永磁同步電動機在鐵道機車動車上的應用

2017-04-12 11:10:22 大云網　點擊量：評論 (0)

核心提示：　　1前言鐵道機車車輛的牽引電動機裝在轉向架上的空間受到限制，因此體積要小；列車的高速化又要求它重量輕、輸出功率大。而且，電動機的轉矩特性要求在啟動時輸出很大的轉矩，并能在很寬的速度范圍內

核心提示：　　1前言鐵道機車車輛的牽引電動機裝在轉向架上的空間受到限制，因此體積要小；列車的高速化又要求它重量輕、輸出功率大。而且，電動機的轉矩特性要求在啟動時輸出很大的轉矩，并能在很寬的速度范圍內運行，以及便

　　1前言鐵道機車車輛的牽引電動機裝在轉向架上的空間受到限制，因此體積要小；列車的高速化又要求它重量輕、輸出功率大。而且，電動機的轉矩特性要求在啟動時輸出很大的轉矩，并能在很寬的速度范圍內運行，以及便于轉矩控制。

　　直流電動機能滿足這些要求，故多年來牽引電動機一直使用直流電動機。但是，隨著電力電子技術的進步，VVVF逆變器控制的異步電動機也能滿足這些要求。與直流電動機相比，異步電動機沒有換向器，維修減少，同時可以做到小型輕量，因此新型電傳動機車動車的牽引電動機基本上全部采用異步電動機。

　　現在，永磁同步電動機又引起了人們注意。它不僅與異步電動機同樣具有的牽引電動機所需的特點，而且還可以比異步電動機的效率更高，體積和重量更小。本文首先介紹了永磁同步電動機的結構和特點，然后按永磁同步電動機適用于鐵道機車動車的觀點，重新分析用永磁同步電動機作為直接驅動式牽引電動機和全封閉牽引電動機中取得的成果，闡明了永磁同步牽引電動機應用的可能性。

　　2永磁同步電動機的結構和特點2.1永磁同步電動機的結構生磁場的同步電動機。按磁鐵裝在轉子的方法可分為表面磁鐵型和內埋磁鐵型兩種。永磁同步電動機的定子與異步電動機基本上相同，由疊壓桂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，線圈的連接是使通常的三相交流電源產生旋轉磁場。

　　永磁同步電動機的轉矩是由永久磁鐵的磁場和定子線圈電流建立的磁場相互作用產生的，轉子與采用三相交流電源供電的定子旋轉磁場同步運轉并產生轉矩，這種轉矩被稱為磁鐵轉矩。此外，改變轉子鐵心的形狀，還可望得到磁阻轉矩。磁阻轉矩是由轉子磁性的凸極結構產生的，是由于在磁鐵的磁極方向（該方向的坐標軸為d軸）和與該方向相移90.（電角度）的方向（在坐標中為q軸）上磁力線通過的難易程度不一樣而產生的轉矩。

　　簡單來說，在定子線圈產生的旋轉磁場中，轉子的永久磁鐵由于吸引和排斥而產生的力就是磁鐵轉矩；旋轉磁場中轉子上的磁鐵被吸引而產生的轉矩就是磁阻轉矩。

　　是各種典型永磁同步電動機轉子的垂直于轉軸的剖面圖。（a）和（b）稱為表面磁鐵型，顧名思義，其轉子表面固定有永久磁鐵。通常情況下，表面磁鐵型永磁同步電動機在轉子的外側覆蓋一層非磁性的結構材料，壓住永久磁鐵，以防止電機高速運轉時表面磁鐵飛出來。（a）結構的鐵心形狀沒有凸極性，基本上不會產生磁阻轉矩，只能產生磁鐵轉矩。（b）結構的鐵心有凸極結構，因此還可以產生磁阻轉矩。

　　（c）的結構是內埋磁鐵型結構。顧名思義，其磁鐵埋在鐵心中間。

　　內埋磁鐵型結構的鐵心通常有磁性凸極性的形狀，可以產生磁阻轉矩。而且，內埋磁鐵型結構簡單，制角頻率（rad/s）永磁同步電動機的電機常數與轉矩特性下3種情況，/m為最大電流有效值x萬。

　　這種情況意味著永久磁鐵產生的磁通比定子產生的磁通要大。因此，在高速區磁鐵產生的磁通較強，因磁通不能充分削弱，電壓會過大，故存在輸出限界速度。為此，高速區的輸出功率會出現急劇下降。在這種電機常數關系時，必須使輸出限界速度遠大于最高速度。但另一方面，因電樞反應磁通小，功率因數較高，在逆變器容量相同的情況下，可以采用較大的最大輸出功率。這是優點。

　　這種情況下輸出限界速度理論上為無窮大。因此，高速區輸出功率不會下降，恒功特性可以保持到最高速度。

　　這種情況意味著磁鐵產生的磁通比定子產生的磁通小。磁鐵的磁通可以用電樞磁通來抵消，因此，不存在輸出限界速度，高速區的功率下降很小。但另一方面，功率因數比較低，在逆變器容量相同的情況下可輸出的最大功率較小。

　　牽引電動機的調速范圍要求很寬，高速時輸出功率的下降宜小。而且，因逆變器的價格和重量是隨逆變器容量的提高而提加。所以要求同一輸出功率所需的逆變器容量要小。如后所述，在設計用作牽引電動機的永磁同步電動機時，因的值限制在一定的值以下，電機常數為（c）的情況較多。但在高速區，為了使一定的逆變器容量下輸出功率最大，電機常數的設計宜盡可能接近（b）的特性。

　　-L，的值保持不變以使起動轉矩的值保持一定，改變1和~值時，上述（a）~（c）3種情況下的轉速轉矩特性。牽引電動機按（b）的特性設計則會有以下優點。首先，因高速時的加速力提高，可望縮短運轉時間。此外，還能提高高速時使用再生制動的比率，再生制動率提高意味著可以更加節能，而且，高速時再生制動率高可以減少機械制動的負擔，從而減少維修。

　　因此，永磁同步牽引電機與異步牽引電動機相比，可永磁同步電動機轉子剖面形狀造也很容易。脆性的磁鐵不在表面，結構很牢固。

　　鐵道機車動車的牽引電動機希望有牢固的結構，而且希望有效利用磁阻轉矩，這樣就可以使永久磁鐵產生的交鏈磁通足夠小（見4.1所述）。因此，可以說內埋磁鐵型轉子結構的永磁同步電動機是適宜用作鐵道機車動車牽引電動機的。

　　2.2永磁同步電動機的特點2.2.1效率高、體積小永磁同步電動機最大的特點就是效率高。效率可以用（輸人功率）-（損耗）/（輸人功率）來表示。永磁同步電動機的磁場不需要電流，從原理上講轉子不產生損耗。因此，電動機最大損耗即銅耗（電流產生的焦耳熱）約只有異步電動機的一半，效率比異步電動機大大提高。效率高，電能消耗少，使鐵路比以往更加節能，同時還可望降低電費。

　　此外，如后面所述，損耗越小，電動機的體積越小。這樣，使用永磁同步電動機可以做到體積小、功率大。因此，體積相同時，永磁同步電動機可以比異步電動機的功率大；功率相同時，永磁同步電動機可以比異步電動機的體積小。

　　2.2.2速度牽引力特性電傳動機車動車的速度牽弓丨力特性受牽引電動機轉速轉矩特性的制約。異步電動機和直流串勵電動機的轉矩在高速區與速度的平；5成反比減小，因此，電動車輛的速度牽引力特性通常在低速區是恒轉矩，中速區的轉矩與速度成反比減小，高速區的轉矩與速度的平方成反比減小。

　　另一方面，永磁同步電動機的基本特性可以用下面的式子來表示。

　　；永久磁鐵產生的交鏈磁通的最大值；Ld d軸電感；Lq q軸電感；r――轉矩；匕――端電壓；w―角頻率；――軸電流；――q軸電流。另外，不考慮定子線圈的電阻和鐵耗。

　　如所示，因永磁同步電動機為同步機，必須由與電動機旋轉同步的交流電源供電，因此采用1臺逆變器向1臺牽引電動機供電的獨立控制方式。

　　此外，永磁同步電動機即使沒有外部供電也會產生磁通，所以惰行時牽引電動機端子上也會產生電壓。

　　故而當逆變器出現相間短路等故障需把機車送回時，必須把逆變器與牽引電動機斷開為此在逆變器與牽引電動機之間設有接觸器（稱之為負載接觸器），可以斷開牽引電動機。

　　在實際應用永磁同步電動機時‘成本分析也很重要。

　　首先來考慮初始成本。永磁同步電動機的轉子比異步電動機的轉子結構簡單，批量生產時價格要低。但另一方面，永磁同步電動機必須采用獨立控制，與異步電動機采用集中控制時相比，逆變器價格較高。而且，采用永磁同步電動機時，逆變器與電動機之間必須有負荷接觸器，這一部分價格也高。

　　其次是運行成本。永磁同步電動機效率高，而且可以提高再生制動率，因此電能消耗比較少，電力成本可以減少。在現有的尺寸和重量條件下，全封閉式牽引電動機或直接傳動式牽引電動機都能夠實現，這樣就可以減少各種維修，節省人力。

　　歸結起來，與集中控制的異步電動機相比，永磁同步電動機的初始成本較高，但從運行成本來看，使用永磁同步電動機可望減少各種各樣的成本。因此，就成本而言，異步電動機和永磁同步電動機哪個較好尚不能一概而論。

　　3永磁同步電動機在鐵道機車動車上的應用3.1牽引電動機的小型輕量化牽引電動機在重量和尺寸方面限制比較嚴，與一般電動機相比小型輕量化的要求相當高。通常情況下，電動機輸出功率與尺寸存在下式的關系。

　　氣隙直徑（m）；―鐵心長度（m）；n―轉速（r/min）。；）提高磁性材料的性能；）提高轉速；）增加極數。

　　永磁同步電動機轉子不流過電流，故轉子基本上不產生熱量，而且勵磁電流很小，銅耗也小，效率高。因此，滿足上述第（3）條，可以做到小型輕量化。

　　例如，在開發與車輪一體化的牽引電動機時，對異步電動機和永磁電動機在相同的設計條件下進行了設計分析，結果表明永磁同步電動機的重量約為異步電動機的2/3，可以大幅度減重。

　　3.2直接驅動式永磁同步牽引電動機如上節所述，通過齒輪傳動裝置使牽引電動機高速運轉，可以使牽引電動機小型輕量化。因此，通常的牽引電動機是通過齒輪傳動裝置將動力傳遞給輪軸來驅動車輛的。但是，使用齒輪傳動裝置時，也會帶來傳遞損耗、噪聲和維修等問題。

　　采用直接驅動方式，不需要齒輪傳動裝置，這些問題就可以解決，但這時牽引電動機的體積會加大，導致簧下重量增加，對軌道的沖擊加大，給牽引電動機的沖擊會增大。因此，在重量和尺寸受到嚴格。限制的車體地板下要采用直接驅動方式是很困難的。

　　但是，永磁同步電動機與過去的直流電動機和異步電動機相比，其體積和重量可以大幅度減小，從而能夠在現有尺寸和重量條件下實現直接驅動。

　　因此，我們一直在開發直接驅動式永磁同步牽引電動機。直接驅動式牽引電動機的特點如表1所示。

　　表1直接服動式電動機的特點優點沒有需維修的齒輪傳動裝置不要安裝齒輪傳動裝置的空間沒有動力傳遞損耗（效率高）噪聲小缺點給牽引電動機的沖擊大總的來說轉速較小，重量較大轉向架簧下重量增大轉矩脈動直接傳給車輪對擬用于既有線通勤電動車組的樣機進行了裝車試驗，對車地板下牽引電動機附近的噪聲進行了測定，在速度64km/h時可降低14dB，大幅度降低了噪聲。此外，利用直接驅動式牽引電動機結構簡單的特點，除了可用于既有線通勤電動車組，還可用到軌距可變電動車組（）和低地板輕軌車輛上，今后希望在這方面也開展研究。

　　3.3全封閉式永磁同步牽引電動機鐵道機車動車牽引電動機要求體積小、功率大，通常采用通風冷卻方式。但冷卻風中含有塵埃，會污染牽引電動機內部，因此牽引電動機需要定期進行解體清掃。而且，既有線車輛牽引電動機多數是轉子與風扇直接相連的結構（自通風結構），高速運轉時風扇的噪聲很大。

　　如果采用全封閉式結構，塵埃不能進入牽引電動機里面，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，低噪聲牽引電動機的實現便有了可能。為此，對全封閉式牽引電動機進行了開發。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的限值以內。

　　采用效率高、發熱少的永磁同步電動機可以降低溫升。但全封閉牽引電動機是電機整體溫度升高，而軸承部分的溫升限值較低，因此必須防止該部分溫升過高。為此，我們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動機（），對軸承冷卻結構的效果和降噪效果進行了試驗確認。

　　全封閉牽引電動機樣機縱剖面圖結果表明，在與以往自通風異步牽引電動機相同的體積下，可以實現同樣功率的全封閉牽引電動機，高速運轉時全封閉電機的噪聲比往降低10dB左右。而且，這種全封閉牽引電動機與以前的電動機相比，輕量化和高效率同時得到了滿足。

　　4永磁同步電動機的有關問題4.1空載感應電壓即使外部不供給電源，永磁同步電動機的永久磁鐵也能使定子線圈產生交鏈磁通，惰性時牽引電動機端子上也能產生電壓。這種電壓被稱為空載感應電壓。由通常的電壓型逆變器驅動永磁同步電動永磁同步電動機在鐵道機車動車上的應用變流技術與電力牽引1/2003機時，空載感應電壓可能會帶來以下問題逆變器出現相間短路等故障時，電動機向故障點供電，產生短路電流，可能會擴大故障影響；）空載感應電壓的峰值若超過逆變器材元件的耐壓就會損壞元件；）如果空載感應電壓的峰值高于逆變器直流側電壓，則惰行時因與逆變器開關元件反并聯的二極管起整流回路的作用，就會產生再生制動。

　　就第（1）點而言，按2.2.3所述在牽引電動機和逆變器之間設置負載接觸器，故障時可將牽引電動機和逆變器斷開。

　　就第（2）點而言，可以使用耐壓相當高的元件，但這樣會使逆變器價格提高。也可以采取在牽引電動機中流過削弱磁場電流的方法，以使惰行時產生的電壓不太高，或者在惰行時用負載接觸器隔離牽引電動機。為確保十分可靠，必須使負載感應電壓比元件的耐壓足夠低。因此，永磁同步電動機在設計時必須使磁鐵產生的交鏈磁通盡可能小，由此而降低的磁鐵轉矩則用磁阻轉矩來補償，這是最現實的解決辦法。）點也與第（2）點一樣，要使永久磁鐵產生的交鏈磁通盡可能小，不足的轉矩用磁阻轉矩來補償，就可以解決問題。此外，隋行時也可以通過控制牽引電動機來使其不產生制動轉矩。

　　4.2層間短路層間短路是電機的故障之一。它是指定子線圈內的絕緣層因發熱等原因而損壞，導致線圈內的銅線間短路的現象。層間短路在異步電動機也會產生，但永磁同步電動機在發生層間短路后，當斷開故障電機回送運行時，永久磁鐵的磁通還能使線圈產生電動勢。由此會在層間短路的線圈上產生短路電流。

　　必須先弄清楚這種情況下的短路電流對牽引電動機的影響。

　　筆者特意使永磁同步電動機層間短路并進行了試驗，對層間短路時出現的現象進行了調查，得出了以下結論。）因層間短路而引起的電動機轉矩變化很小，約為額定轉矩的5%左右。

　　（2）在層間短路狀態下回送運行時，在一定速度（相當于70km/h）以下，層間短路引起的損傷不會發展、不會冒煙。但在一定速度以上，則短路時間內會熔斷。

　　因此，回送時為使電機不冒煙，列車速度必須抑制在一定的速度以下。或者與軸承粘死時一樣，用搬運車回送。這種層間短路故障實際上是非常罕見的現象，但在實際應用中必須了解上述方法，以便出現層間短路時進行處理。

　　4.3鐵粉的吸附永久磁鐵吸附鐵粉是眾所周知的現象。永磁同步電動機內部的磁力線通過方式與異步電動機基本相同，但一直能產生磁通這一點與異步電動機不同。

　　因此，鐵粉進入到永磁同步電動機里面后，有可能被吸附在牽引電動機里面。

　　為了分析鐵粉吸附后對電動機性能的影響，筆者使用強迫通風冷卻的外轉子永磁同步電動機，將鐵粉有意投進牽引電動機里面，在調查鐵粉吸附狀況的同時對牽引電動機性能的變化做了分析。

　　結果表明，鐵粉主要被吸附在轉子鐵心的端部（如所示）。被吸附的鐵粉可以減小永久磁鐵的有效交鏈磁通，但在電動機性能試驗中，沒有發現鐵粉吸附前后的電動機性能有大的變化，可確認雖有鐵粉附著，但對電動機性能的影響不大。

　　牽引電動機轉子內鐵粉附著點5結語鐵道機車動車的牽引電動機一直都追求小型輕量化。永磁同步電動機本質上是一種高效率的電機，又能做到小型輕量化，因此它無疑適宜用作鐵道機車車輛的牽引電動機。不僅如此，本質上高效率的永磁同步電動機，在能源和環境問題廣受關注的今天也是一種適應時代要求的電機。