永磁同步电机在铁道牵引领域中的应用

荆海涛，袁 闯

（1.本钢浦项冷轧薄板有限责任公司，辽宁 本溪 117021；2.济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东 济南 250306）

永磁同步电机在铁道牵引领域中的应用

荆海涛1，袁 闯2

（1.本钢浦项冷轧薄板有限责任公司，辽宁 本溪 117021；2.济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东 济南 250306）

尽管牵引变流器控制的三相异步电机的交流传动系统已经广泛地应用于铁道牵引领域，但近年来，由于永磁材料的迅速发展，永磁同步电机在铁道牵引领域竞争力明显上升，具有良好的应用前景。本文从铁道牵引的观点出发，对永磁同步电机和异步牵引电机进行技术比较，介绍国内外有关研发直接驱动式和全封闭式永磁电动机的概况，分析永磁同步电机在铁路牵引应用中的发展前景及面临的主要问题。

永磁同步电机；PMSM；铁道牵引；应用

永磁同步电机是靠装在转子上的永久磁铁产生磁场的同步电动机。它也由定子、转子和端盖等部件构成。定子与普通异步电动机基本相同，是由叠压硅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，线圈的连接是使三相交流电产生旋转磁场。转子磁路结构是永磁同步电动机与其他电机的主要区别。转子磁路结构不同，电动机的运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合也不同。

如图1所示为各种典型永磁同步电机转子垂直于转轴的横截面图。图1a、b为永磁体固定在转子表面的表面磁电机。图1a中电机铁心横截面没有凸起，产生永磁转矩，但没有磁阻转矩。而图1b电机由于铁心的凸起结构，所以产生了磁阻转矩。图1c永磁体陷于铁心中的电机即为内埋磁铁型永磁电机，磁路结构的不对称性产生了磁阻转矩。内埋磁铁型永磁电机转子内的永磁体受到保护，不像表面式永磁电机那样需要保护层；且内埋磁铁型永磁电机结构简单、鲁棒性高、造价低。采用内埋磁铁型永磁电机能有效利用磁阻转矩，可以使高速旋转时永磁体产生的链接磁链和感应电压最小。因此，可以说内埋磁铁型转子结构的永磁同步电机适宜用作铁道机车的牵引电机。

图1 各种典型永磁同步电机转子垂直于转轴的截面图

1 永磁电机特点

由于永磁同步电机不像异步电机那样存在由感应电流引起的转子损耗，所以其最大特点是高效、小型、轻量化。例如，在开发与车轮一体化的牵引电机时，对异步电机和永磁同步电机在相同设计条件下进行了设计分析，结果如表1所示。可以看出，永磁同步电机的质量约为异步电机的2/3，而且效率和功率因数也都高于异步电机。

用永磁同步电机实现无传动齿轮箱的直接传动系统，可避免齿轮箱带来的费用、损耗、维修量、噪声等问题；又由于电机损耗少，比较容易实现全封闭自冷，就取消了内部通风且不需要更换润滑油，可望得到维护少且环保的效果。

表1 与车轮一体的牵引电机中异步电机和永磁同步电机比较

2 永磁电机控制

2.1 永磁同步电机的控制

2.1.1 永磁同步电机数学模型

将A、B、C坐标系变换到与转子同步旋转的d、q坐标系，可得永磁同步电机的电压、磁链和电磁转矩方程：

式中：ud、uq——分别为d、q轴的电机电压；

ψd、ψq——分别为d、q轴电机磁链；

id、iq——分别为d、q轴的电机电流；

R1——电机定子电阻；

Ld、Lq——分别为定子的d、q轴电感；

Lmd——定转子间的d轴互感；、

if——永磁体的等效励磁电流，单位A，当不考虑温度对永磁体性能的影响时，其值为一常数，且if=，ψf为永磁体产生的磁链，可由求得，e0为空载反电动势，其值为每相绕组反电动势有效值的3倍，即 e0=3E0；

Tem——电机电磁转矩；

P——电机极对数。

可以看出，从三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系后，d、q轴的电压方程等号右侧由电阻压降、脉动电动势和旋转电动势构成，其物理意义与异步电机相同。转矩方程的第一项是转子励磁绕组磁动势和定子电枢反应磁动势的转矩分量相互作用产生的电磁转矩；第二项是（Ld-Lq）idiq是由凸极效应造成的磁阻变化在电枢反应磁动势作用下产生的磁阻转矩。

3 永磁电机在铁道牵引领域中应用效果

随着电力电子器件的不断发展，铁道机车动车牵引电机要求体积小、功率大，通常采用通风冷却方式。但冷却风中含有尘埃，会污染牵引电机内部，因此牵引电机需要定期进行解体清扫。而且，既有线车辆的牵引电机多数是转子与风扇直接相连的结构（自通风结构），高速运转时风扇噪声很大。

如果采用全封闭结构，尘埃就不能进入牵引电机里面，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，可实现低噪声牵引电机。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限值以内。

采用效率高、发热小的永磁同步电机可降低温升。但全封闭牵引电机使电机整体温度升高，而轴承部分的温升限值较低，所以必须防止该部分温升过高。为此，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机。对轴承冷却结构的效果和降噪效果的试验结果表明，在与以往自通风异步牵引电机相同的体积下，可实现同功率的全封闭牵引电机，高速运转时噪声可降低10dB左右。而且，与以前的电机相比，同时又满足了轻量化和高效率要求。

4 结语

永磁同步电机固有的高效、紧凑结构和轻量化使得它很适合于铁路牵引，尤其当前节能和环保已成为社会关注的问题。有关永磁同步电机做为铁道牵引电机的研究正在深入开展，相信有关永磁同步电机的研究结果将有助于促进它在铁路牵引中的应用。

[1]松冈孝一（日）.下一代牵引电动机[J].电力牵引快报，1999，（6）：40-421.

[2]松友真哉，等（日）.确定永磁电机电源电压的优化设计法[J].变流技术与电力牵引，2003，（5）：12-161.

[3]Tiklockow，等.永久磁铁励磁的牵引电动机[J].变流技术与电力牵引，2003，（4）：37-391.

Application of permanent magnet synchronous motorto driving railway traction domain

JING Haitao1,YUAN Chuang2
（1.BX Steel Posco Cold Rolled Sheet Co.,Ltd.,Benxi 117021,Liaoning China;2.Jinan Foundry&Metalforming Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Jinan 250306,Shandong China）

From the viewpoint of railway traction,the technical comparison between permanent magnet synchronous motor and asynchronous traction motor has been conducted.The domestic and overseasoverview of direct drive type and full closed permanent magnet motor has been introduced.The application development prospect and main problems of permanent magnet synchronous motor to the railway traction has been analyzed.

Permanent magnet synchronous motor;Railway traction;Application

U260112；TM351

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.03.016

1672-0121（2017）03-0061-02

2016-12-20；

2017-02-16

荆海涛（1983-），男，从事板材制造及管理等工作。E-mail：jinghaitao@bxposco.com.cn