軌道交通中永磁同步牽引系統的優勢與挑戰

馬穎濤, 李 紅, 李巖磊, 楊 寧

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京 100081)

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軌道交通中永磁同步牽引系統的優勢與挑戰

馬穎濤, 李 紅, 李巖磊, 楊 寧

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京 100081)

在軌道交通領域，永磁同步牽引系統經歷了多年發展，初步進入了商業化階段。相比傳統的感應電機作為牽引電機的傳動系統，永磁同步牽引系統能耗更低；電機功率密度更高，可以在功率較低的場合實現直驅；電機可設計成全密封結構，噪聲可明顯降低。同時，永磁同步牽引系統也具備一些缺點和特殊性，例如永磁體的失磁風險；牽引系統復雜性較高；控制和故障保護上有特殊性；永磁同步電機制造難度和成本較高等。這些問題都需要引起足夠重視和深入研究，才能促進永磁同步牽引系統的成熟和應用。最后展望了永磁同步牽引系統在軌道交通領域中的應用前景：雖然無法取代異步電機牽引系統，但永磁同步牽引系統將以其鮮明的優點，在多元化用戶需求和細分市場中占得一席之地。

永磁同步牽引系統； 軌道交通； 永磁同步電機； 永磁體失磁

自20世紀70年代交流傳動機車誕生，伴隨電力電子技術、控制理論和信息技術的進步，交流傳動電力牽引已經過40余年的發展。特別是異步電機為電動機的牽引系統，以其優良的特性，自20世紀80年代開始流行，至今已成為軌道交通領域公認的主流[1]。

和異步電機牽引系統類似，永磁同步牽引系統是交流牽引傳動的另外一條技術路線[2-4]。自2000年以來，歐洲和日本多家公司，如龐巴迪、阿爾斯通、東芝等，陸續開始將永磁同步電機作為牽引電機，現已有批量產品應用。這標志著永磁同步牽引系統初步進入了商業化應用階段[5]。在國內以南車株洲電力機車研究所有限公司(簡稱：株洲所)為代表，于2012年和2014年，分別在地鐵車輛上[6]和動車組上對其永磁同步牽引系統進行考核。

與異步電機相比，永磁同步電機具有更高效率、更高功率密度等特點[7-9]。有案例實現了永磁同步電機直接驅動輪軸的直驅系統，省去了齒輪箱。可將永磁同步電機設計成全封閉結構，運行噪聲明顯下降，且免除了清掃電機內部的維護工作。牽引系統的能耗是軌道交通能耗的重要部分。在節能減排的政策背景下，永磁同步牽引系統能夠為軌道交通的節能減排做出積極貢獻。雖然永磁同步牽引系統有顯著優點，但永磁同步電機的諸多特殊性也決定了該技術路線在應用中也存在一些問題。例如永磁體失磁風險[10-12]，牽引系統復雜性較高，系統控制與故障保護上有特殊性[13]，永磁電機的制造難度和成本較高[7,14]，這些都值得關注和深入的研究。

首先結合國內外的技術現狀對永磁同步牽引系統的優點進行綜述。之后將對永磁同步牽引系統引入的新問題進行分析討論。最后結合永磁電機在其他工業場合中的應用經驗，展望永磁同步牽引系統在軌道交通行業的前景。

1 發展現狀與優點

1.1 效率提高，能耗降低

永磁同步電機的轉子上安裝有永磁鐵，無須勵磁電流，因此可以實現更高的功率因數和更低的定子銅耗。轉子轉速與旋轉磁場同頻，基本消除了轉子鐵耗和轉子銅耗。因此永磁同步電機的效率可高達97%。相比異步電機牽引系統，永磁同步牽引系統的效率在全速度范圍內均有一定提高。

根據報道采用永磁同步牽引系統節能效果約10%。案例如下：東日本鐵路公司的103系電車20萬km的試驗數據；東芝公司的地鐵車輛在東京地鐵的試驗數據；南車株洲電力機車研究所有限公司在沈陽地鐵2號線第20列車M1車上的一臺電機運行考核數據。

阿爾斯通稱采用永磁同步牽引系統的AGV高速動車組可以實現高達15%的節能效果。

1.2 功率密度優勢

與同等級的異步電機相比，永磁同步電機的體積和質量可以減 小20～30%，因此功率密度顯著提高。據報道阿爾斯通AGV高速動車組(360 km/h)采用的720 kW全封閉永磁同步電機，功率密度可達0.99 kW/kg，該車于2010年在意大利商業運行。阿爾斯通公司的AGV高速動車組和Citadis型低地板輕軌車輛，均采用齒輪傳動結構。

在同等尺寸和質量的條件下，永磁同步電機可以實現更大的轉矩，因此可以實現直接驅動。例如西門子公司城軌車輛新型轉向架Syntegra采用直驅式永磁同步電機(圖1)；東日本鐵路公司的103系電車采用直驅技術；斯柯達在有軌電車上采用46.6 kW的永磁直驅牽引電機。

圖1 西門子全封閉水冷永磁同步電機

取消齒輪箱可以提高傳動系統效率、降低噪聲、免除齒輪箱的維護成本等優點。

但是，齒輪箱作為電機軸到輪軸之間的變速環節，同時也是一級緩沖。直驅系統省去變速箱，輪軸與電動機直接連接。那么各種有害沖擊負荷也就全部由電機本體承受，這對電機設計提出了更高的要求。

1.3 可實現全封閉電機

永磁同步電機效率的顯著提高意味著其自身發熱的減少。特別是對于轉子，永磁同步電機的轉子發熱量較低，這就利于電機的全封閉設計。

全封閉電機設計不僅免除了定期解體清掃電機內部的維護工作，也明顯地降低了噪聲。據報道，阿爾斯通的Citadis型低地板輕軌車輛采用全封閉永磁同步電機，噪聲降低了3～7 dB；西門子的城軌車輛新型轉向架Syntegra中采用的全封閉水冷永磁同步電機，比同功率異步電機相比噪聲降低15 dB；東日本鐵路公司的103系電車采用全封閉永磁同步電機，沿線噪聲約降低5 dB；東芝公司的地鐵車輛采用全封閉永磁同步電機(圖2)，噪聲降低2～6 dB。

2 存在的挑戰

異步電機牽引系統已經非常成熟，無論是從供應商到運營部門，都積累了大量的設計、運用和維護經驗。

對于永磁同步牽引系統，雖然在上述方面有顯著優勢，但是永磁同步電機的諸多特殊性也必然伴隨一些缺點。

2.1 永磁體失磁風險

永磁體是永磁同步電機中最核心的零部件之一。

圖2 東芝公司永磁同步牽引電機

稀土永磁材料釹鐵硼由于其優良的特性(常溫狀態下剩磁密度較高、矯頑力較高、磁能積較高、價格相對較低)，成為永磁同步電機的主流永磁材料。它的性能直接決定了永磁同步電機的效率、性能和可靠性。

近年來，隨著永磁同步電機在交流傳動領域的推廣應用，永磁體的失磁作為一個共性問題受到了諸多公司和研究機構的關注和研究。如中國第一汽車股份有限公司技術中心研究了電動汽車用永磁同步電機的失磁問題和失磁對電機損耗的影響[11]；中船重工集團704研究所，對永磁電機最大不失磁電流與電機新能進行了分析[15]；沈陽工業大學針對永磁體渦流發熱退磁研究開展了深入研究[16-17]；華北電力大學針對自啟動永磁同步電機的失磁機理和抑制方法展開了研究[18]。

永磁電機的永磁體失磁會導致電機性能降低，甚至無法使用，因此必須引起足夠重視。永磁體失磁的原因較為復雜，有可能是單獨一個原因，也可能是多個因素共同起作用。通常來講，永磁同步電機失磁的原因主要有以下幾個方面。

(1) 沖擊電流

沖擊電流產生的去磁磁場可以導致永磁體失磁。那么一般認為電機電樞電流最大發生在電機機端短路情況下。特別是電機不對稱短路故障(如相間短路)產生的暫態沖擊電流教穩態短路電流值更大，更容易引起永磁體的不可逆失磁[19]，且失磁程度隨電機工作溫度的升高而增加。

因此必須設計合理的短路電流倍數或電樞電抗，限制故障狀態下電機電樞電流，防止沖擊電流失磁。

(2) 高溫

釹鐵硼屬于負溫度系數永磁材料。溫度高于居里溫度時，矯頑力將下降，會發生失磁。而且永磁體短時的超溫即可能發生不可逆失磁。常用釹鐵硼材料的居里溫度在80～180℃。居里溫度點越高，永磁體價格也迅速升高。

永磁同步電機的溫升必須控制在合理的范圍，避免永磁體的溫度高于居里溫度。參照IEC 60349-4《與電子變流器連接的永磁同步電機》標準，定子繞組基準溫度為150℃，永磁體基準溫度為100℃。

而感應電機對電機的溫升的要求更為寬松。參照IEC 60349-2《鐵路機車車輛用電子變流器供電的交流電動機》中對異步電機定子與轉子溫升的約定，H級絕緣等級時定子繞組的溫升限制為180 K，而且標準中未明確的給出轉子溫度限值，以不損害任何繞組或其他部件為限。因此，永磁同步電機對電機溫升要求更為苛刻。

由于永磁同步電機的轉子渦流損耗較低，在早期小容量永磁電機設計中，轉子溫升問題并未引起足夠重視。永磁體本身也會感應出渦流發熱。電機定子槽開口引起的氣隙磁導變化以及定子電流的諧波成分，會在永磁體內感應出渦流。隨著電機功率的提高，永磁體的體積增大，特別是對于內置式轉子結構，永磁體的散熱條件更差。渦流損耗會引起永磁體局部溫升過高，增加了失磁風險。

(3) 腐蝕、氧化

釹鐵硼永磁材料中的釹和鐵都是易氧化易腐蝕的元素。永磁體受腐蝕、氧化也會導致失磁。因此需要永磁體做好表面涂覆防護。同時采用全封閉結構避免鐵屑吸附在永磁體上。

(4) 沖擊振動

劇烈震動也會導致永磁體失磁。

綜上所述，永磁體存在失磁風險，永磁同步電機需要在設計上充分考慮各種因素，避免永磁同步電機發生失磁。

2.2 系統復雜性較高

(1) 軸控

輪徑差的必然存在決定了同一列車的不同輪對的轉速總存在差異，即不同牽引電機的轉速必然有差異。

異步電機的轉子轉速與定子頻率是不一致的，而且其轉子磁鏈是通過感應產生的。這就決定了多臺異步電機可以并聯一起，由同一臺逆變器集中控制。因此感應為電動機的牽引系統可以采用車控或架控的方式，即一個逆變器帶4臺或者2臺異步電機。車控方式如圖3(a)所示，4臺感應電機直接并聯運行。

但是永磁同步電機的特性決定了其轉子頻率與定子頻率是一致的，而且轉子磁鏈的位置只取決于轉子位置。而多個電機的轉子位置必然無法保持一致。這就決定了永磁同步電機無法實現車控和架控。永磁同步牽引系統只能采用軸控方式，如圖3(b)所示，即每臺永磁同步電機都需要有獨立的逆變器分別控制。這就導致逆變器的數量比較多。雖然系統的冗余性得到提高，但其零部件數量顯著的增加，復雜性亦較高，故障點倍增。

圖3 逆變器與牽引電機示意圖

(2) 隔離接觸器

由于永磁同步電機的轉子磁鏈不可調節。因此即便逆變器停止工作，永磁同步電機定子繞組也會隨著電機旋轉感應出反電勢。

在高速惰行時，為避免逆變器停機以后永磁電機通過逆變器的反并聯二極管向直流環節充電，同時也考慮到電機端較高的反電勢可能給逆變器造成危害，就需要能夠將逆變器與永磁同步電機之間實現隔離。因此在逆變器與永磁同步電機之間，還必須有斷路能力的開關。這無疑增加了系統的成本和復雜性。

2.3 控制、故障保護和工作運行的特殊性

(1) 弱磁控制

當永磁同步電機定子電壓達到逆變器能夠輸出的最高電壓時，只有通過弱磁控制來提高電機的高速范圍。由于永磁同步電機的轉子磁鏈不能調整，因此需要在定子電流中增加去磁分量來消弱電機磁場。去磁電流分量會增加永磁同步電機的定子銅耗，從而影響了電機效率。

當永磁同步電機工作在弱磁高速的工況，若逆變器突然停止工作，去磁電流的消失將導致定子電壓升高，有可能損害逆變器。這也為逆變器的帶速重投造成了困難。

(2) 短路故障的處理

在異步電機的牽引系統中，一旦電機發生故障，僅需逆變器停止工作即可。

但是永磁同步電機發生機端短路或匝間短路時，若永磁同步電機持續轉動，則會有持續的短路電流存在。可能導致故障進一步擴大，或者燒損絕緣發生繞組接地，甚至導致電機過熱損壞電機。當逆變器發生故障導致短路時，需要隔離接觸器將永磁同步電機與逆變器斷開，防止故障的進一步惡化。

(3) 磁場強度隨溫度變化

永磁體磁場強度會隨溫度發生變化。轉子溫度每升高10K，磁場強度約減少1%。由于電機的溫度從-40℃到150℃大范圍變化，溫度的變化會對電機磁場產生明顯的影響。這需要電機控制上考慮到溫度變化的因素。

(4) 附加鐵耗

在列車惰行工況下，逆變器盡管已經停止工作，永磁同步電機的旋轉磁場依然會在定子鐵芯中產生渦流損耗。這一部分附加鐵損，也會影響永磁同步牽引系統的總效率。

2.4 永磁同步電機的制造工藝較復雜

鼠籠型異步電機是結構最為簡單的電動機之一，制造工藝非常成熟，成本相對較低。

永磁同步電機的轉子結構比鼠籠型異步電機復雜。永磁體本身具有較強的磁性，這為電機的加工生產帶來挑戰，例如轉子鐵芯疊壓、轉子動平衡、永磁體安裝與固定、轉子運輸等。加工過程中也需要使用特殊的、非鐵磁性的工具。需要增加設備對永磁體磁性能進行檢測。

因此相比異步電機，永磁同步電機的制造工藝更為復雜，生產成本會更高。如果發生故障，維修的難度也更高。

2.5 稀土材料的成本問題

永磁材料釹鐵硼的重要原材料釹就是稀土元素。稀土作為一種不可再生資源，近年來作為戰略資源被國家加大了管控。稀土價格曾經在2010年以來大幅波動，對永磁體和永磁同步電機的成本造成了較大的影響。長期來看，稀土價格仍然看漲。永磁同步電機的成本仍將明顯高于異步電機。

3 行業類比

永磁同步電機以其鮮明的優勢，在風力發電、電動汽車等領域有了較廣泛的應用。

3.1 純電動汽車領域

電動汽車和軌道交通中的牽引系統最為類似。主流純電動車型的電機產品大多采用交流感應電機和永磁同步電機。電機的功率等級差別較大，這主要取決于汽車的品牌定位。部分國外純電動車型及電機類型如表1所示。

表1 部分國外純電動車型與電機

從表中可以看出，兩種電機皆有應用，并不存在誰是先進技術，誰是落后淘汰技術的問題。比如表中功率最大的特斯拉的Model S，其誕生時間最晚，采用的交流感應電機。

3.2 風力發電領域

以永磁同步電機在風電行業的應用歷史和現狀為例。當前風力發電技術主要分為兩類：雙饋技術與永磁直驅技術。雙饋技術采用一種轉子繞線式的異步電機作為發電機。永磁直驅技術則采用永磁同步電機作為發電機。

與異步電機牽引系統在軌道交通牽引領域占據主流一樣，雙饋技術也在風電領域內占主導地位。雙饋技術以其方案成熟，運行穩定的優點，約占據了全球85%的市場份額。近些年來，永磁直驅技術也逐漸嶄露頭角。以2012年為例，中國新增大型風電機組中，永磁直驅式風電機組約占26%[20]。

永磁直驅技術和雙饋技術幾乎同時出現。但是在過去和現在，雙饋技術仍將是市場的主流。隨著永磁直驅技術的日漸成熟，將成為一種的有力的補充。

4 前景展望

與集中控制的異步電機牽引系統相比，永磁同步牽引系統的系統節能效果明顯。永磁同步電機具高功率密度的顯著優勢。永磁同步電機采用封閉結構顯著的降低了噪聲、減少了電機的日常維護清掃工作。

但是，永磁電機也面臨諸多挑戰：永磁體失磁風險不容忽視；永磁同步牽引系統在控制、故障保護和運行過程中具有很多特殊性；永磁同步牽引系統的復雜性較高，將不可避免導致故障點的增多和維護成本的提高；永磁電機的初始成本較高，特別是永磁材料價格不夠穩定。任何一項具體技術的成熟都需要一定的過程，更何況永磁同步牽引系統是涉及到牽引變流器、電機、轉向架等核心零部件，涉及到機械、電磁設計、熱學、控制、材料等各個學科。這都決定了這項技術需要在實踐中積累經驗。

在軌道交通領域中，永磁同步電機的工作環境通常比較惡劣，例如沖擊振動，工作溫度范圍較大等。牽引系統的設計壽命一般都不少于20年。迄今為止，還未有永磁同步牽引系統實現全壽命周期的運營。因此能否實現永磁同步電機在全壽命周期內的可靠運行；能否通過節能抵消較高的初始成本和維護成本；能否最終實現其全壽命周期成本低于異步電機牽引系統，仍需實踐的考驗。

技術的成熟性、質量的穩定性和可靠性、及時且低成本的維修和維護才是用戶選擇的重要標準。因此異步電機牽引系統仍將在未來較長的時間內占據主流地位。但是可以預見，永磁同步牽引系統將以其鮮明的優點，在多元化用戶需求和細分市場中占得一席之地。

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Overview of Advantages and Challenges of Permanent Magnet Synchronous Traction System in Railway Transit

MAYingtao,LIHong,LIYanlei,YANGNing

(China Academy of Railway Sciences, Locomotive & Car Research Institute，Beijing 100081)

In the railway transport industry, the permanent magnet synchronous traction system has preliminarily entered into the stage of commercialization, after several years of development. Compared to the traction system employing induction motor which is the mainstream in the railway traction, the permanent magnet synchronous traction system has several advantages such as lower energy consumption, higher power density, possibility of direct dive structure in low power condition, possibility of totally enclosed structure and lower noise. At the same time, it has several noticeable drawbacks due to its specialties which need to be handled seriously before its widely use, such as risk of demagnetization, complexity of the traction system, some specialties problem on the control and protection, relatively high production and cost. At last the prospect of permanent magnet synchronous traction system is concluded: although it cannot replace the induction motor traction system, the permanent magnet synchronous traction system will have a share in the market segments because of diversified needs of users.

permanent magnet synchronous traction system； railway transportation； permanent magnet synchronous motor； demagnetization

1008-7842 (2015) 03-0066-05

??)男，助理研究員(

2015-03-30)

文獻標志碼: A doi:10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.16