转向架永磁同步电机直接驱动技术在国内外的发展概述

张 江，钟文生，刘高坤

（西南交通大学 牵引动力国家重点实验室机车车辆研究所，四川成都610031）

转向架永磁同步电机直接驱动技术在国内外的发展概述

张 江，钟文生，刘高坤

（西南交通大学 牵引动力国家重点实验室机车车辆研究所，四川成都610031）

介绍了国内外转向架直接驱动（直驱）技术的发展情况，重点从转向架直驱结构和永磁同步电机技术两方面进行分析。同时分析了转向架直驱技术的优缺点及其未来的发展趋势，为国内转向架直驱技术的发展提供参考。

转向架；直接驱动；概述；永磁同步电机

传统的转向架驱动系统含有传动齿轮箱和联轴器，这样不仅降低了传动效率还增加了转向架的自重，不利于转向架的轻量化设计。同时牵引电机采用异步感应交流电机或直流电机，而异步感应交流电机效率相对较低发热严重，这就需要采用强迫风冷装置，从而增加了电机的体积。为了解决传统转向架驱动系统的不足，近二十年来，在国外出现了一股发展转向架直接驱动技术的潮流。转向架直接驱动技术是指舍弃传统转向架上电机和轮对之间的传动部件，直接将牵引电机输出的力矩或力传递给轮对或构架的一种传动技术。直接驱动技术按是否需要借助轮轨间的黏着力可分为黏着驱动和非黏着驱动，黏着驱动指列车的前进要借助轮轨间的黏着力；非黏着驱动指将牵引电机产生的力直接传递给车体或构架，不需要借助轮轨间的黏着力，该种结构主要指采用直线电机的驱动结构。若按牵引电机的类型分，可分为异步感应电机结构的直驱结构、永磁同步电机的直驱结构。

1 转向架永磁直驱的结构形式

转向架永磁直驱结构形式［1］主要有3种（如图1）：轮对驱动、两轮同步驱动和两轮单独驱动。

2 转向架永磁直驱技术在国内外的运用

2.1 转向架永磁直驱技术在德国的发展

德国是永磁直驱系统这一领域发展较早的国家，其技术相对成熟，发展对象主要是针对高速机车和动车组。

1997年和1998年德国铁路公司委托不伦瑞克技术大学和Starnbeng磁性电机公司按照ICE3的技术标准分别设计了无源转子式横向磁通永磁电动机TFSM和有源转子式PMSM两种方案，并将两种直驱电机安装到ICE3原型车上进行了线路试验［2］（表1是TFSM、 PMSM、IM的试验结果）。该直驱结构是德国下一代城际高速动车开发的动力系统，机车速度为（330±10%）km/h，牵引电机启动牵引力达到了18.7 k N。

图1 永磁直驱结构形式截面图

另外，在BR152型机车技术的基础上，西门子公司还研制了采用非弹性和弹性悬挂（如图2）方式的永磁同步电动机直接驱动装置［3］，并在班贝克—福希海线上进行了多次线路运行试验。其中采用非弹性悬挂直接驱动的FD64型机车试验的最高速度达到了120 km/h，并取得了良好的效果。其牵引电机采用全封闭结构并且将泵和循环水冷却器的冷却循环回路与牵引逆变器的冷却循环回路集成在一起，使结构更紧凑。

表1 TFSM、PMSM、IM的试验结果

图2 弹性悬挂直驱装置示意图

近年来，西门子开发了新一代城轨车辆，它采用了西门子公司的最新永磁直驱转向架Syntegra［4-6］（如图3），其永磁直驱电机为全封闭、水冷电机，转子采用表面式永磁铁安装方式，极对数为12，额定功率150 k W，总效率97%，与同功率的感应牵引电机相比噪声可降低15 dB，体积减少30%，效率提高3%。2007年夏天该转向架装在德国慕尼黑的地铁车上进行长时间的线路试运营，以了解该转向架的各项综合性能，2008年8月正式投入载客试运行。

图3 Syntegra转向架总体图

Syntegra转向架具有以下特点：转向架轴重14 t，轴距为1.6 m，使其更容易通过小半径曲线；构架侧梁与横梁采用铰接结构（如图2），转向架扭转刚度小，适应线路不平顺能力强；构架受力状态简单，尤其是侧梁基本只受垂向载荷作用；转向架质量轻、空间尺寸小；一系悬挂采用对称钢圆弹簧加减振器，主要提供垂向刚度和阻尼；一系悬挂的横向和纵向采用三角拉杆定位（如图4）；轴箱采用内置结构，将轴箱与永磁电机结构一体化（如图5），简化转向架结构；集构架、永磁直驱电机和制动装置于一体；安全制动采用电制动取代传统的机械摩擦制动。

图4 Syntegra的轴箱三角拉杆

图5 Syntegra电机轴箱一体结构

2.2 永磁直驱技术在法国的发展

法国的永磁直驱系统已经进入商业运营阶段，主要用在新一代的低地板轻轨车辆的Ixege动力转向架上，采用的是轮毂电机方式的直驱技术。下一步的发展方向将围绕如何将永磁直驱技术成功应用到高速动车组上。2004年法国Alstom公司为低地板车辆Citadis开发了120 k W全封闭永磁同步牵引电机。

Citadis型轻轨车辆是Alstom在轨道交通领域里的一个非常重要产品，在欧洲地区占有相当大的市场份额，该系列轻轨已经累计销售了1 500列以上，分别运行在全世界的40多个城市中。其永磁直驱传动则是近十年来才开发出来的，用于最新的低地板车辆转向架Ixege（如图6）。该转向架采用独立车轮结构，电机采用轮毂电机。第一批装有该转向架的轻轨车辆已用于伊斯坦布尔，共36列。阿尔斯通的Citadis Dualis和Citadis Compact train型轻轨车辆也使用Ixege转向架。

2.3 永磁直驱技术在日本的发展

从20世纪90年代开始，日本对直接驱动式牵引电机的研究一直未停，迄今为止已进行了多次试制。RMT系列永磁直驱电机是其直驱技术发展的核心部分。

图6 Ixege动力转向架

1993年日本铁道综合技术研究所（RTRI）以窄轨高速列车NEXT250为目标（该型列车为低地板独立旋转轮结构），试制了第一台RMT1型直接驱动式永磁同步电机样机，安装于独立旋转车轮转向架.该转向架轴箱采用内置结构，牵引电机直接位于车轮的外侧，为外转子型电机，直接驱动车轮，车轮直径仅为600 mm。与具有同等性能的直接驱动式异步电动机相比，其质量减轻了35%，而效率提高了2.7%，功率因数增加了20%，但该型永磁直驱电机并没有达到预期的效果。

接着又研制了3种型号的永磁电机［7］，其参数和应用场合如表2所示，该系列电机的试验为日本的永磁直驱技术的发展提供不少的技术资料，为后期的发展奠定了基础。

表2 RMT3、5、7参数表

1998年，一列安装有可变轨距永磁电机RM T17（如图7）三辆编组的高速列车在美国的普韦布洛山口进行了线路试验，试验速度在200 km/h左右，累计走行60万km.试验结束后又在日本新干线和既有线路之间进行了大量线路试验。

1999年东日本铁路公司（JR）开始开发AC（Advanced Commuter）Train电动车组，使其满足21世纪对市郊轨道车辆的要求（其主要目标是降低成本及全寿命维修费用，满足13年免维护性能）。日本铁道综合技术研究所为其开发了3种直驱式PMSM，分别是RMT8外转子型结构鼠笼异步电动机（水冷），RMT9外转子型结构永磁同步电机（自冷），RMT11内转子型结构永磁同步电机（自冷）（如图8）。这3种直驱结构如表3所示。经过综合评定，将RMT11［8］永磁直驱结构定型为东日本铁路公司下一代的通勤电动车组的驱动系统。2002年将其搭载在商业运行的103系电动车组上进行了大约20万km的运行试验，试验取得了很好的效果。

图7 可变轨距轮对结构

表3 RMT8、RMT9、RMT11 3种直驱结构

图8 RMT11内转子弹性悬挂结构示意图

ACTrain电动车组转向架的主要特点：采用铰接式转向架，其铰接式转向架又开发了两种分别为4点支撑式和2点支撑式结构；采用了永磁直驱技术，其动轴数目减少25%，黏着质量明显提高；电机内转子通过橡胶抱在车轴上，使转向架的簧下质量大大减轻，从而减小轮轨间的动作用力，进而使转向架的动力学性能得到改善；该转向架的轴箱采用外置式结构，增大车轮之间的空间，使牵引电机的结构得到改善。

东芝公司的永磁同步直驱转向架已经运用在东京地铁的千代田线、丸之内线、银座线。同时也获得了新加坡铁路运营商SMRT公司的订单，用于升级新加坡捷运系统的两大通勤线路，首期两列车将于2015年交付，并进行1～2年的线路试运营。

2.4 SKODA低地板轻轨车辆永磁直驱系统

SKOD公司开发的Skoda15T（也称为Skoda Forcity）采用了永磁直驱技术［9］，该轻轨车辆属于100%低地板车辆，其中间转向架采用雅克比转向架，车端采用心盘式转向架，车辆采用模块化设计，3辆或5辆编组。目前该车运营在捷克共和国的布拉格和拉脱维亚的里加。如图9，转向架采用独立旋转车轮结构，弹性车轮，4个车轮单独驱动方式，采用永磁同步电机直驱技术，电机采用内转子结构，定子与转向架构架相连接。基础制动装置包括轮盘制动、再生制动、电阻制动、磁轨制动。

图9 转向架结构

2.5 永磁直驱技术在国内的发展

转向架永磁直驱技术在国内刚处于起步阶段，目前通过带齿轮箱的永磁电机传动系统已经用于商业运营，在未来的很长一段时间将着手研制永磁直驱技术的工程运用。

2013年中国北车集团青岛四方车辆研究所有限公司与斯柯达运输公司签署了一份10年的合同，中国北车集团青岛四方车辆研究所有限公司将生产400列斯柯达运输公司的Skoda Forcity型轻轨列车。

3 转向架永磁直驱技术的特点

3.1 转向架直驱结构的优点

3.1.1 从转向架角度

采用永磁直驱技术的转向架有以下优点：转向架可采用小直径车轮（600～910 mm），有利于降低车体地板高度；去掉了减速齿轮及联轴器，这样就减轻了转向架自重；避免了漏油给环境带来的影响，提高了传动效率；避免了齿轮传动产生的噪声；可将牵引与制动整合到一起，使得转向架的基础制动系统可以大大简化；可以根据具体应用场合做成不同的结构形式，增大了转向架设计的灵活性；轴箱可以内置也可以外置；转向架不易产生蛇行运动；降低了通过曲线时产生的噪声，为采用独立车轮方式提供了可能；轮对径向调节变得更加灵活，从而解决轮轨侧磨、曲线波磨、轮重减载脱轨、曲线噪声等问题。

3.1.2 从电机的角度

（1）高功率因数、高效率。研究表明永磁同步电机在25%～120%额定负载范围内均可以保持较高的功率因数和效率，使其在轻载运行和长时间运行中节能效果显著。

（2）由于电机应用永久磁铁，提高了电机的传动效率，同时电机发热较少，可取消电机的冷却风扇系统，这样电机的体积就可以减小，也消除了风扇高速旋转带来的噪声。电机也可做成全封闭结构，这样牵引电机可以做到免维护，提高了电机的可靠性。

（3）结构多样化（电机可以做成内转子也可做成外转子结构；根据电机的质量可使电机做成弹性悬挂或刚性悬挂等）。具有以下特点：转速相对较平稳、过载能力强、转矩密度大、再生制动能力强。

3.2 转向架直驱结构的缺点

（1）转向架的簧下质量相对较大（刚性悬挂）。轨道的振动将直接传递给牵引电机，使牵引电机受到的冲击增大。

（2）转矩脉动将直接传递给车轮，从而导致车辆的黏滑振动。

（3）每个牵引电机需要一套牵引逆变器系统，这样就会增加转向架开发的一次性投入，现在一套牵引逆变器给多个永磁同步电机供电的方案还在论证中，但一套牵引逆变器给一台电机供电也带来它的好处，这样一来同台转向架的前后车轮的轮径就可以不一样，从而给旋轮带来更大的灵活性。

4 结束语

通过综合分析，转向架永磁直驱技术在国外已经取得了显著的发展，尤其是在城市轨道交通车辆方面，接下来的目标是如何将该技术更好运用于高速动车组和机车上。我国永磁直驱技术在轨道车辆上的应用还处于一片空白，近十年来只做了相关的基础研究。考虑到我国的具体国情，转向架永磁直驱技术在我国有着广阔的运用前景，一旦该技术被成熟应用，其带来的经济和生态效应将非常可观。

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［2］ Klockow T.永久磁铁励磁的牵引电动机［J］.变流技术与电力牵引，2003，（4）：37-39.

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［4］ A.Jockel.新型转向架Syntegra［J］.国外机车车辆工艺，2008，（6）：28-32.

［5］ 王渤洪.创新的直接传动动力转向架Syntegra［J］.机车电传动，2007，（2）：44-51.

［6］ J.Germishuizen，A.Jöckel.SyntegraTM-Next Generation Traction Drive System，Total Integration of Traction，Bogie and Braking Technology［J］.SPEEDAM，2006，（6）：23-27.

［7］ 松岡孝一.主電動機をめぐる新技術［R］.東京都：鉄道総合技術研究所，1999.

［8］ 冯江华.轨道交通永磁同步牵引系统研究［J］.机车电传动，2010，（5）：15-21.

［9］ 刘可安.城市轨道交通永磁同步牵引系统［J］.铁路技术创新，2011，（5）：11-15.

General Description of the Development of the Direct-Drive Technology of Permanent Magnet Synchronous Motor of Bogie at Home and Abroad

ZH ANG Jiang，ZHONG Wensheng，LIU Gaokun
（State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China）

In this paper，the development of the direct-drive technology of bogie at home and abroad is introduced，focusing on the analysis of the direct-drive structures of bogie and the technology of the permanent magnet synchronous motor.Meanwhile，the advantages and disadvantages of the technology of the direct-drive of bogie and its future developing trends are analyzed to provide a reference for the development of the domestic direct-drive technology.

direct-drive；bogie；review；permanent magnet synchronous motor

U264.8

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.20

1008－7842（2014）03－0079－05

�）男，硕士生（

2013－10－17）