永磁同步電機在鐵道牽引領域中的應用

荊海濤，袁 闖

（1.本鋼浦項冷軋薄板有限責任公司，遼寧 本溪 117021；2.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250306）

永磁同步電機在鐵道牽引領域中的應用

荊海濤1，袁 闖2

（1.本鋼浦項冷軋薄板有限責任公司，遼寧 本溪 117021；2.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250306）

盡管牽引變流器控制的三相異步電機的交流傳動系統已經廣泛地應用于鐵道牽引領域，但近年來，由于永磁材料的迅速發展，永磁同步電機在鐵道牽引領域競爭力明顯上升，具有良好的應用前景。本文從鐵道牽引的觀點出發，對永磁同步電機和異步牽引電機進行技術比較，介紹國內外有關研發直接驅動式和全封閉式永磁電動機的概況，分析永磁同步電機在鐵路牽引應用中的發展前景及面臨的主要問題。

永磁同步電機；PMSM；鐵道牽引；應用

永磁同步電機是靠裝在轉子上的永久磁鐵產生磁場的同步電動機。它也由定子、轉子和端蓋等部件構成。定子與普通異步電動機基本相同，是由疊壓硅鋼片構成的定子鐵心和嵌在定子鐵心槽內的定子線圈組成，線圈的連接是使三相交流電產生旋轉磁場。轉子磁路結構是永磁同步電動機與其他電機的主要區別。轉子磁路結構不同，電動機的運行性能、控制系統、制造工藝和適用場合也不同。

如圖1所示為各種典型永磁同步電機轉子垂直于轉軸的橫截面圖。圖1a、b為永磁體固定在轉子表面的表面磁電機。圖1a中電機鐵心橫截面沒有凸起，產生永磁轉矩，但沒有磁阻轉矩。而圖1b電機由于鐵心的凸起結構，所以產生了磁阻轉矩。圖1c永磁體陷于鐵心中的電機即為內埋磁鐵型永磁電機，磁路結構的不對稱性產生了磁阻轉矩。內埋磁鐵型永磁電機轉子內的永磁體受到保護，不像表面式永磁電機那樣需要保護層；且內埋磁鐵型永磁電機結構簡單、魯棒性高、造價低。采用內埋磁鐵型永磁電機能有效利用磁阻轉矩，可以使高速旋轉時永磁體產生的鏈接磁鏈和感應電壓最小。因此，可以說內埋磁鐵型轉子結構的永磁同步電機適宜用作鐵道機車的牽引電機。

圖1 各種典型永磁同步電機轉子垂直于轉軸的截面圖

1 永磁電機特點

由于永磁同步電機不像異步電機那樣存在由感應電流引起的轉子損耗，所以其最大特點是高效、小型、輕量化。例如，在開發與車輪一體化的牽引電機時，對異步電機和永磁同步電機在相同設計條件下進行了設計分析，結果如表1所示。可以看出，永磁同步電機的質量約為異步電機的2/3，而且效率和功率因數也都高于異步電機。

用永磁同步電機實現無傳動齒輪箱的直接傳動系統，可避免齒輪箱帶來的費用、損耗、維修量、噪聲等問題；又由于電機損耗少，比較容易實現全封閉自冷，就取消了內部通風且不需要更換潤滑油，可望得到維護少且環保的效果。

表1 與車輪一體的牽引電機中異步電機和永磁同步電機比較

2 永磁電機控制

2.1 永磁同步電機的控制

2.1.1 永磁同步電機數學模型

將A、B、C坐標系變換到與轉子同步旋轉的d、q坐標系，可得永磁同步電機的電壓、磁鏈和電磁轉矩方程：

式中：ud、uq——分別為d、q軸的電機電壓；

ψd、ψq——分別為d、q軸電機磁鏈；

id、iq——分別為d、q軸的電機電流；

R1——電機定子電阻；

Ld、Lq——分別為定子的d、q軸電感；

Lmd——定轉子間的d軸互感；、

if——永磁體的等效勵磁電流，單位A，當不考慮溫度對永磁體性能的影響時，其值為一常數，且if=，ψf為永磁體產生的磁鏈，可由求得，e0為空載反電動勢，其值為每相繞組反電動勢有效值的3倍，即 e0=3E0；

Tem——電機電磁轉矩；

P——電機極對數。

可以看出，從三相靜止坐標系變換到兩相旋轉坐標系后，d、q軸的電壓方程等號右側由電阻壓降、脈動電動勢和旋轉電動勢構成，其物理意義與異步電機相同。轉矩方程的第一項是轉子勵磁繞組磁動勢和定子電樞反應磁動勢的轉矩分量相互作用產生的電磁轉矩；第二項是（Ld-Lq）idiq是由凸極效應造成的磁阻變化在電樞反應磁動勢作用下產生的磁阻轉矩。

3 永磁電機在鐵道牽引領域中應用效果

隨著電力電子器件的不斷發展，鐵道機車動車牽引電機要求體積小、功率大，通常采用通風冷卻方式。但冷卻風中含有塵埃，會污染牽引電機內部，因此牽引電機需要定期進行解體清掃。而且，既有線車輛的牽引電機多數是轉子與風扇直接相連的結構（自通風結構），高速運轉時風扇噪聲很大。

如果采用全封閉結構，塵埃就不能進入牽引電機里面，也就不需要解體電機進行清掃。同時，電機里面的噪聲被隔離，可實現低噪聲牽引電機。但全封閉電機比通風冷卻電機的冷卻性能差，因此全封閉電機要做到尺寸和性能與以往的電機相同，就必須采用發熱較少的電機，并研究新的冷卻結構，以使各部分的溫升控制在規定限值以內。

采用效率高、發熱小的永磁同步電機可降低溫升。但全封閉牽引電機使電機整體溫度升高，而軸承部分的溫升限值較低，所以必須防止該部分溫升過高。為此，對軸承周圍的冷卻結構進行了研究，試制了采用新軸承冷卻結構的全封閉永磁同步電機。對軸承冷卻結構的效果和降噪效果的試驗結果表明，在與以往自通風異步牽引電機相同的體積下，可實現同功率的全封閉牽引電機，高速運轉時噪聲可降低10dB左右。而且，與以前的電機相比，同時又滿足了輕量化和高效率要求。

4 結語

永磁同步電機固有的高效、緊湊結構和輕量化使得它很適合于鐵路牽引，尤其當前節能和環保已成為社會關注的問題。有關永磁同步電機做為鐵道牽引電機的研究正在深入開展，相信有關永磁同步電機的研究結果將有助于促進它在鐵路牽引中的應用。

[1]松岡孝一（日）.下一代牽引電動機[J].電力牽引快報，1999，（6）：40-421.

[2]松友真哉，等（日）.確定永磁電機電源電壓的優化設計法[J].變流技術與電力牽引，2003，（5）：12-161.

[3]Tiklockow，等.永久磁鐵勵磁的牽引電動機[J].變流技術與電力牽引，2003，（4）：37-391.

Application of permanent magnet synchronous motorto driving railway traction domain

JING Haitao1,YUAN Chuang2
（1.BX Steel Posco Cold Rolled Sheet Co.,Ltd.,Benxi 117021,Liaoning China;2.Jinan Foundry&Metalforming Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Jinan 250306,Shandong China）

From the viewpoint of railway traction,the technical comparison between permanent magnet synchronous motor and asynchronous traction motor has been conducted.The domestic and overseasoverview of direct drive type and full closed permanent magnet motor has been introduced.The application development prospect and main problems of permanent magnet synchronous motor to the railway traction has been analyzed.

Permanent magnet synchronous motor;Railway traction;Application

U260112；TM351

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.03.016

1672-0121（2017）03-0061-02

2016-12-20；

2017-02-16

荊海濤（1983-），男，從事板材制造及管理等工作。E-mail：jinghaitao@bxposco.com.cn