试析永磁同步电机在机车上的应用范文

摘要：文章首先阐述了永磁同步电机的结构与特点，其次对其在机车上的具体应用进行探究，最后理性的分析了析永磁同步电机的发展前景。

关键词：永磁同步电机；机车；具体应用；前景分析

0引言

高速铁路快速发展对机车提出了越来越高的要求，体积小、重量轻、输出功率大、高启动转矩等已经演变成铁路行业发展的主要追求。随着电力电子技术的发展，机车电机经历了直流电机到异步电机的历程，而永磁材料价格的降低以及其性能的逐步完善，使得永磁同步电机的开发与研究越来越得到人们的关注。文章以永磁同步电机为论点，对其在电车上的具有应用做出分析。

1永磁同步电机的结构与特点

1.1结构

永磁同步电机是依靠安装在转子上的永久磁铁产生磁场的同步电动机，其主要由定子、转子、端盖等部件构成。定子和常见异步电动机大体相同，为叠压硅钢片组成的定子铁心与镶嵌于定子铁心槽中的定子线圈共同构成，通过三相交流电形成的旋转磁场将线圈连接。转子磁路部件为永磁同步电机和其他普通电机的主要差别，转子磁路结构对电动机的运转性能、控制系统、生产技术与应用场所等均产生影响。（a）是表面式永磁同步电机。该电机一般会将适量非磁性材料覆盖在转子外侧，盖住永久磁铁，进而避免电机高速运作过程中表面磁铁随之飞出的现象。电机的交直轴磁阻、电感数值基本无差异，转子惯量指标相对较小，铁心形状无凸极性，故此其只会形成永磁转矩但不会形成磁阻转矩。（b）是埋入式永磁同步电机。该类电机的交轴电感、磁导数值均低于直轴值，且其磁铁埋设在铁心内，铁心具备明显的凸极性，能够形成磁阻转矩。该类同步电机结构相对简单，制造工艺也不具备较高技术含量，强度低的磁铁不附着在表面，故此结构更具坚固性[2]。而机车电机恰恰对结构的坚固性、启动转矩提出明确要求，结合以上要求认为埋入式永磁同步电机更适合作机车电机。

1.2特点

永磁电机的显著特点在于其具有较高的功率因数和效率，损耗小，结构简单。①永磁电机具有低损耗、低温升。因为永磁同步电机不会像异步电机那样存在由感应电流造成转子在运行过程中产生较大的能量损耗，转子运行无电流，避免了无功电流的产生，显著降低电动机温升，在相同负载工况下温升降低20K以上；②永磁同步电动机具有较高的效率和功率因数，且功率因数与电动机级数无关，电动机满负载时功率因数接近1，这样相比异步电动机，其电动机电流更小，相应地电动机的定子铜耗更小，风磨耗小，效率也就更高。而异步电动机随着电动机级数的增加，功率因数越来越低；③永磁电机具有较好的运行指标。如果工作负荷不超过60%，异步电机的力能指标、功率因数、效率都会有所下降。永磁电机在25-120%的额定负载范围内，效率大于90%。如果仅有20%的负荷，永磁电机的力能指标也能够达到80%的满负荷水平，具有良好的节能功能。此外，永磁同步电动机还具有高启动转矩、启动时间较短、高过载能力等特点。而且由于效率和功率因数的提高，线路和系统的容量也可以得到减少，成本进行有效的控制。

2永磁同步电机在机车电机上的具体应用

2.1作为直接牵引电机

普通的牵引电机是在齿轮传动装备协助下，把动力传导至轮轴以驱动机车，这样能确保牵引电机运行的高速性，并促使牵引电机具备体积小、质量轻的优势特征，但是以上方法在运行过程中存在能源消耗量大、噪音大且维修成本高等问题。永磁同步电机和传统直流电机与异步电机相对比，具备极对数多，转矩密度高等特征，故此其质量与体积指标能明显降低，在现存规格尺寸和质量条件下实现直接驱动的目标会实现。正因如此，相关人员始终致力于直接驱动式永磁同步牵引电机的开发。对拟用在通勤电动车组的样机开展了装车试验，检测车地板下牵引电动机周边的噪音，发现在电机运行速度为64km/h时可使噪音有14dB的降幅，此外，应用直接驱动式牵引电动机结构简单的特征，不仅可被应用在通勤电动车组领域，还可尝试投运到轨距可变电动车组、地板轻轨车辆等领域中[3]。

2.2作为全封闭式永磁同步牵引电动机

铁路机车动车牵引电动机对体积、功率两大参数提出较高要求，正因如此，一般会应用通风冷却方式。但大量的实践及研究发现，冷却风内含有尘埃等杂质，其会对牵引电动机内部环境造成污染，故此过去经常会对牵引电动机进行解体并清扫处理。并且，现有车辆牵引电动机大部分是转子和风扇直接相连通的结构，即自通风结构，在快速运作的过程中风扇设备会形成较大噪音。若能应用全封闭式结构，不仅能有效预防灰尘进入牵引电动机内部的现象，也省去了解体电机进行清扫的操作环节。与此同时，电机内风扇运行过程中形成的噪音也被有效隔离，为牵引电动机低噪声的目标达成获得更大可能。而上述目标的实现绝非是一蹴而就的，需加强对全封闭式牵引电动机的开发工作。但全封闭电机和通风冷却电机相比较，在冷却性能方面不占优势地位。故此，在开发全封闭电机过程中，首先要确保规格尺寸、性能和普通电机间的一致性，就需要研发产热量较低的电机设备，同时研发新兴冷却结构，进而确保各零构件温度升高情况控制在限定的区间中。有研究发现，高效率、产热量低的永磁同步电动机，降温效果优良。全封闭式永磁同步牵引电动机在和过去自通风异步牵引电动机体积一致情况下，能够达到等同功率的全封闭牵引电动机，高速运行过程中全封闭电机形成的噪音和过去相比较有大概10dB的降低幅度。并且，该类全封闭式永磁同步电动机和常见电动机相比较，质量轻与运行效率的需求均得到满足。

3永磁同步电机的发展前景

为迎合高速铁路快速、持续发展的需求，机车电机的体积与质量参数应不断降低。永磁同步电机与异步电机相比较，在运行效率、体积等方面已经占据明显优势，这也是机车牵引电机未来发展不断加强的内容。与此同时，将永磁同步电机应用在机车上，还能借助其能耗低、噪音小等固有属性迎合能源发展与环境保护的社会需求[5]。然而，我们必须清晰的认识到，当下永磁同步电机在机车牵引电机上应用的相关研究缺乏深度性，日本、德国等发达国家在这一方面的研究取得一定成效。为确保我国技术研究和国际发展的同步性，给予永磁同步电机在机车牵引电机上的应用研究工作一定重视具有很大现实意义。

4结束语

铁路机车动车对牵引电动机始终追求小型、轻质。从本质上分析永磁同步电机为一类运行高效的电机，其又满足了质量轻、体积小的要求，故此其在铁路机动车辆的牵引电动机领域有广泛性应用也将是必然事实。在科学技术日新月异的时代中，永磁同步电机将会朝着更高效节能、机电一体化、电机专用化的方向发展，相关技术也将会日趋成熟与完善。

参考文献：

[1]李贵彬，李永东，郑泽东，等.改进同步SVM过调制在机车牵引永磁同步电机中的应用[J].高电压技术，2018，44（05）：1627-1634.

[2]王彬，李岩，詹哲军，等.特定次谐波消除法在地铁永磁系统中的应用研究[J].铁道机车与动车，2018（01）：4-5，17-20.

[3]李玉东，葛敬涛，易庚.矿用电机车无速度传感器控制变频驱动装置系统[J].控制工程，2016，23（09）：1412-1417.

[4]王宁，刘兴勇.基于抗负载扰动的永磁同步电机双滑模控制[J].大连海事大学学报，2016，42（02）：75-82.

[5]郑汉锋，许峻峰，张朝阳，等.永磁同步电机高速弱磁控制比较分析[J].机车电传动，2016（03）：5-9.

作者:齐春叶 单位:河北电机股份有限公司