轉向架永磁同步電機直接驅動技術在國內外的發展概述

張 江，鐘文生，劉高坤

（西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室機車車輛研究所，四川成都610031）

轉向架永磁同步電機直接驅動技術在國內外的發展概述

張 江，鐘文生，劉高坤

（西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室機車車輛研究所，四川成都610031）

介紹了國內外轉向架直接驅動（直驅）技術的發展情況，重點從轉向架直驅結構和永磁同步電機技術兩方面進行分析。同時分析了轉向架直驅技術的優缺點及其未來的發展趨勢，為國內轉向架直驅技術的發展提供參考。

轉向架；直接驅動；概述；永磁同步電機

傳統的轉向架驅動系統含有傳動齒輪箱和聯軸器，這樣不僅降低了傳動效率還增加了轉向架的自重，不利于轉向架的輕量化設計。同時牽引電機采用異步感應交流電機或直流電機，而異步感應交流電機效率相對較低發熱嚴重，這就需要采用強迫風冷裝置，從而增加了電機的體積。為了解決傳統轉向架驅動系統的不足，近二十年來，在國外出現了一股發展轉向架直接驅動技術的潮流。轉向架直接驅動技術是指舍棄傳統轉向架上電機和輪對之間的傳動部件，直接將牽引電機輸出的力矩或力傳遞給輪對或構架的一種傳動技術。直接驅動技術按是否需要借助輪軌間的黏著力可分為黏著驅動和非黏著驅動，黏著驅動指列車的前進要借助輪軌間的黏著力；非黏著驅動指將牽引電機產生的力直接傳遞給車體或構架，不需要借助輪軌間的黏著力，該種結構主要指采用直線電機的驅動結構。若按牽引電機的類型分，可分為異步感應電機結構的直驅結構、永磁同步電機的直驅結構。

1 轉向架永磁直驅的結構形式

轉向架永磁直驅結構形式［1］主要有3種（如圖1）：輪對驅動、兩輪同步驅動和兩輪單獨驅動。

2 轉向架永磁直驅技術在國內外的運用

2.1 轉向架永磁直驅技術在德國的發展

德國是永磁直驅系統這一領域發展較早的國家，其技術相對成熟，發展對象主要是針對高速機車和動車組。

1997年和1998年德國鐵路公司委托不倫瑞克技術大學和Starnbeng磁性電機公司按照ICE3的技術標準分別設計了無源轉子式橫向磁通永磁電動機TFSM和有源轉子式PMSM兩種方案，并將兩種直驅電機安裝到ICE3原型車上進行了線路試驗［2］（表1是TFSM、 PMSM、IM的試驗結果）。該直驅結構是德國下一代城際高速動車開發的動力系統，機車速度為（330±10%）km/h，牽引電機啟動牽引力達到了18.7 k N。

圖1 永磁直驅結構形式截面圖

另外，在BR152型機車技術的基礎上，西門子公司還研制了采用非彈性和彈性懸掛（如圖2）方式的永磁同步電動機直接驅動裝置［3］，并在班貝克—福希海線上進行了多次線路運行試驗。其中采用非彈性懸掛直接驅動的FD64型機車試驗的最高速度達到了120 km/h，并取得了良好的效果。其牽引電機采用全封閉結構并且將泵和循環水冷卻器的冷卻循環回路與牽引逆變器的冷卻循環回路集成在一起，使結構更緊湊。

表1 TFSM、PMSM、IM的試驗結果

圖2 彈性懸掛直驅裝置示意圖

近年來，西門子開發了新一代城軌車輛，它采用了西門子公司的最新永磁直驅轉向架Syntegra［4-6］（如圖3），其永磁直驅電機為全封閉、水冷電機，轉子采用表面式永磁鐵安裝方式，極對數為12，額定功率150 k W，總效率97%，與同功率的感應牽引電機相比噪聲可降低15 dB，體積減少30%，效率提高3%。2007年夏天該轉向架裝在德國慕尼黑的地鐵車上進行長時間的線路試運營，以了解該轉向架的各項綜合性能，2008年8月正式投入載客試運行。

圖3 Syntegra轉向架總體圖

Syntegra轉向架具有以下特點：轉向架軸重14 t，軸距為1.6 m，使其更容易通過小半徑曲線；構架側梁與橫梁采用鉸接結構（如圖2），轉向架扭轉剛度小，適應線路不平順能力強；構架受力狀態簡單，尤其是側梁基本只受垂向載荷作用；轉向架質量輕、空間尺寸小；一系懸掛采用對稱鋼圓彈簧加減振器，主要提供垂向剛度和阻尼；一系懸掛的橫向和縱向采用三角拉桿定位（如圖4）；軸箱采用內置結構，將軸箱與永磁電機結構一體化（如圖5），簡化轉向架結構；集構架、永磁直驅電機和制動裝置于一體；安全制動采用電制動取代傳統的機械摩擦制動。

圖4 Syntegra的軸箱三角拉桿

圖5 Syntegra電機軸箱一體結構

2.2 永磁直驅技術在法國的發展

法國的永磁直驅系統已經進入商業運營階段，主要用在新一代的低地板輕軌車輛的Ixege動力轉向架上，采用的是輪轂電機方式的直驅技術。下一步的發展方向將圍繞如何將永磁直驅技術成功應用到高速動車組上。2004年法國Alstom公司為低地板車輛Citadis開發了120 k W全封閉永磁同步牽引電機。

Citadis型輕軌車輛是Alstom在軌道交通領域里的一個非常重要產品，在歐洲地區占有相當大的市場份額，該系列輕軌已經累計銷售了1 500列以上，分別運行在全世界的40多個城市中。其永磁直驅傳動則是近十年來才開發出來的，用于最新的低地板車輛轉向架Ixege（如圖6）。該轉向架采用獨立車輪結構，電機采用輪轂電機。第一批裝有該轉向架的輕軌車輛已用于伊斯坦布爾，共36列。阿爾斯通的Citadis Dualis和Citadis Compact train型輕軌車輛也使用Ixege轉向架。

2.3 永磁直驅技術在日本的發展

從20世紀90年代開始，日本對直接驅動式牽引電機的研究一直未停，迄今為止已進行了多次試制。RMT系列永磁直驅電機是其直驅技術發展的核心部分。

圖6 Ixege動力轉向架

1993年日本鐵道綜合技術研究所（RTRI）以窄軌高速列車NEXT250為目標（該型列車為低地板獨立旋轉輪結構），試制了第一臺RMT1型直接驅動式永磁同步電機樣機，安裝于獨立旋轉車輪轉向架.該轉向架軸箱采用內置結構，牽引電機直接位于車輪的外側，為外轉子型電機，直接驅動車輪，車輪直徑僅為600 mm。與具有同等性能的直接驅動式異步電動機相比，其質量減輕了35%，而效率提高了2.7%，功率因數增加了20%，但該型永磁直驅電機并沒有達到預期的效果。

接著又研制了3種型號的永磁電機［7］，其參數和應用場合如表2所示，該系列電機的試驗為日本的永磁直驅技術的發展提供不少的技術資料，為后期的發展奠定了基礎。

表2 RMT3、5、7參數表

1998年，一列安裝有可變軌距永磁電機RM T17（如圖7）三輛編組的高速列車在美國的普韋布洛山口進行了線路試驗，試驗速度在200 km/h左右，累計走行60萬km.試驗結束后又在日本新干線和既有線路之間進行了大量線路試驗。

1999年東日本鐵路公司（JR）開始開發AC（Advanced Commuter）Train電動車組，使其滿足21世紀對市郊軌道車輛的要求（其主要目標是降低成本及全壽命維修費用，滿足13年免維護性能）。日本鐵道綜合技術研究所為其開發了3種直驅式PMSM，分別是RMT8外轉子型結構鼠籠異步電動機（水冷），RMT9外轉子型結構永磁同步電機（自冷），RMT11內轉子型結構永磁同步電機（自冷）（如圖8）。這3種直驅結構如表3所示。經過綜合評定，將RMT11［8］永磁直驅結構定型為東日本鐵路公司下一代的通勤電動車組的驅動系統。2002年將其搭載在商業運行的103系電動車組上進行了大約20萬km的運行試驗，試驗取得了很好的效果。

圖7 可變軌距輪對結構

表3 RMT8、RMT9、RMT11 3種直驅結構

圖8 RMT11內轉子彈性懸掛結構示意圖

ACTrain電動車組轉向架的主要特點：采用鉸接式轉向架，其鉸接式轉向架又開發了兩種分別為4點支撐式和2點支撐式結構；采用了永磁直驅技術，其動軸數目減少25%，黏著質量明顯提高；電機內轉子通過橡膠抱在車軸上，使轉向架的簧下質量大大減輕，從而減小輪軌間的動作用力，進而使轉向架的動力學性能得到改善；該轉向架的軸箱采用外置式結構，增大車輪之間的空間，使牽引電機的結構得到改善。

東芝公司的永磁同步直驅轉向架已經運用在東京地鐵的千代田線、丸之內線、銀座線。同時也獲得了新加坡鐵路運營商SMRT公司的訂單，用于升級新加坡捷運系統的兩大通勤線路，首期兩列車將于2015年交付，并進行1～2年的線路試運營。

2.4 SKODA低地板輕軌車輛永磁直驅系統

SKOD公司開發的Skoda15T（也稱為Skoda Forcity）采用了永磁直驅技術［9］，該輕軌車輛屬于100%低地板車輛，其中間轉向架采用雅克比轉向架，車端采用心盤式轉向架，車輛采用模塊化設計，3輛或5輛編組。目前該車運營在捷克共和國的布拉格和拉脫維亞的里加。如圖9，轉向架采用獨立旋轉車輪結構，彈性車輪，4個車輪單獨驅動方式，采用永磁同步電機直驅技術，電機采用內轉子結構，定子與轉向架構架相連接。基礎制動裝置包括輪盤制動、再生制動、電阻制動、磁軌制動。

圖9 轉向架結構

2.5 永磁直驅技術在國內的發展

轉向架永磁直驅技術在國內剛處于起步階段，目前通過帶齒輪箱的永磁電機傳動系統已經用于商業運營，在未來的很長一段時間將著手研制永磁直驅技術的工程運用。

2013年中國北車集團青島四方車輛研究所有限公司與斯柯達運輸公司簽署了一份10年的合同，中國北車集團青島四方車輛研究所有限公司將生產400列斯柯達運輸公司的Skoda Forcity型輕軌列車。

3 轉向架永磁直驅技術的特點

3.1 轉向架直驅結構的優點

3.1.1 從轉向架角度

采用永磁直驅技術的轉向架有以下優點：轉向架可采用小直徑車輪（600～910 mm），有利于降低車體地板高度；去掉了減速齒輪及聯軸器，這樣就減輕了轉向架自重；避免了漏油給環境帶來的影響，提高了傳動效率；避免了齒輪傳動產生的噪聲；可將牽引與制動整合到一起，使得轉向架的基礎制動系統可以大大簡化；可以根據具體應用場合做成不同的結構形式，增大了轉向架設計的靈活性；軸箱可以內置也可以外置；轉向架不易產生蛇行運動；降低了通過曲線時產生的噪聲，為采用獨立車輪方式提供了可能；輪對徑向調節變得更加靈活，從而解決輪軌側磨、曲線波磨、輪重減載脫軌、曲線噪聲等問題。

3.1.2 從電機的角度

（1）高功率因數、高效率。研究表明永磁同步電機在25%～120%額定負載范圍內均可以保持較高的功率因數和效率，使其在輕載運行和長時間運行中節能效果顯著。

（2）由于電機應用永久磁鐵，提高了電機的傳動效率，同時電機發熱較少，可取消電機的冷卻風扇系統，這樣電機的體積就可以減小，也消除了風扇高速旋轉帶來的噪聲。電機也可做成全封閉結構，這樣牽引電機可以做到免維護，提高了電機的可靠性。

（3）結構多樣化（電機可以做成內轉子也可做成外轉子結構；根據電機的質量可使電機做成彈性懸掛或剛性懸掛等）。具有以下特點：轉速相對較平穩、過載能力強、轉矩密度大、再生制動能力強。

3.2 轉向架直驅結構的缺點

（1）轉向架的簧下質量相對較大（剛性懸掛）。軌道的振動將直接傳遞給牽引電機，使牽引電機受到的沖擊增大。

（2）轉矩脈動將直接傳遞給車輪，從而導致車輛的黏滑振動。

（3）每個牽引電機需要一套牽引逆變器系統，這樣就會增加轉向架開發的一次性投入，現在一套牽引逆變器給多個永磁同步電機供電的方案還在論證中，但一套牽引逆變器給一臺電機供電也帶來它的好處，這樣一來同臺轉向架的前后車輪的輪徑就可以不一樣，從而給旋輪帶來更大的靈活性。

4 結束語

通過綜合分析，轉向架永磁直驅技術在國外已經取得了顯著的發展，尤其是在城市軌道交通車輛方面，接下來的目標是如何將該技術更好運用于高速動車組和機車上。我國永磁直驅技術在軌道車輛上的應用還處于一片空白，近十年來只做了相關的基礎研究。考慮到我國的具體國情，轉向架永磁直驅技術在我國有著廣闊的運用前景，一旦該技術被成熟應用，其帶來的經濟和生態效應將非常可觀。

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［6］ J.Germishuizen，A.J?ckel.SyntegraTM-Next Generation Traction Drive System，Total Integration of Traction，Bogie and Braking Technology［J］.SPEEDAM，2006，（6）：23-27.

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［8］ 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.

［9］ 劉可安.城市軌道交通永磁同步牽引系統［J］.鐵路技術創新，2011，（5）：11-15.

General Description of the Development of the Direct-Drive Technology of Permanent Magnet Synchronous Motor of Bogie at Home and Abroad

ZH ANG Jiang，ZHONG Wensheng，LIU Gaokun
（State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China）

In this paper，the development of the direct-drive technology of bogie at home and abroad is introduced，focusing on the analysis of the direct-drive structures of bogie and the technology of the permanent magnet synchronous motor.Meanwhile，the advantages and disadvantages of the technology of the direct-drive of bogie and its future developing trends are analyzed to provide a reference for the development of the domestic direct-drive technology.

direct-drive；bogie；review；permanent magnet synchronous motor

U264.8

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.20

1008－7842（2014）03－0079－05

?）男，碩士生（

2013－10－17）