荊海濤，袁 闖

（1.本鋼浦項(xiàng)冷軋薄板有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117021；2.濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

永磁同步電機(jī)在鐵道牽引領(lǐng)域中的應(yīng)用

荊海濤1，袁 闖2

（1.本鋼浦項(xiàng)冷軋薄板有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117021；2.濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

盡管牽引變流器控制的三相異步電機(jī)的交流傳動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于鐵道牽引領(lǐng)域，但近年來，由于永磁材料的迅速發(fā)展，永磁同步電機(jī)在鐵道牽引領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)力明顯上升，具有良好的應(yīng)用前景。本文從鐵道牽引的觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)永磁同步電機(jī)和異步牽引電機(jī)進(jìn)行技術(shù)比較，介紹國(guó)內(nèi)外有關(guān)研發(fā)直接驅(qū)動(dòng)式和全封閉式永磁電動(dòng)機(jī)的概況，分析永磁同步電機(jī)在鐵路牽引應(yīng)用中的發(fā)展前景及面臨的主要問題。

永磁同步電機(jī)；PMSM；鐵道牽引；應(yīng)用

永磁同步電機(jī)是靠裝在轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)的同步電動(dòng)機(jī)。它也由定子、轉(zhuǎn)子和端蓋等部件構(gòu)成。定子與普通異步電動(dòng)機(jī)基本相同，是由疊壓硅鋼片構(gòu)成的定子鐵心和嵌在定子鐵心槽內(nèi)的定子線圈組成，線圈的連接是使三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)是永磁同步電動(dòng)機(jī)與其他電機(jī)的主要區(qū)別。轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能、控制系統(tǒng)、制造工藝和適用場(chǎng)合也不同。

如圖1所示為各種典型永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子垂直于轉(zhuǎn)軸的橫截面圖。圖1a、b為永磁體固定在轉(zhuǎn)子表面的表面磁電機(jī)。圖1a中電機(jī)鐵心橫截面沒有凸起，產(chǎn)生永磁轉(zhuǎn)矩，但沒有磁阻轉(zhuǎn)矩。而圖1b電機(jī)由于鐵心的凸起結(jié)構(gòu)，所以產(chǎn)生了磁阻轉(zhuǎn)矩。圖1c永磁體陷于鐵心中的電機(jī)即為內(nèi)埋磁鐵型永磁電機(jī)，磁路結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性產(chǎn)生了磁阻轉(zhuǎn)矩。內(nèi)埋磁鐵型永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體受到保護(hù)，不像表面式永磁電機(jī)那樣需要保護(hù)層；且內(nèi)埋磁鐵型永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性高、造價(jià)低。采用內(nèi)埋磁鐵型永磁電機(jī)能有效利用磁阻轉(zhuǎn)矩，可以使高速旋轉(zhuǎn)時(shí)永磁體產(chǎn)生的鏈接磁鏈和感應(yīng)電壓最小。因此，可以說內(nèi)埋磁鐵型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)適宜用作鐵道機(jī)車的牽引電機(jī)。

圖1 各種典型永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子垂直于轉(zhuǎn)軸的截面圖

1 永磁電機(jī)特點(diǎn)

由于永磁同步電機(jī)不像異步電機(jī)那樣存在由感應(yīng)電流引起的轉(zhuǎn)子損耗，所以其最大特點(diǎn)是高效、小型、輕量化。例如，在開發(fā)與車輪一體化的牽引電機(jī)時(shí)，對(duì)異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)在相同設(shè)計(jì)條件下進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯来磐诫姍C(jī)的質(zhì)量約為異步電機(jī)的2/3，而且效率和功率因數(shù)也都高于異步電機(jī)。

用永磁同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)無傳動(dòng)齒輪箱的直接傳動(dòng)系統(tǒng)，可避免齒輪箱帶來的費(fèi)用、損耗、維修量、噪聲等問題；又由于電機(jī)損耗少，比較容易實(shí)現(xiàn)全封閉自冷，就取消了內(nèi)部通風(fēng)且不需要更換潤(rùn)滑油，可望得到維護(hù)少且環(huán)保的效果。

表1 與車輪一體的牽引電機(jī)中異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)比較

2 永磁電機(jī)控制

2.1 永磁同步電機(jī)的控制

2.1.1 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

將A、B、C坐標(biāo)系變換到與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的d、q坐標(biāo)系，可得永磁同步電機(jī)的電壓、磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩方程：

式中：ud、uq——分別為d、q軸的電機(jī)電壓；

ψd、ψq——分別為d、q軸電機(jī)磁鏈；

id、iq——分別為d、q軸的電機(jī)電流；

R1——電機(jī)定子電阻；

Ld、Lq——分別為定子的d、q軸電感；

Lmd——定轉(zhuǎn)子間的d軸互感；、

if——永磁體的等效勵(lì)磁電流，單位A，當(dāng)不考慮溫度對(duì)永磁體性能的影響時(shí)，其值為一常數(shù)，且if=，ψf為永磁體產(chǎn)生的磁鏈，可由求得，e0為空載反電動(dòng)勢(shì)，其值為每相繞組反電動(dòng)勢(shì)有效值的3倍，即 e0=3E0；

Tem——電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；

P——電機(jī)極對(duì)數(shù)。

可以看出，從三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系后，d、q軸的電壓方程等號(hào)右側(cè)由電阻壓降、脈動(dòng)電動(dòng)勢(shì)和旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)構(gòu)成，其物理意義與異步電機(jī)相同。轉(zhuǎn)矩方程的第一項(xiàng)是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組磁動(dòng)勢(shì)和定子電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)的轉(zhuǎn)矩分量相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩；第二項(xiàng)是（Ld-Lq）idiq是由凸極效應(yīng)造成的磁阻變化在電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)作用下產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩。

3 永磁電機(jī)在鐵道牽引領(lǐng)域中應(yīng)用效果

隨著電力電子器件的不斷發(fā)展，鐵道機(jī)車動(dòng)車牽引電機(jī)要求體積小、功率大，通常采用通風(fēng)冷卻方式。但冷卻風(fēng)中含有塵埃，會(huì)污染牽引電機(jī)內(nèi)部，因此牽引電機(jī)需要定期進(jìn)行解體清掃。而且，既有線車輛的牽引電機(jī)多數(shù)是轉(zhuǎn)子與風(fēng)扇直接相連的結(jié)構(gòu)（自通風(fēng)結(jié)構(gòu)），高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)扇噪聲很大。

如果采用全封閉結(jié)構(gòu)，塵埃就不能進(jìn)入牽引電機(jī)里面，也就不需要解體電機(jī)進(jìn)行清掃。同時(shí)，電機(jī)里面的噪聲被隔離，可實(shí)現(xiàn)低噪聲牽引電機(jī)。但全封閉電機(jī)比通風(fēng)冷卻電機(jī)的冷卻性能差，因此全封閉電機(jī)要做到尺寸和性能與以往的電機(jī)相同，就必須采用發(fā)熱較少的電機(jī)，并研究新的冷卻結(jié)構(gòu)，以使各部分的溫升控制在規(guī)定限值以內(nèi)。

采用效率高、發(fā)熱小的永磁同步電機(jī)可降低溫升。但全封閉牽引電機(jī)使電機(jī)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(duì)軸承周圍的冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，試制了采用新軸承冷卻結(jié)構(gòu)的全封閉永磁同步電機(jī)。對(duì)軸承冷卻結(jié)構(gòu)的效果和降噪效果的試驗(yàn)結(jié)果表明，在與以往自通風(fēng)異步牽引電機(jī)相同的體積下，可實(shí)現(xiàn)同功率的全封閉牽引電機(jī)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲可降低10dB左右。而且，與以前的電機(jī)相比，同時(shí)又滿足了輕量化和高效率要求。

4 結(jié)語(yǔ)

永磁同步電機(jī)固有的高效、緊湊結(jié)構(gòu)和輕量化使得它很適合于鐵路牽引，尤其當(dāng)前節(jié)能和環(huán)保已成為社會(huì)關(guān)注的問題。有關(guān)永磁同步電機(jī)做為鐵道牽引電機(jī)的研究正在深入開展，相信有關(guān)永磁同步電機(jī)的研究結(jié)果將有助于促進(jìn)它在鐵路牽引中的應(yīng)用。

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

[2]松友真哉，等（日）.確定永磁電機(jī)電源電壓的優(yōu)化設(shè)計(jì)法[J].變流技術(shù)與電力牽引，2003，（5）：12-161.

[3]Tiklockow，等.永久磁鐵勵(lì)磁的牽引電動(dòng)機(jī)[J].變流技術(shù)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