

（2）能耗對比。永磁牽引電機效率高，不僅在牽引工況時能耗更低，電制動工況時再生能量也更高，綜合的總能耗節能效果更為顯著。表2所示為長沙地鐵1號線永磁牽引電機考核時的實測能耗數據，永磁牽引電機的列車總能耗相比異步牽引電機降低30%，對于軌道交通行業節能減排意義重大。

（3）噪聲對比。永磁牽引電機采用全封閉冷卻結構，可以有效降低電機的電磁噪聲，對于降低牽引電機低轉速的噪聲、提高站臺乘客舒適度有顯著效果。長沙地鐵1號線永磁牽引電機與異步牽引電機的噪聲對比測試結果如：一、在定速測試中，永磁牽引電機的平均噪聲值比異步牽引電機低，其中0～1900r/min平均降低6.3dB（A），0～3686r/min平均降低2.7dB（A）。二、在模擬實際升速過程中，永磁牽引電機平均噪聲值相較異步牽引電機降低7.4dB（A）。

5 結語

近年來，霧霾天氣嚴重困擾著我國北方廣大地區，廣泛影響著群眾的健康狀況。霧霾的成因目前基本明確，大多數地區主要由工業燃煤產生的污染氣體如二氧化硫等造成的。我國70%以上的電力是火電，每年發電需要消耗煤炭近20億噸，對環境影響巨大。軌道交通是電力消耗大戶，將永磁牽引電機應用于軌道交通車輛可有效降低牽引能耗，實現節能減排。據測算，一列地鐵列車采用永磁牽引電機每天可以減少排放3000公斤二氧化碳與10公斤二氧化硫。永磁牽引電機采用的永磁材料主要為釤鈷或釹鐵硼等稀土材料，我國是世界上稀土材料儲藏的第一大國，豐富的稀土資源使得我國非常適合永磁牽引電機的發展與應用。

綜上，我國應當積極推動永磁牽引電機在軌道交通車輛的批量應用推廣，加快軌道交通行業節能減排技術的發展。

參考文獻

[1]馮江華.軌道交通永磁同步牽引系統研究[J].機車電傳動，2010（5）：15-21.

[2]晏才松，張奕黃，曹君慈.地鐵用變頻調速永磁同步電機不同磁極結構的性能分析[J].黑龍江大學工程學報，2012（4）：105-111.

[3]劉雄，陳文光，許峻峰，等.地鐵永磁直驅牽引系統優化策略與仿真分析[J].機車電傳動，2016（03）：24-27.