張衛(wèi)東 顧晨亮

摘 要：隨著鐵路行業(yè)的不斷發(fā)展，鐵路機車的數(shù)量也在不斷增多。牽引電機是鐵路機車的核心部分，影響著鐵路機車的穩(wěn)定性。在當(dāng)今時代，傳統(tǒng)的牽引電機已經(jīng)不能滿足高速鐵路機車的發(fā)展需求，制約了高速鐵路機車的發(fā)展。永磁電機是一種新型的同步電機，通過永磁體的高速旋轉(zhuǎn)，能夠產(chǎn)生強勁的電流，有效的提升了牽引的效率，保證了鐵路機車的穩(wěn)定性。本文主要研究的是鐵路機車牽引中永磁電機的應(yīng)用，希望能夠給鐵路行業(yè)提供一些借鑒，促進(jìn)牽引電機的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：鐵路機車；永磁電機；牽引電機

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.036

0 引言

牽引電機是鐵路機車的重要組成部分，需要受到鐵路行業(yè)的重視。傳統(tǒng)的牽引電機多為異步電機，占用的安裝空間大，電機質(zhì)量重，難以滿足高速鐵路機車的現(xiàn)代化需求，制約了高速鐵路機車的現(xiàn)代化發(fā)展。永磁電機是一種新型的同步電機，永磁材料性能的提升和價格的降低推動了永磁電機的研究，讓永磁電機成為了牽引電機的首選。

1 永磁電機的結(jié)構(gòu)和特點

永磁電機是依靠永磁體高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁場的同步電機，能夠?qū)⒂来朋w運動產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)換為電能，從而發(fā)揮出牽引的作用。永磁電機的主要結(jié)構(gòu)為鐵心、轉(zhuǎn)軸、及永磁體，根據(jù)不同位置的磁回路，永磁電機可以被分為兩種，一種是表面式永磁電機，一種是埋入式永磁電機。表面式永磁電機與埋入式永磁電機的最大區(qū)別就是不會產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，因此它的牽引效果相對較差。永磁電機主要有兩個特點：第一個特點是功率高。永磁電機主要通過永磁體的旋轉(zhuǎn)來獲得電流，因此永磁電機在運行時是沒有定子銅耗或是有較少定子銅耗的，這就讓永磁電機擁有了超高的功率，能夠滿足鐵路機車長時間的運行要求。第二個特點是質(zhì)量輕、占用的安裝空間小。永磁電機相比較異步電機來說質(zhì)量更輕，占用的安裝空間更小，所以更適合安裝在鐵路機車上。

2 永磁電機的關(guān)鍵技術(shù)

（1）放退磁技術(shù)。永磁電機的核心是永磁體，如果永磁體失去了磁性，永磁電機也就失去了作用。在現(xiàn)實生活中，永磁電機的運轉(zhuǎn)時間較長，產(chǎn)生的沖擊電流較強，在多次的電流沖擊下，永磁體很可能就會出現(xiàn)退磁。另外，永磁電機運行時溫度會不斷上升，高溫可能會導(dǎo)致電機短路，這就又增加了永磁體退磁的風(fēng)險。因此，在永磁電機的設(shè)計中，設(shè)計者就要注重永磁體的磁性問題，防止永磁體出現(xiàn)退磁現(xiàn)象。永磁電機的設(shè)計者要注重電機磁場的研究，多次校對永磁電機的退磁曲線，確保永磁電機在高溫狀態(tài)下也能夠正常運轉(zhuǎn)。此外，設(shè)計者要注重電機材料的選擇，要選擇耐高溫的永磁體，同時要多次測試永磁體的磁性，確認(rèn)磁性始終保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）反電動勢校核技術(shù)。永磁電機的電能是通過永磁體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化而成的，不需要外部供給電能。在永磁體的高速旋轉(zhuǎn)中，永磁電機的定子繞組會產(chǎn)生非常大的反電動勢，一旦反電動勢超出永磁電機的承受極限，那么永磁電機的元件就會損壞。另外，較高的反電動勢會給電機的合閘帶來難題，尤其是當(dāng)永磁電機發(fā)生短路時，反電動勢會加速電機的運轉(zhuǎn)速度，從而讓電機損壞的更加嚴(yán)重。因此，在永磁電機的設(shè)計中，設(shè)計者要校核反電動勢，制定出多種設(shè)計方案。根據(jù)不同的鐵路干線，來選取不同的設(shè)計方案，保證永磁電機的使用效率。例如城市干線鐵路機車就應(yīng)該選用反電動勢較低的設(shè)計方案，這樣能夠有效的減少電機的弱磁電流，保證電機的性能。

3 鐵路機車牽引中永磁電機的應(yīng)用

（1）直接牽引電機。異步牽引電機主要是通過齒輪將動能傳遞給輪軸，從而達(dá)到牽引電車的目的，但是在牽引過程中，齒輪之間的咬合會發(fā)出很大的噪音，并且會損耗大量的動能。直流電機的出現(xiàn)解決了這個問題，但是直流電機的體積過大，占用的安裝空間大，而且對軌道會產(chǎn)生強烈的沖擊，機體容易受損。永磁電機相比較異步電機和直流電機來說，質(zhì)量和尺寸更小，轉(zhuǎn)速更快，提供的電流更加平穩(wěn)，能夠和直接驅(qū)動方式有效的契合，受到了多個國家的喜愛。例如法國的一家公司曾經(jīng)開發(fā)了一臺永磁電機試用機，試用的結(jié)果顯示永磁電機的工作效率比異步電機更高，而且質(zhì)量也比異步電機更小，同時產(chǎn)生的噪音更小，能夠滿足鐵路機車的需求。

（2）封閉牽引電機。鐵路機車的牽引電機在長時間的使用中會產(chǎn)生較高的溫度，因此牽引電機通常都配有散熱扇，但是散熱扇在工作中會將灰塵也吹進(jìn)牽引電機中，從而污染牽引電機的機體。為此，牽引電機需要定期的除塵去污。另外，散熱扇在高速轉(zhuǎn)動中會產(chǎn)生大量的噪音。為了解決這些問題，就應(yīng)該使用封閉式結(jié)構(gòu)，從而減少牽引電機污染，降低牽引電機內(nèi)部的噪音。但是封閉式牽引電機要想和以往的電機發(fā)揮同樣的作用，就要選用尺寸一致、性能相同、發(fā)熱相對較少的電機。因此，噪聲小、發(fā)熱少的永磁電機成為了封閉牽引電機的最佳選擇。日本的一家公司曾經(jīng)研發(fā)過一臺封閉式永磁電機測試機，在測試的過程中，這家公司發(fā)現(xiàn)和異步電機尺寸相同、功率相同的封閉式永磁電機的噪聲更小，效率更高。

（3）永磁電機的未來發(fā)展趨勢。高速鐵路機車的發(fā)展需要質(zhì)量更輕、體積更小、效率更高的牽引電機，因此設(shè)計者要不斷優(yōu)化永磁電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，讓永磁電機滿足高速鐵路的發(fā)展需求。在定子結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，設(shè)計者不僅要重新設(shè)計定子結(jié)構(gòu)，還要不斷提升定子的轉(zhuǎn)速，只有這樣做，永磁電機的性能才會有所提升。在電機控制技術(shù)方面，設(shè)計者要注意永磁體的失磁問題以及電機材料的不穩(wěn)定問題，使用合適的電機控制技術(shù)，研究智能化的電機控制系統(tǒng)，設(shè)置合理的控制參數(shù)，保證電機的正常運轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語

永磁電機是一種新型的電機，相對于異步電機來說，它的工作效率更高，質(zhì)量更輕，而且能夠提供穩(wěn)定的電流，是鐵路牽引電機的重要發(fā)展方向。我國要加強對永磁電機的研究，開發(fā)出適合我國鐵路機車的永磁電機，以此來促進(jìn)鐵路行業(yè)的發(fā)展。

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作者簡介：張衛(wèi)東（1968-），男，湖南懷化人，本科，工程師，研究方向：電機控制。