稀土永磁直驱式电动旅游列车的实践浅析

黄军，王宝峰，陈延江，腾飞

(1.内蒙古科技大学，内蒙古包头 014010;2.包头联方高新技术有限责任公司，内蒙古包头 014010)

经过内蒙古科技大学、包头联方高新技术有限责任公司联合开发的稀土永磁直驱式电动旅游列车于2012年在内蒙古呼伦贝尔市“草原在这里”旅游区投入使用，这是我国在稀土永磁直驱方式在轨道运输方面的一次成功实践，也是将磷酸铁锂电池组在轨道运输上的一次有益的尝试。

1 项目简介

内蒙古呼伦贝尔市有我国现存最大最优良的天然牧场，也是我国著名的旅游区。在呼伦贝尔市的额尔古纳黑山头镇由当地旅游局投资的“草原在这里”旅游区占地若干平方公里。在不破坏自然环境下的，旅游区内部设施的交通问题显得十分重要。其设计的交通线路长6.7 km，线路最大坡道为6%坡度，最小转弯半径80 m。如果采用传统的公路，汽车的各种因素对当地优良的环境造成不良的影响，同时在草原中开发公路，土地占用量大，容易破坏景区的自然景观。经实地考察及汲取国内外旅游列车运营经验，采用了如图1所示方案:为了最大程度的保护当地自然环境，减小污染，采用在草原中打入水泥桩，在桩上铺枕木的轨道运输方案，这样可以减小对草原植被的破坏。本项目采用窄轨线路铺轨方案，由1辆车头牵引3辆拖车的运行方式，车辆额定载重为120人，如图2所示。牵引车辆采用4台电机、多轴驱动，由车载的锂电池组供电，电压为200 V，电机安装在2台转向架的4只车轴上。电机采用风冷自然冷却方式，电机绝缘等级为F级。

2 主要技术特点

2.1 轨道运输用稀土永磁电机的研制

图1 铺轨方式及游览栈道

图2 旅游列车编组

与传统的电励磁电机相比，稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠;体积小，质量轻;损耗小，效率高;电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。对于纯电动运输系统，电动机通过从电池中获取的有限的能量产生动能，要求其效率越高越好，同时，性能上应比一般工业用的电动机更优越。从日本、欧洲发展电动汽车所使用的电动机的对比情况看，稀土永磁电机是较好的选择［1－2］。

轨道交通稀土永磁牵引电机设计不同于一般电机，电机外形尺寸要尽可能小，要求在有限的空间尽量提高转矩密度，转矩波动较小，同时要保证电机长期稳定运行，防止永磁体失磁。

根据牵引特性要求，从节能和提高牵引性能入手，利用现代电机设计技术和电磁场及电路计算等手段，以最大牵引效率和最大牵引力系数等为优化目标，对本系统稀土永磁牵引电机的电磁参数和机械结构参数进行优化设计计算，得到了较好的稀土永磁牵引电机设计方案，所研制的稀土永磁牵引电机在额定工作范围内能达到较高效率和功率因数，电机转子及测试如图3所示。所设计的稀土永磁牵引电机主要技术参数如下:

额定电压:200 V

额定功率:15 kW

最大扭矩:500 N·m

最大转速:500 r

电机外形尺寸:直径300 mm，长度600 mm

2.2 动力分散驱动技术

由于“草原在这里”线路有超出了普通大铁路设计标准的大坡度，最大坡度达到6%，在采用了4台相同稀土永磁电机分散驱动，4台相同电机经过测试后，经防锈、防水处理，安装在车辆的2个转向架。在实际的运行过程中，4台电机的同步运行能力是实现动力分散驱动的核心。

4台电机作为车辆的驱动装置，按照操作人员指令，由控制系统指挥工作，4台电机可以在需要较大驱动力时，如起步，爬坡时，可同时启动提供动力，也可以2台一组启动，在不需要较大驱动力时，可单台运行。这种配置方案，既照顾到车辆运行时，需要尽可能大的动力配置，完成复杂路线的运行，也能保证在较低的运行负荷时，自动关闭部分动力消耗，达到节能降耗的目的。

图4给出了1个转向架上的2台电机同时工作时，电机在线路上运行过程中，车辆速度与电机工作电流。在车辆运行过程中，线路特点为:2%坡度下坡—3.3%坡度上坡—4%坡度下坡—4.14%坡度上坡。从图中看出，2台电机同时工作时，一致性与同步性非常好，即2台电机扭矩与输出功率一致，也反映了2台电机的工艺标准一致。其次2台电机同时运行，能够满足车辆爬坡要求，并有较高的功率储备。电机的加速性能平缓，保证了列车平稳运行。

2.3 直驱式牵引传动系统

作为普通的有轨运输，一般都采用“交流电动机+机械减速机构”的方式来驱动，简单适用且价格低廉。但是机械减速机构会带来不利影响，如齿轮箱等的油污泄漏、机械磨损及日常维护等，同时变速箱、传动机构等消耗了较多的能量。而且机械机构越复杂，可靠性越低。采用将电机与传动装置直接耦合方式、取代了机械减速机构，在系统性能和成本上具有更多的优势，它省去了以往齿轮传动装置，电动机的轴功率直接传给车轮，从而也就没有齿轮传动装置的维修保养、传动噪声以及传动损耗等问题，是一种先进的驱动方式。

图4 电机实际运行过程

图3 电机转子及电机测试图

目前国外从事轨道运输装备的公司如西门子、阿尔斯通、庞巴迪公司，都已着手研发被誉为第三代永磁同步电机(PMSM)直接驱动技术，在基本完成基础应用技术的研究和样机、样车的试验验证的基础上，已进入大规模工程和商业运作阶段［3］。国内南车株洲电力机车研究所有限公司于2008年完成了中国南车项目“铁道车辆传动系统用永磁同步电机控制技术研究”，针对额定功率100 kW，峰值功率150 kW永磁同步牵引完成了功能性试验研究。本项目着眼于这一先进驱动技术，将直驱式牵引传动系统应用本项目中，与车轮一体的牵引电机结构方式及安装位置如图5所示。

2.4 高性能磷酸铁锂电池组在牵引列车上的应用

磷酸铁锂电池组已经在电动大巴及其他车辆上有成熟的应用，由于草原线路的特殊性，采用常规的架线式供电或者内燃机式牵引列车，都存在一系列的问题，为此，将锂电池组技术应用到牵引列车上，是一种既保护草原生态环境又减少工程投资的最佳措施。

目前影响电动车辆商品化和实用化进程的关键因素是电动车辆的续驶里程和电池的使用性能(包括电池的充电时间、安全性、价格和使用寿命等)［4］。在选择电池的容量时，既要满足车辆的续驶里程的设计要求，又要考虑整车的空间结构和底盘承载能力。因为选择电池容量越大，电池组所贮存的电能越多，续驶里程相应延长，但电池组的重量也相应增加，整车的整备质量增加，导致行驶阻力也增加，反过来又影响车辆的续驶里程。本项目在考虑到经济性及旅游线路的运营特点后选用两组200 V，200 Ah的磷酸铁锂电池组。

由于锂电池在加热、过充/过放电流、振动、挤压等非正常使用条件下可能导致电池寿命缩短以致损坏，甚至会发生着火、爆炸等事件，因此安全性问题成为动力锂电池应用的主要制约因素。电源管理系统不仅要保证电池安全可靠的使用，而且要充分发挥电池的优越性能，起到电池与车辆管理系统以及驾驶者沟通的桥梁作用。

电源管理系统与动力电池紧密结合在一起，对电池的电压、电流、温度进行时刻检测，同时还进行漏电检测、热管理、电池均衡管理、报警提醒，计算剩余容量、放电功率，报告SOC(电池剩余电量)状态，还根据电池的电压电流及温度控制最大输出功率以获得最大行驶里程、以及控制充电机进行最佳电流的充电，通过CAN总线接口与车载总控制器、电机控制器、能量控制系统、车载显示系统等进行实时通讯［5－6］。这样通过电源管理系统，保证了列车的安全稳定运行，图6所示为两组磷酸铁锂电池组电源及电源管理系统。

3 系统集成

将稀土永磁电机、动力电池、运动机构、运行控制系统及其他功能装置等集成到车辆上，是项目的另一个重要的工作。为了保证项目的精益求精，寻找国内知名企业合作，利用其在机车制造方面的经验，保证该项目在技术应用上更加成熟、可靠性更高。

图5 与车轮一体的牵引电动机结构方式及实际图

图6 磷酸铁锂电池组电源及电池管理系统

电动旅游列车由1节头车与3节客车通过机械联接装置及相应的电气和空气管路完成联接。列车组包括有动力驱动与运动系统、空气制动及基础制动系统和电控系统。动力驱动与运动系统包括头车2套ZQD-I型动力转向架和被牵引客车的6套WXH-I型非动力转向架。制动系统包括TKS单独电控制动器、头车制动系统及客车制动系统。电气设备包括:磷酸铁锂电池组2组，稀土永磁牵引电机4台，电机控制器、PLC控制器、显示器、空压机、司控器、视频系统等。

本项目尝试通过成熟的无线局域网技术把相关的运控管理系统、实时监控系统、远程故障诊断系统连接起来，搭建起一个覆盖整个运输线路、能够随时跟踪定位，监控管理的可视化平台，为提高运输效率和服务水平提供有力保障。

［1］松冈孝(日).下一代牵引电动机:与车轮一体的牵引电动机［J］．电力牵引快报，1999(6):40－42．

［2］近藤稔(日).永磁同步电动机在铁道机车动车上的应用［J］．变流技术与电力牵引，2003(1):1 －5．

［3］许峻峰，李耘茏，许建平.永磁同步电机作为机车牵引电机的应用现状及前景［J］．铁道学报，2005，27(2):130－132．

［4］方佩敏．新型磷酸铁锂动力电池［J］．今日电子，2007(9):95－98.

［5］张杨.纯电动汽车用磷酸亚铁锂电池管理系统［D］.北京:北京交通大学，2009．

［6］何莉萍，赵曦，丁舟波，等.基于DSP的电动汽车电池管理系统的设计［J］．湖南大学学报(自然科学版)，2009，36(5):33－36．