永磁牵引电机在轨道交通车辆的应用与发展

李莹+黄康

摘 要：描述了永磁牵引电机的技术优势及对于轨道交通车辆的意义，介绍了当前国内外的技术现状，然后讲述了永磁电机牵引系统的技术特点并分析了与异步牵引电机相比的性能优势，最后展望了永磁牵引电机的发展趋势。

关键词：永磁；牵引电机；轨道交通车辆；能耗

中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）10-0086-01

1 永磁牵引电机

电机是机电能量交换的装置，而能量的交换都是通过电机定子磁场与转子磁场交互作用进行的，因此磁场是电机进行机电能量交换的核心。根据电机励磁方式的不同，可以将电机分为永磁体励磁电机（简称永磁电机）与电励磁电机。19世纪初，法拉第发明的世界上第一台电机就是永磁电机，但当时采用的永磁材料是铁磁材料，磁能积不高，很快被后来居上的电励磁电机所取代。

进入20世纪后半叶，随着磁能积高、矫顽力强的稀土永磁材料的发展，永磁电机又逐渐回到了大家的视野。尤其是钕铁硼材料的发展与应用，有效降低了稀土永磁材料的成本，使得稀土永磁电机开始在工业与民用领域大规模应用，促进了永磁电机的长足发展。永磁牵引电机是当前轨道交通牵引系统技术研究的热点，是业界公认的下一代牵引电机发展方向。

2 国内外技术现状

（1）国外技术发展现状。法国阿尔斯通分别为低地板轻轨车辆和AGV高速动车组开发了120kW和720kW全封闭永磁同步电机。装有2个转向架的永磁同步牵引系统在2007年帮助阿尔斯通创造了574.8km/h的世界铁路第一速[1]。庞巴迪装有永磁同步电机牵引系统的车辆已在瑞典的Stockholm与Vasteras之间运行，采用MTRAC自通风永磁同步电机，额定效率可达97.1%，相比异步电机提高3.5%。德国西门子为地铁列车开发了直驱式永磁牵引电机，取消传动齿轮箱，帮助转向架将轴距由2.5m降低至1.6m，系统效率提高3%，噪声减低15dB。（2）国内技术发展现状。在国内，中国中车从2003年开始永磁电机牵引系统的基础研究工作，十余年来先后攻克了永磁电机牵引系统的关键技术与工艺，同时建立了永磁电机牵引系统仿真平台、设计平台与试验平台。2011年，中车在沈阳地铁2号线成功实现了永磁电机牵引系统在轨道交通车辆的首次装车应用，并完成了载客运营里程60000公里。2014年，中车承担国家863计划项目开发的高速动车组永磁牵引系统成功实现装车应用。永磁牵引电机额定效率达到98.2%，功率密度超过1kW/kg。2015年，中车开发的120kW永磁电机牵引系统在低地板车上成功应用，电机采用强迫水循环冷却，额定效率达96%，体积小的优势有力解决了低地板车转向架空间紧张的难题。2016年，中车在长沙地铁1号线成功装车应用一整列车永磁同步牵引系统，完成载客运营考核5万公里后通过了中国城市轨道交通协会组织的专家评审，同意在地铁领域开始批量应用。

3 永磁电机牵引系统的技术特点

永磁牵引电机的独特性给牵引系统的设计带来了新的挑战。与异步电机牽引系统相比，永磁牵引系统技术具有其独特性[2]。一方面，永磁牵引电机为同步电机，其必须采用轴控供电方式，而异步牵引电机可以采用车控或架控等群控供电方式。轴控供电方式大幅增加了电力电子开关数量，但也在故障冗余性、粘着利用等方面带来了优势。通过合理地选择元器件，轴控供电方式并不会明显增加成本。另一方面，永磁牵引电机转子采用永磁体励磁，系统故障时无法通过封锁逆变脉冲关断牵引电机反电势，因此逆变器与牵引电机之间需要设置隔离接触器，用来在系统故障时隔离永磁牵引电机反电势以避免影响系统。

4 技术优势对比分析

与异步牵引电机相比，永磁牵引电机应用于轨道交通车辆上的技术优势主要体现在高功率密度、低能耗与低噪声等方面[3]。

（1）功率密度对比。根据现有应用项目对比分析（见表1所示），在高速动车组、地铁车辆、低地板车与跨座式单轨车几个领域永磁牵引电机均体现了高功率密度的显著优势。

（2）能耗对比。永磁牵引电机效率高，不仅在牵引工况时能耗更低，电制动工况时再生能量也更高，综合的总能耗节能效果更为显著。表2所示为长沙地铁1号线永磁牵引电机考核时的实测能耗数据，永磁牵引电机的列车总能耗相比异步牵引电机降低30%，对于轨道交通行业节能减排意义重大。

（3）噪声对比。永磁牵引电机采用全封闭冷却结构，可以有效降低电机的电磁噪声，对于降低牵引电机低转速的噪声、提高站台乘客舒适度有显著效果。长沙地铁1号线永磁牵引电机与异步牵引电机的噪声对比测试结果如：一、在定速测试中，永磁牵引电机的平均噪声值比异步牵引电机低，其中0～1900r/min平均降低6.3dB（A），0～3686r/min平均降低2.7dB（A）。二、在模拟实际升速过程中，永磁牵引电机平均噪声值相较异步牵引电机降低7.4dB（A）。

5 结语

近年来，雾霾天气严重困扰着我国北方广大地区，广泛影响着群众的健康状况。雾霾的成因目前基本明确，大多数地区主要由工业燃煤产生的污染气体如二氧化硫等造成的。我国70%以上的电力是火电，每年发电需要消耗煤炭近20亿吨，对环境影响巨大。轨道交通是电力消耗大户，将永磁牵引电机应用于轨道交通车辆可有效降低牵引能耗，实现节能减排。据测算，一列地铁列车采用永磁牵引电机每天可以减少排放3000公斤二氧化碳与10公斤二氧化硫。永磁牵引电机采用的永磁材料主要为钐钴或钕铁硼等稀土材料，我国是世界上稀土材料储藏的第一大国，丰富的稀土资源使得我国非常适合永磁牵引电机的发展与应用。

综上，我国应当积极推动永磁牵引电机在轨道交通车辆的批量应用推广，加快轨道交通行业节能减排技术的发展。

参考文献

[1]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.

[2]晏才松，张奕黄，曹君慈.地铁用变频调速永磁同步电机不同磁极结构的性能分析[J].黑龙江大学工程学报，2012（4）：105-111.

[3]刘雄，陈文光，许峻峰，等.地铁永磁直驱牵引系统优化策略与仿真分析[J].机车电传动，2016（03）：24-27.