鐵路機車直驅(qū)牽引高效永磁電機關(guān)鍵技術(shù)研究

劉立東

（遼寧軌道交通職業(yè)學院，沈陽 110023）

鐵路發(fā)展經(jīng)歷了直流電機到交流電機的過程。交流電機比直流電機結(jié)構(gòu)簡單、維修方便，但調(diào)速性能差，機車起動轉(zhuǎn)矩偏小。由于交流電機具有直流電機沒有的優(yōu)越性，所以用三相交流異步電動機代替直流電機來牽引機車，并在鐵路領(lǐng)域得到廣泛的應用。與異步電動機相比，直驅(qū)牽引高效永磁電機具有總質(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)牽引高效永磁電機的特點

1.1 無沖擊震動損耗少

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

1.2 體積小效率高

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

圖1 交流異步電機和永磁同步電機的效率曲線

1.3 噪聲小

與通常的異步電機相比，電機噪聲可由105dB降低到90dB。

2 直驅(qū)牽引高效永磁電機關(guān)鍵問題

2.1 分析與設(shè)計問題

需要對傳統(tǒng)電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法做出針對性調(diào)整，由此帶來一系列有待研究的科學問題。主要體現(xiàn)在：鐵路機車直驅(qū)永磁同步電機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。由于形狀的變化導致電機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，所以需要重新進行電機的模態(tài)分析。相鄰定子單元雖然實現(xiàn)機械解耦，但是端部仍然存在磁場耦合。

電機的電抗參數(shù)和性能與電機的耦合磁場有關(guān)。定子部分數(shù)學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械可靠性與壽命問題。電機的結(jié)構(gòu)動力學分析、溫度場和熱應力分析、材料彈塑性蠕變對電機性能的影響等非線性問題的分析，所帶來的學科交叉問題。

2.2 繞組特性分析與設(shè)計問題

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現(xiàn)機械解耦，從而大大增強了電機裝配和維護的靈活性，提高了電機系統(tǒng)的整體可靠性，但是同時也導致了繞組特性的改變。需要研究的科學問題主要體現(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算和抑制的方法。繞組跨距不等，并且反向嵌放會使電機軸向端部分磁場分布非常復雜，導致繞組終端部所受電磁力需要進行重新計算，并總結(jié)出規(guī)律，為電機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)計方法。確定電機設(shè)計計算中與繞組相關(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)實際負載的需要，實現(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。需要研究的科學問題為：如何克服機械裝備使用環(huán)境和運行工況的不確定性，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)投入運行的定子單元與系統(tǒng)的負荷實現(xiàn)最佳匹配；多變量、非線性、強耦合系統(tǒng)的綜合控制策略問題。

3 直驅(qū)牽引高效永磁電機關(guān)鍵問題解決辦法

3.1 理論分析與設(shè)計技術(shù)

將電機定子設(shè)計成組合式，實現(xiàn)電機解耦，系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)負荷的變化實現(xiàn)冗余功率的最優(yōu)化控制。

3.2 電機結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計

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

3.3 多變量強耦合非線性時變系統(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車牽引推進系統(tǒng)，需要控制的變量多，且變量之間存在強耦合、非線性和時變等特點，因此，針對機車直驅(qū)永磁同步電機的控制，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)，為大型牽引機車交流電機驅(qū)動制造開辟了一個全新的研究思路。同時，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，不但提高整個系統(tǒng)的運行效率，也提高了運行的可靠性。