宝马励磁电机和特斯拉永磁电机（斯柯达西门子东芝）

宝马励磁电机和特斯拉永磁电机（斯柯达西门子东芝）(2)AGV高速列车永磁同步牵引系统。阿尔斯通公司调动其技术团队，经过２年的研究开发，研制出了Citadis紧凑型有轨电车。该有轨电车的研发重点之一就是全封闭式永磁同步电机，该电机功率质量比为1，总效率96%，与同功率的异步牵引系统相比，噪声可降低3dB~7dB，效率提高3%~4%，体积减小30%。该有轨电车已于2004年投入运营，其电机参数见表1。1.1 法国阿尔斯通公司的永磁同步牵引系统目前，法国阿尔斯通公司研发的永磁同步牵引系统已应用于轻轨和高速列车，对应的车型分别为Citadis型低地板有轨电车和高速列车AGV，这2种牵引系统的永磁同步电机都是通过齿轮传动装置驱动轮轴。(1)Citadis型低地板车辆永磁同步牵引系统。

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【导读】介绍了国外轨道车辆永磁同步牵引系统的发展应用情况及结构特点和技术参数，并指出永磁同步牵引系统面临的问题和发展趋势。

随着国家节能减排战略的实施，降低轨道车辆运营能耗已成为车辆运营商和供应商首要解决的问题。永磁同步牵引系统以其高效节能的特点成为下一代轨道交通牵引系统的发展方向。在新材料、新技术研究应用的推动下，永磁同步牵引系统的诸多技术难题逐步攻克，已实现示范应用，尤其是拥有轨道交通先进技术的德国、法国、日本等国已进行了更深入的研究。

国外研究永磁同步牵引系统并进行商业化应用的公司主要有法国的阿尔斯通公司、加拿大的庞巴迪公司、德国的西门子公司、捷克的斯柯达公司以及日本的东芝公司等。本文重点介绍这几家公司当前永磁同步牵引系统的研究应用现状，并通过对比分析，总结永磁同步牵引系统在工程化应用方面面临的优势与不足，指出永磁同步牵引系统的技术发展趋势，为国内永磁同步牵引系统的工程化研究提供参考支撑。

1.1 法国阿尔斯通公司的永磁同步牵引系统

目前，法国阿尔斯通公司研发的永磁同步牵引系统已应用于轻轨和高速列车，对应的车型分别为Citadis型低地板有轨电车和高速列车AGV，这2种牵引系统的永磁同步电机都是通过齿轮传动装置驱动轮轴。

(1)Citadis型低地板车辆永磁同步牵引系统。

阿尔斯通公司调动其技术团队，经过２年的研究开发，研制出了Citadis紧凑型有轨电车。该有轨电车的研发重点之一就是全封闭式永磁同步电机，该电机功率质量比为1，总效率96%，与同功率的异步牵引系统相比，噪声可降低3dB~7dB，效率提高3%~4%，体积减小30%。该有轨电车已于2004年投入运营，其电机参数见表1。

(2)AGV高速列车永磁同步牵引系统。

阿尔斯通公司研制的AGV高速列车最高速度可达360km/h，该车辆已于2008年下线，并帮助阿尔斯通公司创造了574.8km/h的世界铁路第一速度。列车采用铰接式结构和动力分散相结合的方案，其模块化设计满足了在不同供电制式条件下达到最高运营速度的要求。牵引系统采用全封闭式永磁同步电机（图2）。电机采用全封闭自冷却结构，转子磁钢为表面式安装，采用齿轮传动方式。功率质量比为0.99，可降低噪声7dB，总效率达97%（见表１）。

1.2 捷克斯柯达公司的永磁同步牵引系统

斯柯达公司在永磁同步牵引系统方面致力于永磁直驱电机的研究开发，尤其在低地板有轨电车应用中有着丰富的经验。典型的15T有轨电车采用轴端直驱永磁牵引电机，全封闭水冷结构，具有噪声小、质量轻的特点，在捷克国内已经大量运用（图3）。

我国青岛运营的城阳有轨电车也采用了这款永磁直驱电机。电机参数见表2。

1.3 德国西门子公司的永磁同步牵引系统

德国在永磁同步牵引系统的研究应用方面起步较晚，但西门子公司以其先进的制造工艺，雄厚的技术积累，很快在城轨及高速列车领域取得了发展。在城轨领域开发了将转向架、牵引电机和制动装置集合成一体的新型转向架Syntegra，采用直驱式永磁同步牵引系统，全封闭、水冷、转子磁钢表面式安装的永磁同步电机，额定功率为150kW，总效率97%。试验数据表明，与同功率的异步牵引电机相比，噪声降低15dB，效率提高3%。另外委托开发了2种兼容ICE3原型车永磁同步电机，分别为由Starnbeng磁性电机公司开发的有源转子式永磁同步电机和不伦瑞克科技大学开发的无源转子式永磁横向磁通电机。与同等功率异步电机相比，噪声降低15dB。电机参数对比见表3。

1.4 日本东芝公司的牵引电机

1995年—1996年，日本铁道综合技术研究所（RTRI）与JR东日本公司合作，试制了RTM8、RTM9与RTM11三种直驱式牵引电机，分别是鼠笼式异步电机（水冷）、外转子式永磁同步电机（自冷）与内转子式永磁同步电机（自冷），额定功率分别为90kW、125kW、117kW，均在103系通勤列车上进行了试验。2002年搭载永磁同步电机的AC系列车投入运营。该电机采用全封闭自冷方式，功率160kW，总效率95%。多年的运营结果显示，相比异步牵引系统，永磁同步系统节能可达10%以上，可降低噪声5dB。随着新干线车辆速度的进一步提高及节能意识和环境意识的加强，为了实现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，东芝公司为新干线开发了下一代采用永磁同步牵引系统的E954系/E955系列车。该列车搭载的永磁同步牵引电机采用全封闭自冷却方式，转子磁钢为表面式安装，采用齿轮传动，极数6，电机功率355kW，质量440kg，总效率97%，最大转速4500r/min。该系列车已于2005年6月下线。

1.5加拿大庞巴迪公司的永磁同步牵引系统

庞巴迪公司在永磁同步牵引系统方面的研制也不甘落后，为双层列车研发的Mitrac采用永磁同步牵引系统。该永磁电机采用自通风方式，额定功率302kW，质量550kg，满载时效率可达97.1%，比异步电机提高约3.5%。300km/h速度下列车可提供的牵引力为异步电机时的2.65倍。电机噪声低，列车速度达245km/h时电机噪声仅为65dB。此外庞巴迪公司还推出了装备水冷永磁同步电机的INNVIAMonorail300单轨车。

２. 永磁同步牵引系统的应用特点

2.1 永磁同步牵引电机的优势

根据永磁同步牵引系统的应用经验及试验数据，永磁同步牵引电机的优点总结如下。

(1) 高效率、高功率因数。

与感应电机相比，永磁同步电机的励磁由转子的永久磁铁产生，不需要定子绕组的励磁电流，所以可以得到更高的功率因数，进而得到相对较小的定子电流和定子铜耗。并且由于永磁同步电机在稳态运行时没有转子铜耗，从而可以因总损耗降低而减小冷却风扇容量甚至去掉冷却风扇。它的效率比同规格的异步电机可提高2%~7%，图4为同等功率的永磁同步电机与异步电机效率曲线。

(2) 体积小、质量轻。

随着高性能永磁材料的不断应用，永磁同步电机的功率密度得到很大的提高，比起同容量的直流电机和异步电机，永磁电机的体积和质量都有较大的减小。而且由于永磁电机损耗小，可省去庞大的通风冷却系统，使得在相同功率下，永磁同步电机的质量一般要轻1/3左右。异步电机的功率密度一般为1.2kg/kW~1.5kg/kW 而永磁同步电机可达1kg/kW。

(3) 噪声小、维护少。

永磁同步电机可制成全封闭牵引电机。永磁同步电机因转子发热小，能源效率良好，较容易采取全封闭自冷方式。这样可大幅降低永磁电机的噪声，同时由于取消内部通风和不需要更换润滑油，可望取得维护少的效果。

2.2 永磁同步牵引系统电气结构

永磁同步牵引系统的应用多样性在于永磁电机型式的多样性，电机驱动主电路结构基本是一致的。直流供电的永磁同步牵引系统主电路原理图见图５，包括断路器箱（内含保护电路）、电抗器、逆变器、输出接触器和永磁电机，根据系统容量器件参数有所差异。

与传统异步电机牵引系统相比，永磁牵引系统主电路增加的器件为输出三相接触器。由于永磁电机转子永磁体的原因，造成电机定子绕组会随着电机旋转感应出反电势，尤其是在高速惰行时。为避免逆变器停机以后永磁电机通过逆变器的反并联二极管向直流环节充电，同时也考虑到电机端较高的反电势可能给逆变器造成危害，就需要实现逆变器和永磁电机电气隔离。

由于永磁同步电机不存在转差率问题，电机转子转速与定子电频率严格成正比，但是由于各车轮轮径不可能一致，导致每台电机转速不可避免地出现差异，因此，必须采用一个逆变器模块驱动一台永磁同步电机的轴控模式。

2.3 永磁直驱与非直驱牵引系统的对比

永磁同步牵引电机高功率密度的优点使得轨道交通列车取消齿轮箱、采用直接传动模式成为可能。直接传动模式消除了传递损耗，为转向架的设计提供了更多的空间，列车最小曲线半径大幅降低，有利于轨道交通站段线路的设计。永磁直驱牵引系统在给列车及转向架带来一系列优点的同时也带来了一个问题，因牵引电机的输出转矩成倍上升，其质量也大幅增加，尤其是抱轴式直驱电机大幅增加了转向架的簧下质量，既影响了转向架的可靠性，也限制了列车运行的速度等级。因此，永磁直驱牵引系统设计的核心问题就是如何降低直驱电机的质量，减轻簧下质量，以适应轨道交通车辆的应用工况。

西门子公司和斯柯达公司在永磁同步牵引系统应用上侧重于直驱电机的应用。考虑到永磁直驱电机本体质量因素的影响，车辆在设计时需重点考虑直驱电机减重问题，不能像带齿轮传动装置的牵引系统那样，恒转矩区电机启动力矩较大。根据车辆特性对比电机的优化设计，一般可以从电机牵引／电制动特性、列车轮径、电机额定功率３个因素考虑，其基本优化设计措施有：

（1）降低启动转矩，取消自然特性区，调整恒功转折点及制动特性曲线；

（2）在满足列车运营的前提下适当降低电机额定功率，以减小电机的质量；

（3）永磁直驱牵引电机的转矩与列车的轮径成正比，轮径越小，电机的转矩越小，电机的质量也越小，因此在合理的范围内适当减小列车轮径有利于减轻永磁直驱牵引电机的质量。

西门子公司为城轨车辆开发的Syntegra永磁直驱牵引电机在设计过程中同样采用了上述优化措施（图6）。电机的牵引特性没有自然特性区，电制动特性在高速段也采用了限功率设计，最大电制动功率为300kW，低于一般地铁列车电机。Syntegra永磁直驱牵引电机转向架采用的车轮半磨耗轮径为660mm，相比一般城轨车辆的半磨耗轮径大幅减小，有利于降低电机输出转矩。电机的额定功率优化为150kW，该功率根据其实际应用的线路列车工况匹配。因此，在永磁牵引系统设计时需从系统应用的角度考虑。

3. 技术发展趋势

与异步电机牵引系统相比，永磁同步电机牵引的节能效果明显，但是要达到异步电机牵引系统的技术成熟度，实现国内轨道交通车辆的批量应用，还要进一步深入研究。

(1)永磁电机寿命的研究。

从永磁材料和控制技术方面探索永磁体失磁特性，包括永磁材料的热稳定性、电流冲击、电流谐波发热等因素的影响。

(2)系统高效、轻量化研究。

研究基于SiC器件的牵引变流器，实现系统控制高频化，从而降低设备质量，减小谐波电流。研究高能量密度的永磁直驱电机，基于SiC变流器的全封闭永磁直驱牵引系统将是未来研究的热点。

(3)控制技术及故障保护和运行研究。

永磁同步牵引系统在控制、故障保护和运行过程中具有很多特殊性，与异步电机相比，永磁牵引系统特有的控制技术包括：带速重头技术、反电势控制技术、转子磁场补偿技术、相间短路故障保护等技术。

4. 结束语

目前，国外永磁同步牵引系统已逐步进行工程化推广，国内相关研究处于工程化验证阶段。永磁同步电机相比异步电机具有高效率、高功率因数、体积小、质量轻、可实现直驱及全封闭结构、噪声低等优点。在轨道交通领域，永磁同步牵引系统已成为新的发展方向，提高系统成熟度、降低系统制造成本，将是解决永磁同步牵引系统国产化批量化应用的关键因素。