鐵路機車牽引中永磁電機的應用研究

張衛東 顧晨亮

摘 要：隨著鐵路行業的不斷發展，鐵路機車的數量也在不斷增多。牽引電機是鐵路機車的核心部分，影響著鐵路機車的穩定性。在當今時代，傳統的牽引電機已經不能滿足高速鐵路機車的發展需求，制約了高速鐵路機車的發展。永磁電機是一種新型的同步電機，通過永磁體的高速旋轉，能夠產生強勁的電流，有效的提升了牽引的效率，保證了鐵路機車的穩定性。本文主要研究的是鐵路機車牽引中永磁電機的應用，希望能夠給鐵路行業提供一些借鑒，促進牽引電機的發展。

關鍵詞：鐵路機車；永磁電機；牽引電機

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.036

0 引言

牽引電機是鐵路機車的重要組成部分，需要受到鐵路行業的重視。傳統的牽引電機多為異步電機，占用的安裝空間大，電機質量重，難以滿足高速鐵路機車的現代化需求，制約了高速鐵路機車的現代化發展。永磁電機是一種新型的同步電機，永磁材料性能的提升和價格的降低推動了永磁電機的研究，讓永磁電機成為了牽引電機的首選。

1 永磁電機的結構和特點

永磁電機是依靠永磁體高速旋轉產生磁場的同步電機，能夠將永磁體運動產生的動能轉換為電能，從而發揮出牽引的作用。永磁電機的主要結構為鐵心、轉軸、及永磁體，根據不同位置的磁回路，永磁電機可以被分為兩種，一種是表面式永磁電機，一種是埋入式永磁電機。表面式永磁電機與埋入式永磁電機的最大區別就是不會產生磁阻轉矩，因此它的牽引效果相對較差。永磁電機主要有兩個特點：第一個特點是功率高。永磁電機主要通過永磁體的旋轉來獲得電流，因此永磁電機在運行時是沒有定子銅耗或是有較少定子銅耗的，這就讓永磁電機擁有了超高的功率，能夠滿足鐵路機車長時間的運行要求。第二個特點是質量輕、占用的安裝空間小。永磁電機相比較異步電機來說質量更輕，占用的安裝空間更小，所以更適合安裝在鐵路機車上。

2 永磁電機的關鍵技術

（1）放退磁技術。永磁電機的核心是永磁體，如果永磁體失去了磁性，永磁電機也就失去了作用。在現實生活中，永磁電機的運轉時間較長，產生的沖擊電流較強，在多次的電流沖擊下，永磁體很可能就會出現退磁。另外，永磁電機運行時溫度會不斷上升，高溫可能會導致電機短路，這就又增加了永磁體退磁的風險。因此，在永磁電機的設計中，設計者就要注重永磁體的磁性問題，防止永磁體出現退磁現象。永磁電機的設計者要注重電機磁場的研究，多次校對永磁電機的退磁曲線，確保永磁電機在高溫狀態下也能夠正常運轉。此外，設計者要注重電機材料的選擇，要選擇耐高溫的永磁體，同時要多次測試永磁體的磁性，確認磁性始終保持在穩定狀態。

（2）反電動勢校核技術。永磁電機的電能是通過永磁體旋轉產生的動能轉化而成的，不需要外部供給電能。在永磁體的高速旋轉中，永磁電機的定子繞組會產生非常大的反電動勢，一旦反電動勢超出永磁電機的承受極限，那么永磁電機的元件就會損壞。另外，較高的反電動勢會給電機的合閘帶來難題，尤其是當永磁電機發生短路時，反電動勢會加速電機的運轉速度，從而讓電機損壞的更加嚴重。因此，在永磁電機的設計中，設計者要校核反電動勢，制定出多種設計方案。根據不同的鐵路干線，來選取不同的設計方案，保證永磁電機的使用效率。例如城市干線鐵路機車就應該選用反電動勢較低的設計方案，這樣能夠有效的減少電機的弱磁電流，保證電機的性能。

3 鐵路機車牽引中永磁電機的應用

（1）直接牽引電機。異步牽引電機主要是通過齒輪將動能傳遞給輪軸，從而達到牽引電車的目的，但是在牽引過程中，齒輪之間的咬合會發出很大的噪音，并且會損耗大量的動能。直流電機的出現解決了這個問題，但是直流電機的體積過大，占用的安裝空間大，而且對軌道會產生強烈的沖擊，機體容易受損。永磁電機相比較異步電機和直流電機來說，質量和尺寸更小，轉速更快，提供的電流更加平穩，能夠和直接驅動方式有效的契合，受到了多個國家的喜愛。例如法國的一家公司曾經開發了一臺永磁電機試用機，試用的結果顯示永磁電機的工作效率比異步電機更高，而且質量也比異步電機更小，同時產生的噪音更小，能夠滿足鐵路機車的需求。

（2）封閉牽引電機。鐵路機車的牽引電機在長時間的使用中會產生較高的溫度，因此牽引電機通常都配有散熱扇，但是散熱扇在工作中會將灰塵也吹進牽引電機中，從而污染牽引電機的機體。為此，牽引電機需要定期的除塵去污。另外，散熱扇在高速轉動中會產生大量的噪音。為了解決這些問題，就應該使用封閉式結構，從而減少牽引電機污染，降低牽引電機內部的噪音。但是封閉式牽引電機要想和以往的電機發揮同樣的作用，就要選用尺寸一致、性能相同、發熱相對較少的電機。因此，噪聲小、發熱少的永磁電機成為了封閉牽引電機的最佳選擇。日本的一家公司曾經研發過一臺封閉式永磁電機測試機，在測試的過程中，這家公司發現和異步電機尺寸相同、功率相同的封閉式永磁電機的噪聲更小，效率更高。

（3）永磁電機的未來發展趨勢。高速鐵路機車的發展需要質量更輕、體積更小、效率更高的牽引電機，因此設計者要不斷優化永磁電機的內部結構，讓永磁電機滿足高速鐵路的發展需求。在定子結構設計方面，設計者不僅要重新設計定子結構，還要不斷提升定子的轉速，只有這樣做，永磁電機的性能才會有所提升。在電機控制技術方面，設計者要注意永磁體的失磁問題以及電機材料的不穩定問題，使用合適的電機控制技術，研究智能化的電機控制系統，設置合理的控制參數，保證電機的正常運轉。

4 結語

永磁電機是一種新型的電機，相對于異步電機來說，它的工作效率更高，質量更輕，而且能夠提供穩定的電流，是鐵路牽引電機的重要發展方向。我國要加強對永磁電機的研究，開發出適合我國鐵路機車的永磁電機，以此來促進鐵路行業的發展。

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作者簡介：張衛東（1968-），男，湖南懷化人，本科，工程師，研究方向：電機控制。