永磁同步电机在城际轨道交通应用可行性研究

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永磁同步电机在城际轨道交通应用可行性研究

何兴隆

（广东珠三角城际轨道交通有限公司，广东 广州 510308）

摘要：我国城际轨道交通建设规模持续扩大，在碳中和的大背景下，城际轨道交通日益增长的能源需求使城际轨道交通能耗问题愈加凸显，基于永磁同步电机的牵引传动系统有利于实现列车的高效节能。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比较，介绍了国内外轨道交通永磁同步牵引系统的发展现状，为城际轨道交通采用永磁同步电机这一节能新技术提供参考。

关键词：轨道交通；碳中和；永磁同步电机；牵引传动

何兴隆：永磁同步电机在轨道交通领域应用综述 1

1引 言

我国城际轨道交通、高速铁路建设规模持续扩大，截至2022年年末，我国铁路营业里程达到15.5万公里，同时动车保有量超过4000组[1]。在碳中和的大背景下，城际轨道交通日益增长的能源需求使城际轨道交通能耗问题愈加凸显，牵引传动系统是动车组实现机电能量转换的 “心脏”单元，其性能在某种程度上决定列车的动力品质、能耗和控制特性，也影响着列车的经济性、舒适性与可靠性，因而是节能升级的关键系统。

动车组列车采用交流传动系统,主要部件包括受电弓、牵引变压器、牵引变流器、牵引电机和齿轮传动等,其中牵引变流器由单相三电平脉冲整流器、中间直流电路、三电平逆变器、真空交流接触器等主电路设备以及牵引控制装置、控制电源等设备组成[2]。其中牵引电机采用三相鼠笼式异步电机，由定子、转子、轴承和通风系统组成,并采用转向架架悬的方式与车体连接。

世界轨道交通牵引系统的第一代是直流电机牵引系统，第二代是起步于 20 世纪 70 年代的交流异步电机牵引系统，也是当前的主流技术，而永磁同步牵引系统由于具有损耗低、效率高、启动特性好、加速能力强、噪声低等显著优势，代表了未来提倡节能减排、绿色环保的技术发展趋势，成为下一代牵引系统的发展方向。文章从轨道交通的角度将永磁同步电机与异步电机进行比较，并对国内外永磁同步电机在交通领域的应用现状进行了总结。

2永磁同步电机特点

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[3]。

（a） （b） （c）

图1 各种典型永磁同步电机转子垂直于转轴的截面图

各种典型永磁同步电机转子垂直于转轴的横截面图如图1所示。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[4]。

根据不同的系统方案和不同的牵引特性，目前轨道交通采用的永磁同步牵引电动机也具有不同的定、转子结构。转子结构有以Alstom AGV的永磁同步牵引电动机为代表的表面式结构，以Bombardier、日本公司、中国南车为代表的内置式结构；定子结构主要有集中绕组和分布绕组，目前大都使用的是分布绕组，集中绕组以Siemens的Syntegra直驱永磁同步牵引电动机为代表。相比于传统异步电机，永磁同步电机优点如下[5]：

1）功率因数高，效率高

与感应电动机相比,永磁同步电动机不需要无功励磁电流,可以显著提高功率因数(可达到1甚至容性), 减少了定子电流和定子电阻损耗,而且在稳定运行时没有转子电阻损耗,减小或去掉冷却风扇,使相应的风磨损耗减小,从而使效率比同规格的感应电机提高2~8个百分点。同时功率因数、效率的提高,可减少系统、线路的容量,减少系统成本。

2）启动转矩大，动态性能强

在需要大起动转矩的设备中, 可以用较小容量的永磁电机替代较大容量的感应电机,较好地解决了“大马拉小车”的现象, 节省了设备的投入费用,提高了系统的运行效能；永磁同步电动机通过改变功角即可改变电磁转矩，与感应电动机相比，具有更快的动态响应能力。

3）力能指标好

感应电机在的60%负荷下工作时，效率下降15%，功率因数下降30%，力能指标下降40%，而永磁电机在25%~125%的额定负载范围内工作时，均可保持较高的效率和功率因数，当只有20%负荷时,

其力能指标仍为满负荷的80%以上,使轻载运行时的节能效果更为显著。

4）温升低，功率密度高，耗材少

转子无电阻损耗,定子绕组几乎不存在无功电流,因而电机温升低，同等体积、重量的永磁电机功率可提高30%左右，同功率大小的永磁牵引电动机体积、重量、所用材料均可减少30%，突出了永磁牵引电机的成本优势。

5）可实现无齿轮箱的直接传动

解决了齿轮传动带来的传递损耗、噪声和维修等问题；可减轻车辆总体重量并提高传动效率，实现牵引系统的节能；给转向架的设计提供更多自由的空间，提高车辆的经济性和动力学性能。

6）作为全封闭牵引电机

采用新的冷却结构以后，当体积和功率相同时，全封闭牵引电机的噪声更低，能防止灰尘异物进入牵引电机内部，减少清扫维护工作，并同时实现了轻量化和高效率运行，相比较于自通风异步牵引电机其优势明显。

3轨道交通永磁同步牵引系统特点

轨道交通永磁牵引系统由永磁电机、牵引变流器和控制系统组成，其特殊性主要体现在永磁体励磁和同步性。采用永磁体励磁，相比于异步电机，其转子上不会产生励磁电流，故而不会产生励磁损耗，因此降低了转子损耗，具备高效率、高功率密度、高功率因数等优点，相比同规格异步牵引电机，额定效率提高 3%~5%，全工况下节能效果更加明显；同步性是指永磁电机不存在转差，转子转速与定子频率严格成正比关系。由于不同轮对对应的永磁同步牵引电机的定子供电频率有可能不一致 [6]（即需考虑不同轮对有可能轮径不一致情况），所以不同的永磁同步牵引电机不能采用同一个逆变模块供电，即不能采用异步牵引永磁牵引技术系统中的车控或架控的群控模式，必须采用 1 个逆变模块驱动 1 台永磁同步牵引电机的轴控模式[7]，基于目前CRH系列动车组的4M4T的动力单元配置模式，系统框图如图2所示。

图 2 牵引传动系统原理图

因为永磁电机牵引系统具有上述特点，所以能够节能降耗、减少维护量、降低系统生命周期成本、提高乘客舒适度等。高效、低能耗的永磁牵引系统是当前重要发展方向，所以目前国内外从事轨道交通车辆研发的公司纷纷开展永磁牵引技术研究。

4国内外发展现状

4.1国外发展现状

国外，以法国阿尔斯通、德国西门子、日本东芝等公司为代表的轨道交通装备制造企业竞相开展永磁同步电机牵引系统的研究，都已完成样机的开发和试验考核，逐步进入工程化和商业化应用阶段 [8]。

以日本为例，从 2001 年至今，已有大量日本东芝永磁同步电机（PMSM）在日本国内的地铁、城际动车组、调车机车领域大批量应用；2015 年，日本东芝获新加坡地铁改造成永磁地铁技术订单；2018 年7月31日，韩国釜山地铁1号线采用日本东芝永磁地铁牵引系统并进入商业运营。

法国阿尔斯通公司分别为低地板轻轨车辆 Citadis 和改进型单层 AGV 高速动车组开发了120 kW和 720 kW全封闭永磁同步电机。采用永磁同步牵引系统的Citadis型低地板轻轨车辆已于 2004年在荷兰得到了应用；2011年装有永磁同步电机牵引系统的高速列车在意大利投入商业运营；2018年7月16日，法国国家铁路公司已订购100列下一代超高速TGV列车，据了解该列车采用永磁牵引系统，预计于2033年交付完毕。

德国西门子公司开发了集合永磁同步牵引电机的创新型直驱转向架。该转向架的轴间距为 1.6 m，而传统转向架的轴间距为 2.5 m。西门子公司曾联合达姆斯达特大学以 ICE3高速列车的要求和技术规格为基础，开发了抱轴式直接驱动永磁同步牵引电机，并制造了2台500 kW的试验样机。线路运行试验表明，与同功率的异步牵引电机相比，永磁同步牵引电机的损坏率可以降低50%、质量减小30%、噪声降低15 dB。2018年6月西门子公司发布了基于永磁电机牵引系统的 elaro Novo列车，其电机牵引功率提升10%、电制动功率提升70%、效率提升5%、线路试验综合节能30%，预计2023年投运。

4.2国内发展现状

国内以株洲所为代表，突破了永磁电机牵引系统关键技术并建立了完整的产品开发平台，取得了一定的应用业绩。

株洲南车时代电气股份有限公司于2008年完成了中国南车项目“铁道车辆传动系统用永磁同步电机控制技术研究”，针对100 kW PMSM完成了功能性试验研究。2009年针对200 kW永磁同步牵引系统，完成了系统方案设计、PMSM样机生产和试验平台的搭建，为永磁同步牵引系统的研究奠定了基础。

在城市轨道交通领域，株洲所在 2010 年进行地面试验研究，通过多轮样机的试制，成功掌握了地铁车辆永磁同步牵引电机的设计方法，验证了控制策略和故障保护策略；在 2011 年，在完成装车样机地面组合试验的基础上，在沈阳地铁 2 号线完成了 7 000 km 的 AW0 空载和 AW3 负载的现场装车试验，在2015年，在长沙地铁1号线实现装车试验，在2016年进入载客运营阶段，2018

年，长沙地铁实测节能35%，同年北京8号线载客运营。

在高速铁路领域，株洲所在2011至2013年进行600kW永磁电机的设计、实验与改造，在2014 年完成高速永磁动车组的装车[9]；在 2018 年高速永磁动车组完成 30 万 km 考核，即将载客运营。统计数据表明，高速永磁电机牵引系统与异步牵引系统相比，百公里人均能耗降低 11.7%。

5结 论

轨道交通永磁电机牵引系统技术已经成熟，国外永磁同步牵引系统已开始商业化，且最新列车都选择永磁电机牵引系统。我国经过多年技术积累和试验验证，攻克了关键技术，开始步入商业批量应用阶段。随着新材料与新结构发展，永磁同步电机不断向更轻量化、更高性价比的方向发展，随着新传动方式系统及机电一体化发展，将彻底释放永磁驱动的潜力，进一步提升效率，促进永磁同步电机在轨道交通领域的进一步应用，应重视和关注这一新型节能技术在城际列车中的推广应用。

参考文献:

[1]发展和改革部. 中国国家铁路集团有限公司2022年统计公报[N]. 人民铁道,2023-03-17(002).

[2]张曙光. CRH2型动车组[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2008.

[3]T.Klockow ,王渤洪 .永久磁铁励磁的牵引电动机[J].变流技术与电力牵引,2003(04):37-39+44.

[4]冯江华.轨道交通永磁同步牵引系统的发展概况及应用挑战［J］. 大功率变流技术，2012(3)：1-7.

[5]唐任远 . 现代永磁电机［M］. 北京：机械工业出版社，1997： 234-258.

[6]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.

[7]陈致初，李益丰，符敏利 . 永磁同步牵引电动机的特殊性［J］.大功率变流技术，2012(3)：25-30

[8]冯江华.高速动车组永磁同步牵引系统的研制[J].机车电传动,2016,No.251(04):1-5.

[9]郭淑英 . 永磁同步传动系统现状与应用［J］. 机车电传动， 2014(3)：1-5.