永磁同步電機在機車上的運用范文

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摘要：文章首先闡述了永磁同步電機的結構與特點，其次對其在機車上的具體應用進行探究，最后理性的分析了析永磁同步電機的發展前景。

關鍵詞：永磁同步電機；機車；具體應用；前景分析

0引言

高速鐵路快速發展對機車提出了越來越高的要求，體積小、重量輕、輸出功率大、高啟動轉矩等已經演變成鐵路行業發展的主要追求。隨著電力電子技術的發展，機車電機經歷了直流電機到異步電機的歷程，而永磁材料價格的降低以及其性能的逐步完善，使得永磁同步電機的開發與研究越來越得到人們的關注。文章以永磁同步電機為論點，對其在電車上的具有應用做出分析。

1永磁同步電機的結構與特點

1.1結構

永磁同步電機是依靠安裝在轉子上的永久磁鐵產生磁場的同步電動機，其主要由定子、轉子、端蓋等部件構成。定子和常見異步電動機大體相同，為疊壓硅鋼片組成的定子鐵心與鑲嵌于定子鐵心槽中的定子線圈共同構成，通過三相交流電形成的旋轉磁場將線圈連接。轉子磁路部件為永磁同步電機和其他普通電機的主要差別，轉子磁路結構對電動機的運轉性能、控制系統、生產技術與應用場所等均產生影響。（a）是表面式永磁同步電機。該電機一般會將適量非磁性材料覆蓋在轉子外側，蓋住永久磁鐵，進而避免電機高速運作過程中表面磁鐵隨之飛出的現象。電機的交直軸磁阻、電感數值基本無差異，轉子慣量指標相對較小，鐵心形狀無凸極性，故此其只會形成永磁轉矩但不會形成磁阻轉矩。（b）是埋入式永磁同步電機。該類電機的交軸電感、磁導數值均低于直軸值，且其磁鐵埋設在鐵心內，鐵心具備明顯的凸極性，能夠形成磁阻轉矩。該類同步電機結構相對簡單，制造工藝也不具備較高技術含量，強度低的磁鐵不附著在表面，故此結構更具堅固性[2]。而機車電機恰恰對結構的堅固性、啟動轉矩提出明確要求，結合以上要求認為埋入式永磁同步電機更適合作機車電機。

1.2特點

永磁電機的顯著特點在于其具有較高的功率因數和效率，損耗小，結構簡單。①永磁電機具有低損耗、低溫升。因為永磁同步電機不會像異步電機那樣存在由感應電流造成轉子在運行過程中產生較大的能量損耗，轉子運行無電流，避免了無功電流的產生，顯著降低電動機溫升，在相同負載工況下溫升降低20K以上；②永磁同步電動機具有較高的效率和功率因數，且功率因數與電動機級數無關，電動機滿負載時功率因數接近1，這樣相比異步電動機，其電動機電流更小，相應地電動機的定子銅耗更小，風磨耗小，效率也就更高。而異步電動機隨著電動機級數的增加，功率因數越來越低；③永磁電機具有較好的運行指標。如果工作負荷不超過60%，異步電機的力能指標、功率因數、效率都會有所下降。永磁電機在25-120%的額定負載范圍內，效率大于90%。如果僅有20%的負荷，永磁電機的力能指標也能夠達到80%的滿負荷水平，具有良好的節能功能。此外，永磁同步電動機還具有高啟動轉矩、啟動時間較短、高過載能力等特點。而且由于效率和功率因數的提高，線路和系統的容量也可以得到減少，成本進行有效的控制。

2永磁同步電機在機車電機上的具體應用

2.1作為直接牽引電機

普通的牽引電機是在齒輪傳動裝備協助下，把動力傳導至輪軸以驅動機車，這樣能確保牽引電機運行的高速性，并促使牽引電機具備體積小、質量輕的優勢特征，但是以上方法在運行過程中存在能源消耗量大、噪音大且維修成本高等問題。永磁同步電機和傳統直流電機與異步電機相對比，具備極對數多，轉矩密度高等特征，故此其質量與體積指標能明顯降低，在現存規格尺寸和質量條件下實現直接驅動的目標會實現。正因如此，相關人員始終致力于直接驅動式永磁同步牽引電機的開發。對擬用在通勤電動車組的樣機開展了裝車試驗，檢測車地板下牽引電動機周邊的噪音，發現在電機運行速度為64km/h時可使噪音有14dB的降幅，此外，應用直接驅動式牽引電動機結構簡單的特征，不僅可被應用在通勤電動車組領域，還可嘗試投運到軌距可變電動車組、地板輕軌車輛等領域中[3]。

2.2作為全封閉式永磁同步牽引電動機

鐵路機車動車牽引電動機對體積、功率兩大參數提出較高要求，正因如此，一般會應用通風冷卻方式。但大量的實踐及研究發現，冷卻風內含有塵埃等雜質，其會對牽引電動機內部環境造成污染，故此過去經常會對牽引電動機進行解體并清掃處理。并且，現有車輛牽引電動機大部分是轉子和風扇直接相連通的結構，即自通風結構，在快速運作的過程中風扇設備會形成較大噪音。若能應用全封閉式結構，不僅能有效預防灰塵進入牽引電動機內部的現象，也省去了解體電機進行清掃的操作環節。與此同時，電機內風扇運行過程中形成的噪音也被有效隔離，為牽引電動機低噪聲的目標達成獲得更大可能。而上述目標的實現絕非是一蹴而就的，需加強對全封閉式牽引電動機的開發工作。但全封閉電機和通風冷卻電機相比較，在冷卻性能方面不占優勢地位。故此，在開發全封閉電機過程中，首先要確保規格尺寸、性能和普通電機間的一致性，就需要研發產熱量較低的電機設備，同時研發新興冷卻結構，進而確保各零構件溫度升高情況控制在限定的區間中。有研究發現，高效率、產熱量低的永磁同步電動機，降溫效果優良。全封閉式永磁同步牽引電動機在和過去自通風異步牽引電動機體積一致情況下，能夠達到等同功率的全封閉牽引電動機，高速運行過程中全封閉電機形成的噪音和過去相比較有大概10dB的降低幅度。并且，該類全封閉式永磁同步電動機和常見電動機相比較，質量輕與運行效率的需求均得到滿足。

3永磁同步電機的發展前景

為迎合高速鐵路快速、持續發展的需求，機車電機的體積與質量參數應不斷降低。永磁同步電機與異步電機相比較，在運行效率、體積等方面已經占據明顯優勢，這也是機車牽引電機未來發展不斷加強的內容。與此同時，將永磁同步電機應用在機車上，還能借助其能耗低、噪音小等固有屬性迎合能源發展與環境保護的社會需求[5]。然而，我們必須清晰的認識到，當下永磁同步電機在機車牽引電機上應用的相關研究缺乏深度性，日本、德國等發達國家在這一方面的研究取得一定成效。為確保我國技術研究和國際發展的同步性，給予永磁同步電機在機車牽引電機上的應用研究工作一定重視具有很大現實意義。

4結束語

鐵路機車動車對牽引電動機始終追求小型、輕質。從本質上分析永磁同步電機為一類運行高效的電機，其又滿足了質量輕、體積小的要求，故此其在鐵路機動車輛的牽引電動機領域有廣泛性應用也將是必然事實。在科學技術日新月異的時代中，永磁同步電機將會朝著更高效節能、機電一體化、電機專用化的方向發展，相關技術也將會日趨成熟與完善。

參考文獻：

[1]李貴彬，李永東，鄭澤東，等.改進同步SVM過調制在機車牽引永磁同步電機中的應用[J].高電壓技術，2018，44（05）：1627-1634.

[2]王彬，李巖，詹哲軍，等.特定次諧波消除法在地鐵永磁系統中的應用研究[J].鐵道機車與動車，2018（01）：4-5，17-20.

[3]李玉東，葛敬濤，易庚.礦用電機車無速度傳感器控制變頻驅動裝置系統[J].控制工程，2016，23（09）：1412-1417.

[4]王寧，劉興勇.基于抗負載擾動的永磁同步電機雙滑模控制[J].大連海事大學學報，2016，42（02）：75-82.

[5]鄭漢鋒，許峻峰，張朝陽，等.永磁同步電機高速弱磁控制比較分析[J].機車電傳動，2016（03）：5-9.

作者:齊春葉 單位:河北電機股份有限公司