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摘要：文章首先闡述了永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，其次對(duì)其在機(jī)車上的具體應(yīng)用進(jìn)行探究，最后理性的分析了析永磁同步電機(jī)的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；機(jī)車；具體應(yīng)用；前景分析

0引言

高速鐵路快速發(fā)展對(duì)機(jī)車提出了越來越高的要求，體積小、重量輕、輸出功率大、高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等已經(jīng)演變成鐵路行業(yè)發(fā)展的主要追求。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，機(jī)車電機(jī)經(jīng)歷了直流電機(jī)到異步電機(jī)的歷程，而永磁材料價(jià)格的降低以及其性能的逐步完善，使得永磁同步電機(jī)的開發(fā)與研究越來越得到人們的關(guān)注。文章以永磁同步電機(jī)為論點(diǎn)，對(duì)其在電車上的具有應(yīng)用做出分析。

1永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

1.1結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)是依靠安裝在轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)的同步電動(dòng)機(jī)，其主要由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋等部件構(gòu)成。定子和常見異步電動(dòng)機(jī)大體相同，為疊壓硅鋼片組成的定子鐵心與鑲嵌于定子鐵心槽中的定子線圈共同構(gòu)成，通過三相交流電形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將線圈連接。轉(zhuǎn)子磁路部件為永磁同步電機(jī)和其他普通電機(jī)的主要差別，轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能、控制系統(tǒng)、生產(chǎn)技術(shù)與應(yīng)用場(chǎng)所等均產(chǎn)生影響。（a）是表面式永磁同步電機(jī)。該電機(jī)一般會(huì)將適量非磁性材料覆蓋在轉(zhuǎn)子外側(cè)，蓋住永久磁鐵，進(jìn)而避免電機(jī)高速運(yùn)作過程中表面磁鐵隨之飛出的現(xiàn)象。電機(jī)的交直軸磁阻、電感數(shù)值基本無差異，轉(zhuǎn)子慣量指標(biāo)相對(duì)較小，鐵心形狀無凸極性，故此其只會(huì)形成永磁轉(zhuǎn)矩但不會(huì)形成磁阻轉(zhuǎn)矩。（b）是埋入式永磁同步電機(jī)。該類電機(jī)的交軸電感、磁導(dǎo)數(shù)值均低于直軸值，且其磁鐵埋設(shè)在鐵心內(nèi)，鐵心具備明顯的凸極性，能夠形成磁阻轉(zhuǎn)矩。該類同步電機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，制造工藝也不具備較高技術(shù)含量，強(qiáng)度低的磁鐵不附著在表面，故此結(jié)構(gòu)更具堅(jiān)固性[2]。而機(jī)車電機(jī)恰恰對(duì)結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩提出明確要求，結(jié)合以上要求認(rèn)為埋入式永磁同步電機(jī)更適合作機(jī)車電機(jī)。

1.2特點(diǎn)

永磁電機(jī)的顯著特點(diǎn)在于其具有較高的功率因數(shù)和效率，損耗小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。①永磁電機(jī)具有低損耗、低溫升。因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)不會(huì)像異步電機(jī)那樣存在由感應(yīng)電流造成轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中產(chǎn)生較大的能量損耗，轉(zhuǎn)子運(yùn)行無電流，避免了無功電流的產(chǎn)生，顯著降低電動(dòng)機(jī)溫升，在相同負(fù)載工況下溫升降低20K以上；②永磁同步電動(dòng)機(jī)具有較高的效率和功率因數(shù)，且功率因數(shù)與電動(dòng)機(jī)級(jí)數(shù)無關(guān)，電動(dòng)機(jī)滿負(fù)載時(shí)功率因數(shù)接近1，這樣相比異步電動(dòng)機(jī)，其電動(dòng)機(jī)電流更小，相應(yīng)地電動(dòng)機(jī)的定子銅耗更小，風(fēng)磨耗小，效率也就更高。而異步電動(dòng)機(jī)隨著電動(dòng)機(jī)級(jí)數(shù)的增加，功率因數(shù)越來越低；③永磁電機(jī)具有較好的運(yùn)行指標(biāo)。如果工作負(fù)荷不超過60%，異步電機(jī)的力能指標(biāo)、功率因數(shù)、效率都會(huì)有所下降。永磁電機(jī)在25-120%的額定負(fù)載范圍內(nèi)，效率大于90%。如果僅有20%的負(fù)荷，永磁電機(jī)的力能指標(biāo)也能夠達(dá)到80%的滿負(fù)荷水平，具有良好的節(jié)能功能。此外，永磁同步電動(dòng)機(jī)還具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、啟動(dòng)時(shí)間較短、高過載能力等特點(diǎn)。而且由于效率和功率因數(shù)的提高，線路和系統(tǒng)的容量也可以得到減少，成本進(jìn)行有效的控制。

2永磁同步電機(jī)在機(jī)車電機(jī)上的具體應(yīng)用

2.1作為直接牽引電機(jī)

普通的牽引電機(jī)是在齒輪傳動(dòng)裝備協(xié)助下，把動(dòng)力傳導(dǎo)至輪軸以驅(qū)動(dòng)機(jī)車，這樣能確保牽引電機(jī)運(yùn)行的高速性，并促使?fàn)恳姍C(jī)具備體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)勢(shì)特征，但是以上方法在運(yùn)行過程中存在能源消耗量大、噪音大且維修成本高等問題。永磁同步電機(jī)和傳統(tǒng)直流電機(jī)與異步電機(jī)相對(duì)比，具備極對(duì)數(shù)多，轉(zhuǎn)矩密度高等特征，故此其質(zhì)量與體積指標(biāo)能明顯降低，在現(xiàn)存規(guī)格尺寸和質(zhì)量條件下實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)的目標(biāo)會(huì)實(shí)現(xiàn)。正因如此，相關(guān)人員始終致力于直接驅(qū)動(dòng)式永磁同步牽引電機(jī)的開發(fā)。對(duì)擬用在通勤電動(dòng)車組的樣機(jī)開展了裝車試驗(yàn)，檢測(cè)車地板下牽引電動(dòng)機(jī)周邊的噪音，發(fā)現(xiàn)在電機(jī)運(yùn)行速度為64km/h時(shí)可使噪音有14dB的降幅，此外，應(yīng)用直接驅(qū)動(dòng)式牽引電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特征，不僅可被應(yīng)用在通勤電動(dòng)車組領(lǐng)域，還可嘗試投運(yùn)到軌距可變電動(dòng)車組、地板輕軌車輛等領(lǐng)域中[3]。

2.2作為全封閉式永磁同步牽引電動(dòng)機(jī)

鐵路機(jī)車動(dòng)車牽引電動(dòng)機(jī)對(duì)體積、功率兩大參數(shù)提出較高要求，正因如此，一般會(huì)應(yīng)用通風(fēng)冷卻方式。但大量的實(shí)踐及研究發(fā)現(xiàn)，冷卻風(fēng)內(nèi)含有塵埃等雜質(zhì)，其會(huì)對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)內(nèi)部環(huán)境造成污染，故此過去經(jīng)常會(huì)對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)進(jìn)行解體并清掃處理。并且，現(xiàn)有車輛牽引電動(dòng)機(jī)大部分是轉(zhuǎn)子和風(fēng)扇直接相連通的結(jié)構(gòu)，即自通風(fēng)結(jié)構(gòu)，在快速運(yùn)作的過程中風(fēng)扇設(shè)備會(huì)形成較大噪音。若能應(yīng)用全封閉式結(jié)構(gòu)，不僅能有效預(yù)防灰塵進(jìn)入牽引電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的現(xiàn)象，也省去了解體電機(jī)進(jìn)行清掃的操作環(huán)節(jié)。與此同時(shí)，電機(jī)內(nèi)風(fēng)扇運(yùn)行過程中形成的噪音也被有效隔離，為牽引電動(dòng)機(jī)低噪聲的目標(biāo)達(dá)成獲得更大可能。而上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)絕非是一蹴而就的，需加強(qiáng)對(duì)全封閉式牽引電動(dòng)機(jī)的開發(fā)工作。但全封閉電機(jī)和通風(fēng)冷卻電機(jī)相比較，在冷卻性能方面不占優(yōu)勢(shì)地位。故此，在開發(fā)全封閉電機(jī)過程中，首先要確保規(guī)格尺寸、性能和普通電機(jī)間的一致性，就需要研發(fā)產(chǎn)熱量較低的電機(jī)設(shè)備，同時(shí)研發(fā)新興冷卻結(jié)構(gòu)，進(jìn)而確保各零構(gòu)件溫度升高情況控制在限定的區(qū)間中。有研究發(fā)現(xiàn)，高效率、產(chǎn)熱量低的永磁同步電動(dòng)機(jī)，降溫效果優(yōu)良。全封閉式永磁同步牽引電動(dòng)機(jī)在和過去自通風(fēng)異步牽引電動(dòng)機(jī)體積一致情況下，能夠達(dá)到等同功率的全封閉牽引電動(dòng)機(jī)，高速運(yùn)行過程中全封閉電機(jī)形成的噪音和過去相比較有大概10dB的降低幅度。并且，該類全封閉式永磁同步電動(dòng)機(jī)和常見電動(dòng)機(jī)相比較，質(zhì)量輕與運(yùn)行效率的需求均得到滿足。

3永磁同步電機(jī)的發(fā)展前景

為迎合高速鐵路快速、持續(xù)發(fā)展的需求，機(jī)車電機(jī)的體積與質(zhì)量參數(shù)應(yīng)不斷降低。永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)相比較，在運(yùn)行效率、體積等方面已經(jīng)占據(jù)明顯優(yōu)勢(shì)，這也是機(jī)車牽引電機(jī)未來發(fā)展不斷加強(qiáng)的內(nèi)容。與此同時(shí)，將永磁同步電機(jī)應(yīng)用在機(jī)車上，還能借助其能耗低、噪音小等固有屬性迎合能源發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的社會(huì)需求[5]。然而，我們必須清晰的認(rèn)識(shí)到，當(dāng)下永磁同步電機(jī)在機(jī)車牽引電機(jī)上應(yīng)用的相關(guān)研究缺乏深度性，日本、德國等發(fā)達(dá)國家在這一方面的研究取得一定成效。為確保我國技術(shù)研究和國際發(fā)展的同步性，給予永磁同步電機(jī)在機(jī)車牽引電機(jī)上的應(yīng)用研究工作一定重視具有很大現(xiàn)實(shí)意義。

4結(jié)束語

鐵路機(jī)車動(dòng)車對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)始終追求小型、輕質(zhì)。從本質(zhì)上分析永磁同步電機(jī)為一類運(yùn)行高效的電機(jī)，其又滿足了質(zhì)量輕、體積小的要求，故此其在鐵路機(jī)動(dòng)車輛的牽引電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域有廣泛性應(yīng)用也將是必然事實(shí)。在科學(xué)技術(shù)日新月異的時(shí)代中，永磁同步電機(jī)將會(huì)朝著更高效節(jié)能、機(jī)電一體化、電機(jī)專用化的方向發(fā)展，相關(guān)技術(shù)也將會(huì)日趨成熟與完善。

參考文獻(xiàn)：

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作者:齊春葉 單位:河北電機(jī)股份有限公司