徐 强
南车青岛四方股份有限公司，山东青岛 266000
1 永磁同步电机的结构及其特点
永磁同步电机工作的核心部分是永久磁场，该磁场由磁铁产生。电动机主要由三个部分组成，分别是定子、转子以及端盖。同步电动机中的定子与异步电动机的工作原理是相似的，定子主要包括铁心和线圈两个部分。线圈的转动是产生磁场的根本原因，线圈的高速旋转使得三相交流电的应用成为可能。转子的基本结构分转子铁芯，轴，永磁体。同步电动机区别于一般电动机的主要部分是永磁体，永磁体位于转子中，不同永磁体的结构差异很大，导致市场上各种电动机在性能、控制系统以及应用范围方面也有比较大的差异。永磁电机的特点是只要转子旋转，那幺它会在定子叠片组中和转子磁钢保护套里产生与速度有关的涡流。速度越高，涡流越大，从而产生大量的热。如果该热量不能快速散发，就会导致磁钢保护套的温度急剧升高。使永磁体内部结构发生变化，从而导致永磁体退磁，影响永磁电机的性能。另外，逆变器供电存在谐波电流，其高次谐波电流产生的高次谐波磁场会在永磁体内产生涡流损耗，如果温度超过最高工作温度将产生退磁。为此要充分考虑电机的散热问题，合理的设计电机的定子槽型，尽量减少合成磁场的谐波，逆变器设计与控制要考虑减少谐波电流[2]。同时，合理设计通风散热系统，以便达到快速散热的要求。
2 轨道交通永磁同步牵引电机研究应用
永磁同步电机相对异步电机而言具有效率高、功率因数高、体积小、重量轻、可实现直接驱动、可实现全封闭结构、噪音低、维修量小等的优点，已成为高速铁路和城市轨道车辆牵引电机又一个新的发展方向[3]。国外在这方面的研究与应用上已取得了可喜的成果例如：
1）阿尔斯通分别为低地板车辆和AGV高速动车组开发了120kW和720kW全封闭永磁同步牵引电机。 AGV高速动车组达到速度360km/h ，永磁同步牵引电机，全封闭自冷却方式， 转子磁钢为表面式安装，采用齿轮传动，极对数6，功率质量比0.99，总效率97%，最大转速4 500r/min，接触网电压3 000V。 装有两个AGV转向架的永磁同步牵引系统帮助阿尔斯通创造了574.8km/h的世界铁路第一速。Citadis型低地板轻轨车辆，永磁同步牵引电机，全封闭自冷却方式， 转子磁钢为表面式安装，采用齿轮传动，极对数4，功率质量比1，总效率96%，最大转速3600r/min，接触网电压600V。Citadis于2004年投入运营。与同功率的感应牵引电机相比效率提高3%～4%，噪声级降3dB～7dB，体积减少30%，质量少30%；2）庞巴迪开发的自通风永磁同步电机，持续功率302kW，重量550kg，系统效率满载时可达97.1%， 2008年夏在瑞典线路上装车试验，效率比感应电机提高了3.5%，300 km/h时的牵引力为感应电机的2.65倍，电机噪声低，245 km/h时为65dB(A)；3）西门子开发的城轨车辆将转向架、永磁电机和制动装置集合一体的新型转向架Syntegra，采用直驱式永磁同步牵引传动系统，全封闭、水冷、转子磁钢表面式安装的永磁同步电机，极对数12，额定功率150kW，总效率97%，与同功率的感应牵引电机相比噪声可降低15dB，体积减少30%，效率提高3%；4）日本东芝基于实现360km/h运营速度的大功率化，牵引系统的小型化、低噪声化和低寿命周期成本的理念，为新干线开发了下一代具有永磁同步牵引系统的E954/E955系列机车。永磁同步牵引电机全封闭自冷却方式，转子磁钢为表面式安装，采用齿轮传动，极对数6，电机功率355kW，功率质量比0.81，总效率97%，最大转速4 500r/min。于2005年6月下线。东芝开发的AC系列车，直接传动式永磁牵引电机，全封闭自冷方式，电机功率160kW，总效率95%，从2002年开始，搭载在商业运行。其针对地铁车辆开发了全封闭永磁同步牵引电机，相比异步牵引电机可节能10%，噪音可降低2dB～6dB；5）在中国南车株洲时代研究所以沈阳地铁（二号线）牵引系统为目标，立项研制地铁用JD155型永磁牵引电机，转子为内置式磁路结构，自冷却方式，极对数8，电机功率190kW，总效率96.3%，最大转速3 686r/min。于2011年6月完成装车样机研制和地面试验。浙大为南车四方永磁高速列车（速度350km/h）研制了永磁同步牵引电机，强迫风冷却方式， 转子磁铁为内置式安装， 采用齿轮传动，极对数4，电机功率600kW，功率质量比大于1，电机效率97.7%，最大转速5 800r/min。
3 结论
高速铁路和城市轨道的发展需要牵引电机的体积进一步减小，质量进一步减轻。永磁同步电机相对异步电机而言具有效率高、功率因数高、体积小、重量轻、可实现直接驱动、可实现全封闭结构、噪音低、维修量小等的优点，已成为高速铁路和城市轨道车辆牵引电机又一个新的发展方向。随着新材料、新结构、新器件、新理论的发展以及永磁同步牵引传动技术研究[7]的不断深入将为永磁同步牵引系统注入更多的活力。
[1]冯江华.铁道车辆牵引系统用永磁同步电机比较[J].铁道学报2007，29(5)：111-116.
[2]冯江华.轨道交通永磁同步牵引系统研究[J].机车电传动，2010(15)：15-21.
[3]刘荣强.永磁同步电机在铁路机车牵引系统的应用[J].内燃机车，2008，411(5)：12-13.
