永磁同步电动机在铁道机车动车上的应用

　　1前言铁道机车车辆的牵引电动机装在转向架上的空间受到限制，因此体积要小；列车的高速化又要求它重量轻、输出功率大。而且，电动机的转矩特性要求在启动时输出很大的转矩，并能在很宽的速度范围内运行，以及便于转矩控制。

　　直流电动机能满足这些要求，故多年来牵引电动机一直使用直流电动机。但是，随着电力电子技术的进步，VVVF逆变器控制的异步电动机也能满足这些要求。与直流电动机相比，异步电动机没有换向器，维修减少，同时可以做到小型轻量，因此新型电传动机车动车的牵引电动机基本上全部采用异步电动机。

　　现在，永磁同步电动机又引起了人们注意。它不仅与异步电动机同样具有的牵引电动机所需的特点，而且还可以比异步电动机的效率更高，体积和重量更小。本文首先介绍了永磁同步电动机的结构和特点，然后按永磁同步电动机适用于铁道机车动车的观点，重新分析用永磁同步电动机作为直接驱动式牵引电动机和全封闭牵引电动机中取得的成果，阐明了永磁同步牵引电动机应用的可能性。

　　2永磁同步电动机的结构和特点2.1永磁同步电动机的结构生磁场的同步电动机。按磁铁装在转子的方法可分为表面磁铁型和内埋磁铁型两种。永磁同步电动机的定子与异步电动机基本上相同，由叠压桂钢片构成的定子铁心和嵌在定子铁心槽内的定子线圈组成，线圈的连接是使通常的三相交流电源产生旋转磁场。

　　永磁同步电动机的转矩是由永久磁铁的磁场和定子线圈电流建立的磁场相互作用产生的，转子与采用三相交流电源供电的定子旋转磁场同步运转并产生转矩，这种转矩被称为磁铁转矩。此外，改变转子铁心的形状，还可望得到磁阻转矩。磁阻转矩是由转子磁性的凸极结构产生的，是由于在磁铁的磁极方向（该方向的坐标轴为d轴）和与该方向相移90.（电角度）的方向（在坐标中为q轴）上磁力线通过的难易程度不一样而产生的转矩。

　　简单来说，在定子线圈产生的旋转磁场中，转子的永久磁铁由于吸引和排斥而产生的力就是磁铁转矩；旋转磁场中转子上的磁铁被吸引而产生的转矩就是磁阻转矩。

　　是各种典型永磁同步电动机转子的垂直于转轴的剖面图。（a）和（b）称为表面磁铁型，顾名思义，其转子表面固定有永久磁铁。通常情况下，表面磁铁型永磁同步电动机在转子的外侧覆盖一层非磁性的结构材料，压住永久磁铁，以防止电机高速运转时表面磁铁飞出来。（a）结构的铁心形状没有凸极性，基本上不会产生磁阻转矩，只能产生磁铁转矩。（b）结构的铁心有凸极结构，因此还可以产生磁阻转矩。

　　（c）的结构是内埋磁铁型结构。顾名思义，其磁铁埋在铁心中间。

　　内埋磁铁型结构的铁心通常有磁性凸极性的形状，可以产生磁阻转矩。而且，内埋磁铁型结构简单，制角频率（rad/s）永磁同步电动机的电机常数与转矩特性下3种情况，/m为最大电流有效值x万。

　　这种情况意味着永久磁铁产生的磁通比定子产生的磁通要大。因此，在高速区磁铁产生的磁通较强，因磁通不能充分削弱，电压会过大，故存在输出限界速度。为此，高速区的输出功率会出现急剧下降。在这种电机常数关系时，必须使输出限界速度远大于最高速度。但另一方面，因电枢反应磁通小，功率因数较高，在逆变器容量相同的情况下，可以采用较大的最大输出功率。这是优点。

　　这种情况下输出限界速度理论上为无穷大。因此，高速区输出功率不会下降，恒功特性可以保持到最高速度。

　　这种情况意味着磁铁产生的磁通比定子产生的磁通小。磁铁的磁通可以用电枢磁通来抵消，因此，不存在输出限界速度，高速区的功率下降很小。但另一方面，功率因数比较低，在逆变器容量相同的情况下可输出的最大功率较小。

　　牵引电动机的调速范围要求很宽，高速时输出功率的下降宜小。而且，因逆变器的价格和重量是随逆变器容量的提高而提加。所以要求同一输出功率所需的逆变器容量要小。如后所述，在设计用作牵引电动机的永磁同步电动机时，因的值限制在一定的值以下，电机常数为（c）的情况较多。但在高速区，为了使一定的逆变器容量下输出功率最大，电机常数的设计宜尽可能接近（b）的特性。

　　-L，的值保持不变以使起动转矩的值保持一定，改变1和~值时，上述（a）~（c）3种情况下的转速转矩特性。牵引电动机按（b）的特性设计则会有以下优点。首先，因高速时的加速力提高，可望缩短运转时间。此外，还能提高高速时使用再生制动的比率，再生制动率提高意味着可以更加节能，而且，高速时再生制动率高可以减少机械制动的负担，从而减少维修。

　　因此，永磁同步牵引电机与异步牵引电动机相比，可永磁同步电动机转子剖面形状造也很容易。脆性的磁铁不在表面，结构很牢固。

　　铁道机车动车的牵引电动机希望有牢固的结构，而且希望有效利用磁阻转矩，这样就可以使永久磁铁产生的交链磁通足够小（见4.1所述）。因此，可以说内埋磁铁型转子结构的永磁同步电动机是适宜用作铁道机车动车牵引电动机的。

　　2.2永磁同步电动机的特点2.2.1效率高、体积小永磁同步电动机最大的特点就是效率高。效率可以用（输人功率）-（损耗）/（输人功率）来表示。永磁同步电动机的磁场不需要电流，从原理上讲转子不产生损耗。因此，电动机最大损耗即铜耗（电流产生的焦耳热）约只有异步电动机的一半，效率比异步电动机大大提高。效率高，电能消耗少，使铁路比以往更加节能，同时还可望降低电费。

　　此外，如后面所述，损耗越小，电动机的体积越小。这样，使用永磁同步电动机可以做到体积小、功率大。因此，体积相同时，永磁同步电动机可以比异步电动机的功率大；功率相同时，永磁同步电动机可以比异步电动机的体积小。

　　2.2.2速度牵引力特性电传动机车动车的速度牵弓丨力特性受牵引电动机转速转矩特性的制约。异步电动机和直流串励电动机的转矩在高速区与速度的平；5成反比减小，因此，电动车辆的速度牵引力特性通常在低速区是恒转矩，中速区的转矩与速度成反比减小，高速区的转矩与速度的平方成反比减小。

　　另一方面，永磁同步电动机的基本特性可以用下面的式子来表示。

　　；永久磁铁产生的交链磁通的最大值；Ld d轴电感；Lq q轴电感；r??转矩；匕??端电压；w?角频率；??轴电流；??q轴电流。另外，不考虑定子线圈的电阻和铁耗。

　　如所示，因永磁同步电动机为同步机，必须由与电动机旋转同步的交流电源供电，因此采用1台逆变器向1台牵引电动机供电的独立控制方式。

　　此外，永磁同步电动机即使没有外部供电也会产生磁通，所以惰行时牵引电动机端子上也会产生电压。

　　故而当逆变器出现相间短路等故障需把机车送回时，必须把逆变器与牵引电动机断开为此在逆变器与牵引电动机之间设有接触器（称之为负载接触器），可以断开牵引电动机。

　　在实际应用永磁同步电动机时‘成本分析也很重要。

　　首先来考虑初始成本。永磁同步电动机的转子比异步电动机的转子结构简单，批量生产时价格要低。但另一方面，永磁同步电动机必须采用独立控制，与异步电动机采用集中控制时相比，逆变器价格较高。而且，采用永磁同步电动机时，逆变器与电动机之间必须有负荷接触器，这一部分价格也高。

　　其次是运行成本。永磁同步电动机效率高，而且可以提高再生制动率，因此电能消耗比较少，电力成本可以减少。在现有的尺寸和重量条件下，全封闭式牵引电动机或直接传动式牵引电动机都能够实现，这样就可以减少各种维修，节省人力。

　　归结起来，与集中控制的异步电动机相比，永磁同步电动机的初始成本较高，但从运行成本来看，使用永磁同步电动机可望减少各种各样的成本。因此，就成本而言，异步电动机和永磁同步电动机哪个较好尚不能一概而论。

　　3永磁同步电动机在铁道机车动车上的应用3.1牵引电动机的小型轻量化牵引电动机在重量和尺寸方面限制比较严，与一般电动机相比小型轻量化的要求相当高。通常情况下，电动机输出功率与尺寸存在下式的关系。

　　气隙直径（m）；?铁心长度（m）；n?转速（r/min）。；）提高磁性材料的性能；）提高转速；）增加极数。

　　永磁同步电动机转子不流过电流，故转子基本上不产生热量，而且励磁电流很小，铜耗也小，效率高。因此，满足上述第（3）条，可以做到小型轻量化。

　　例如，在开发与车轮一体化的牵引电动机时，对异步电动机和永磁电动机在相同的设计条件下进行了设计分析，结果表明永磁同步电动机的重量约为异步电动机的2/3，可以大幅度减重。

　　3.2直接驱动式永磁同步牵引电动机如上节所述，通过齿轮传动装置使牵引电动机高速运转，可以使牵引电动机小型轻量化。因此，通常的牵引电动机是通过齿轮传动装置将动力传递给轮轴来驱动车辆的。但是，使用齿轮传动装置时，也会带来传递损耗、噪声和维修等问题。

　　采用直接驱动方式，不需要齿轮传动装置，这些问题就可以解决，但这时牵引电动机的体积会加大，导致簧下重量增加，对轨道的冲击加大，给牵引电动机的冲击会增大。因此，在重量和尺寸受到严格。限制的车体地板下要采用直接驱动方式是很困难的。

　　但是，永磁同步电动机与过去的直流电动机和异步电动机相比，其体积和重量可以大幅度减小，从而能够在现有尺寸和重量条件下实现直接驱动。

　　因此，我们一直在开发直接驱动式永磁同步牵引电动机。直接驱动式牵引电动机的特点如表1所示。

　　表1直接服动式电动机的特点优点没有需维修的齿轮传动装置不要安装齿轮传动装置的空间没有动力传递损耗（效率高）噪声小缺点给牵引电动机的冲击大总的来说转速较小，重量较大转向架簧下重量增大转矩脉动直接传给车轮对拟用于既有线通勤电动车组的样机进行了装车试验，对车地板下牵引电动机附近的噪声进行了测定，在速度64km/h时可降低14dB，大幅度降低了噪声。此外，利用直接驱动式牵引电动机结构简单的特点，除了可用于既有线通勤电动车组，还可用到轨距可变电动车组（）和低地板轻轨车辆上，今后希望在这方面也开展研究。

　　3.3全封闭式永磁同步牵引电动机铁道机车动车牵引电动机要求体积小、功率大，通常采用通风冷却方式。但冷却风中含有尘埃，会污染牵引电动机内部，因此牵引电动机需要定期进行解体清扫。而且，既有线车辆牵引电动机多数是转子与风扇直接相连的结构（自通风结构），高速运转时风扇的噪声很大。

　　如果采用全封闭式结构，尘埃不能进入牵引电动机里面，也就不需要解体电机进行清扫。同时，电机里面的噪声被隔离，低噪声牵引电动机的实现便有了可能。为此，对全封闭式牵引电动机进行了开发。但全封闭电机比通风冷却电机的冷却性能差。

　　因此全封闭电机要做到尺寸和性能与以往的电机相同，就必须采用发热较少的电机，并研究新的冷却结构，以使各部分的温升控制在规定的限值以内。

　　采用效率高、发热少的永磁同步电动机可以降低温升。但全封闭牵引电动机是电机整体温度升高，而轴承部分的温升限值较低，因此必须防止该部分温升过高。为此，我们对轴承周围的冷却结构进行了研究，试制了采用新轴承冷却结构的全封闭永磁同步电动机（），对轴承冷却结构的效果和降噪效果进行了试验确认。

　　全封闭牵引电动机样机纵剖面图结果表明，在与以往自通风异步牵引电动机相同的体积下，可以实现同样功率的全封闭牵引电动机，高速运转时全封闭电机的噪声比往降低10dB左右。而且，这种全封闭牵引电动机与以前的电动机相比，轻量化和高效率同时得到了满足。

　　4永磁同步电动机的有关问题4.1空载感应电压即使外部不供给电源，永磁同步电动机的永久磁铁也能使定子线圈产生交链磁通，惰性时牵引电动机端子上也能产生电压。这种电压被称为空载感应电压。由通常的电压型逆变器驱动永磁同步电动永磁同步电动机在铁道机车动车上的应用变流技术与电力牵引1/2003机时，空载感应电压可能会带来以下问题逆变器出现相间短路等故障时，电动机向故障点供电，产生短路电流，可能会扩大故障影响；）空载感应电压的峰值若超过逆变器材元件的耐压就会损坏元件；）如果空载感应电压的峰值高于逆变器直流侧电压，则惰行时因与逆变器开关元件反并联的二极管起整流回路的作用，就会产生再生制动。

　　就第（1）点而言，按2.2.3所述在牵引电动机和逆变器之间设置负载接触器，故障时可将牵引电动机和逆变器断开。

　　就第（2）点而言，可以使用耐压相当高的元件，但这样会使逆变器价格提高。也可以采取在牵引电动机中流过削弱磁场电流的方法，以使惰行时产生的电压不太高，或者在惰行时用负载接触器隔离牵引电动机。为确保十分可靠，必须使负载感应电压比元件的耐压足够低。因此，永磁同步电动机在设计时必须使磁铁产生的交链磁通尽可能小，由此而降低的磁铁转矩则用磁阻转矩来补偿，这是最现实的解决办法。）点也与第（2）点一样，要使永久磁铁产生的交链磁通尽可能小，不足的转矩用磁阻转矩来补偿，就可以解决问题。此外，隋行时也可以通过控制牵引电动机来使其不产生制动转矩。

　　4.2层间短路层间短路是电机的故障之一。它是指定子线圈内的绝缘层因发热等原因而损坏，导致线圈内的铜线间短路的现象。层间短路在异步电动机也会产生，但永磁同步电动机在发生层间短路后，当断开故障电机回送运行时，永久磁铁的磁通还能使线圈产生电动势。由此会在层间短路的线圈上产生短路电流。

　　必须先弄清楚这种情况下的短路电流对牵引电动机的影响。

　　笔者特意使永磁同步电动机层间短路并进行了试验，对层间短路时出现的现象进行了调查，得出了以下结论。）因层间短路而引起的电动机转矩变化很小，约为额定转矩的5%左右。

　　（2）在层间短路状态下回送运行时，在一定速度（相当于70km/h）以下，层间短路引起的损伤不会发展、不会冒烟。但在一定速度以上，则短路时间内会熔断。

　　因此，回送时为使电机不冒烟，列车速度必须抑制在一定的速度以下。或者与轴承粘死时一样，用搬运车回送。这种层间短路故障实际上是非常罕见的现象，但在实际应用中必须了解上述方法，以便出现层间短路时进行处理。

　　4.3铁粉的吸附永久磁铁吸附铁粉是众所周知的现象。永磁同步电动机内部的磁力线通过方式与异步电动机基本相同，但一直能产生磁通这一点与异步电动机不同。

　　因此，铁粉进入到永磁同步电动机里面后，有可能被吸附在牵引电动机里面。

　　为了分析铁粉吸附后对电动机性能的影响，笔者使用强迫通风冷却的外转子永磁同步电动机，将铁粉有意投进牵引电动机里面，在调查铁粉吸附状况的同时对牵引电动机性能的变化做了分析。

　　结果表明，铁粉主要被吸附在转子铁心的端部（如所示）。被吸附的铁粉可以减小永久磁铁的有效交链磁通，但在电动机性能试验中，没有发现铁粉吸附前后的电动机性能有大的变化，可确认虽有铁粉附着，但对电动机性能的影响不大。

　　牵引电动机转子内铁粉附着点5结语铁道机车动车的牵引电动机一直都追求小型轻量化。永磁同步电动机本质上是一种高效率的电机，又能做到小型轻量化，因此它无疑适宜用作铁道机车车辆的牵引电动机。不仅如此，本质上高效率的永磁同步电动机，在能源和环境问题广受关注的今天也是一种适应时代要求的电机。