铁路机车直驱牵引高效永磁电机关键技术研究

刘立东

（辽宁轨道交通职业学院，沈阳 110023）

铁路发展经历了直流电机到交流电机的过程。交流电机比直流电机结构简单、维修方便，但调速性能差，机车起动转矩偏小。由于交流电机具有直流电机没有的优越性，所以用三相交流异步电动机代替直流电机来牵引机车，并在铁路领域得到广泛的应用。与异步电动机相比，直驱牵引高效永磁电机具有总质量轻、损耗低、噪声低、可以解决轮轨侧磨和曲线波磨、降低曲线噪声等优势。但直驱牵引高效永磁电机也存在需要解决的关键问题。

1 直驱牵引高效永磁电机的特点

1.1 无冲击震动损耗少

齿轮传动的异步牵引电机的传递损耗大、噪声高、维修不方便，不适合在铁路机车上应用。而直驱的异步电动机的体积有所增加，导致簧下质量增加，加重了机车对轨道的冲击震动，同时也增加了牵引电机的机械磨耗。直驱牵引高效永磁电机则不存在冲击问题，也相应的降低了损耗和噪声。

1.2 体积小效率高

直驱牵引高效永磁电机比异步传动电机节省30%的体积，其中减少部分电机占比10%，齿轮箱占20%，同时，效率有所提高，直驱牵引高效永磁电机效率达96%，而异步传动系统效率为93%。牵引电机采用交流异步电机和永磁同步电机的效率曲线如图1所示。

图1 交流异步电机和永磁同步电机的效率曲线

1.3 噪声小

与通常的异步电机相比，电机噪声可由105dB降低到90dB。

2 直驱牵引高效永磁电机关键问题

2.1 分析与设计问题

需要对传统电机的结构设计方法做出针对性调整，由此带来一系列有待研究的科学问题。主要体现在：铁路机车直驱永磁同步电机在整体形状布置上发生重大变化，模态仿真特性也随之变化。由于形状的变化导致电机在径向激振力波的作用下的振动规律和噪声规律发生改变，所以需要重新进行电机的模态分析。相邻定子单元虽然实现机械解耦，但是端部仍然存在磁场耦合。

电机的电抗参数和性能与电机的耦合磁场有关。定子部分数学模型和多单元模块组合磁场耦合关系模型的建立问题，及其与控制方式的结合问题。

极端条件下电气和机械可靠性与寿命问题。电机的结构动力学分析、温度场和热应力分析、材料弹塑性蠕变对电机性能的影响等非线性问题的分析，所带来的学科交叉问题。

2.2 绕组特性分析与设计问题

由于绕组的跨距不相等，并且绕组采用反向嵌放方式，使得彼此相邻定子部分可以实现机械解耦，从而大大增强了电机装配和维护的灵活性，提高了电机系统的整体可靠性，但是同时也导致了绕组特性的改变。需要研究的科学问题主要体现在：绕组线圈采用不等跨距，是否需对传统谐波电势削弱方法进行修正，需要总结出一套非对称端部绕组电势谐波含量计算和抑制的方法。绕组跨距不等，并且反向嵌放会使电机轴向端部分磁场分布非常复杂，导致绕组终端部所受电磁力需要进行重新计算，并总结出规律，为电机绕组端部绑扎固定提供理论依据。三相绕组的端部不对称以及磁路结构变化对绕组自感、互感以及各种电抗参数的影响，以及电抗参数对电机性能的影响问题。研究不同绕组结构与定子单元模块数量和特性的关系，并找到绕组优化的设计方法。确定电机设计计算中与绕组相关的数据（短距、分布系数、每极每相槽数、相带等）。

2.3 一体化性能优化控制和冗余功率控制问题

根据实际负载的需要，实现系统性能与效率的最优化控制，提高系统的可靠性。需要研究的科学问题为：如何克服机械装备使用环境和运行工况的不确定性，从而建立基于人工智能化的系统控制模型，确定控制参数，使系统投入运行的定子单元与系统的负荷实现最佳匹配；多变量、非线性、强耦合系统的综合控制策略问题。

3 直驱牵引高效永磁电机关键问题解决办法

3.1 理论分析与设计技术

将电机定子设计成组合式，实现电机解耦，系统可以根据系统负荷的变化实现冗余功率的最优化控制。

3.2 电机结构的分析设计

低速大功率意味着大转矩，定子的巨大反作用力给机车直驱永磁同步电机的分析与设计提出了更加严格的要求。

3.3 多变量强耦合非线性时变系统的模糊变结构控制

大型装备，尤其是本课题主要研究的机车牵引推进系统，需要控制的变量多，且变量之间存在强耦合、非线性和时变等特点，因此，针对机车直驱永磁同步电机的控制，提出了满足不确定因素条件下的人工智能最优化控制问题。

4 结语

牵引机车采用高效的永磁直驱系统，传动效率高，省去了变速箱等中间传动环节，为大型牵引机车交流电机驱动制造开辟了一个全新的研究思路。同时，从系统最优化的角度出发，通过对系统冗余容量的最优化控制，使冗余容量变成系统的自身备用容量，不但提高整个系统的运行效率，也提高了运行的可靠性。