顷恒博 解京晶 刘妍
中车永济电机有限公司 山西运城 044500
西安中车永电捷力风能有限公司 陕西西安710000
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摘要：永磁电机直驱系统使用“永磁直驱变频电动机”替代传统的机械传动系统，减少了减速器、液力耦合器等设备，直接驱动生产机械，使传动系统结构简化，提高了机械效率，降低能耗，系统可靠性增强。
关键词：铁路机车牵引；永磁电机；应用研究
引言
牵引传动技术是铁路机车车辆核心技术之一，是推动铁路移动装备技术发展的基础，是衡量一个国家机车车辆技术水平的重要指标。从蒸汽机车、内燃机车、直流传动机车、交流传动机车发展历程，牵引传动方式以高效、节能，安全、可靠为方向，每次改变都给铁路带来革命性的变化。
1永磁直驱变频电机基本原理
永磁直驱电动机与三相异步电动机结构基本相同，只是将异步机定子的三相对称绕组用汝铁硼永磁体（常用的N35SH、N38UH）替代，依靠定子线圈在气隙中产生旋转磁场与转子上永磁体的相互作用，带动转子同步旋转。根据负载的额定转速来确定电机的级对数，通过控制变频器的磁通矢量来控制永磁直驱电机启动转速，从而实现永磁直驱电机低转速、高转矩特性，利用这个特性来取代传统中间机械的传动作用，提高机械传动效率、消除转差损耗、减小启动电流，起到节能降耗的效果。
2永磁电机的关键技术
2.1放退磁技术
永磁电机的核心是永磁体，如果永磁体失去了磁性，永磁电机也就失去了作用。在现实生活中，永磁电机的运转时间较长，产生的冲击电流较强，在多次的电流冲击下，永磁体很可能就会出现退磁。另外，永磁电机运行时温度会不断上升，高温可能会导致电机短路，这就又增加了永磁体退磁的风险。因此，在永磁电机的设计中，设计者就要注重永磁体的磁性问题，防止永磁体出现退磁现象。永磁电机的设计者要注重电机磁场的研究，多次校对永磁电机的退磁曲线，确保永磁电机在高温状态下也能够正常运转。此外，设计者要注重电机材料的选择，要选择耐高温的永磁体，同时要多次测试永磁体的磁性，确认磁性始终保持在稳定状态。
2.2反电动势校核技术
永磁电机的电能是通过永磁体旋转产生的动能转化而成的，不需要外部供给电能。在永磁体的高速旋转中，永磁电机的定子绕组会产生非常大的反电动势，一旦反电动势超出永磁电机的承受极限，那么永磁电机的元件就会损坏。另外，较高的反电动势会给电机的合闸带来难题，尤其是当永磁电机发生短路时，反电动势会加速电机的运转速度，从而让电机损坏的更加严重。因此，在永磁电机的设计中，设计者要校核反电动势，制定出多种设计方案。根据不同的铁路干线，来选取不同的设计方案，保证永磁电机的使用效率。例如城市干线铁路机车就应该选用反电动势较低的设计方案，这样能够有效的减少电机的弱磁电流，保证电机的性能。
3牵引技术展望
3.1碳化硅（ＳｉＣ）器件
一代器件决定一代控制，电力电子领域的控制围绕着开关器件展开，从大功率硅二极管、普通可控硅、快速可控硅、门极可关断晶闸管（ＧＴＯ）到现在广泛运用的绝缘栅极晶体管（ＩＧＢＴ），新一代功率变换器采用碳化硅（ＳｉＣ）器件已成为供应商研发的重点，ＳｉＣ器件的应用对变流领域将带来革命性的改变，其具有低损失、高温动作的特征，具备提高开关频率的能力，是代替ＩＧＢＴ的关键器件，将这种器件应用在铁道车辆的主电路系统，可降低牵引变流器和电机损耗，并实现整个主电路系统节能化、轻量化。ＳｉＣ器件作为最新一代宽禁带半导体器件的典型代表，近５年来从材料特性、芯片工艺、封装技术等多方面取得重大进步，已经逐步在工业、新能源以及轨道交通领域推广应用。日本在ＳｉＣ器件应用领域走在前列，２０１２年２月小田急电铁公司研发适应于ＤＣ ７５０Ｖ／６００Ｖ供电制式的系统，在世界上首次将混合型ＳｉＣ器件装车投入了商业运行。在日本１０００系电动车组的性能试验中，以全ＳｉＣ器件代替原ＧＴＯ器件的牵引变流器，对新旧系统进行了耗电量对比测试，装用全ＳｉＣ器件的更新车比既有车在牵引状态下耗电量降低６．８％左右。日本新型车辆Ｎ７００Ｓ使用ＳｉＣ器件后，牵引系统实现了小型化和轻量化。虽然ＳｉＣ器件在牵引系统轻量化、节能方面具有明显的优势，但其开关频率高，在驱动方面针对器件过电压、过电流等保护，桥臂高频串扰抑制，死区效应补偿等需要重点关注。
3.2永磁电机技术
永磁电机由安装在转子上的永磁体励磁，转子磁场因受定子磁场磁拉力作用而随定子旋转磁场同步旋转，根据其结构特点具有以下优点：（１）永磁电机效率及能耗异步电机由转子绕组励磁，存在转子铜耗，转子铜耗约占总损耗１／３，而永磁电机由永磁体励磁，无转子鼠笼铜耗，同时其功率因数高，定子电流较小，降低定子铜耗，因此永磁电机总损耗较异步电机减少４０％～５０％。永磁电机在全速度范围效率均高于异步电机，在轻载或低速时效率更突出，在地铁等需要频繁起停运用场合效果比较明显，根据测试结果，沈阳地铁节能率达到１０％。（２）永磁电机噪声永磁电机由于其结构的特殊性，在降噪方面具有独特的优势。由于永磁转子表面不开槽，由齿槽效应带来的电磁噪声相比异步电机小，同时永磁电机采用全封闭结构，对噪声有一定的屏蔽作用，阿尔斯通研发的Ｃｉｔａｄｉｓ型低地板轻轨车辆采用全封闭永磁同步电机，噪声降低了３～７ｄＢ。（３）永磁电机功率密度随着永磁体磁能积不断提升，永磁电机功率密度得到提高，由于永磁电机转子不产生电流，电机损耗小，电机可以设计的更紧凑，四方永磁动车组永磁电机功率密度比其生产的ＣＲＨ３８０Ａ异步电机能量密度提升约１８％。在同等尺寸和质量的条件下，永磁同步电机可以实现更大的转矩，因此可以实现直接驱动，省去了齿轮箱。（４）永磁电机可维护性全封闭电机设计免除了定期解体清扫电机内部的维护工作。从上世纪９０年代开始，国外学者开展永磁同步系统的理论研究，探索永磁同步牵引系统在轨道交通车辆上应用的可能性。２０００年后陆续在轨道交通上进行试验及商业应用。法国ＡＬＳＴＯＭ公司研发装有永磁同步电机的ＡＧＶ高速列车于２０１１年在意大利投入运用，其电动机的单位功率质量达１ｋｇ／ｋＷ，而之前生产的"欧洲之星"列车的异步电机的单位功率质量为１．２３ｋｇ／ｋＷ。
结语
高速铁路机车的发展需要质量更轻、体积更小、效率更高的牵引电机，因此设计者要不断优化永磁电机的内部结构，让永磁电机满足高速铁路的发展需求。在定子结构设计方面，设计者不仅要重新设计定子结构，还要不断提升定子的转速，只有这样做，永磁电机的性能才会有所提升。在电机控制技术方面，设计者要注意永磁体的失磁问题以及电机材料的不稳定问题，使用合适的电机控制技术，研究智能化的电机控制系统，设置合理的控制参数，保证电机的正常运转。永磁电机是一种新型的电机，相对于异步电机来说，它的工作效率更高，质量更轻，而且能够提供稳定的电流，是铁路牵引电机的重要发展方向。我国要加强对永磁电机的研究，开发出适合我国铁路机车的永磁电机，以此来促进铁路行业的发展。
参考文献
[1]刘荣强,周国聘,姬春霞.永磁电机在铁路机车牵引领域的应用[J].内燃机车,2018(05):19-22+5.
[2]赵晓谦.永磁同步牵引电动机在铁路机车中的应用[J].机车车辆工艺,2014(06):1-3.
[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,2015(02):130-132.