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【導讀】介紹了國外軌道車輛永磁同步牽引系統的發展應用情況及結構特點和技術參數，並指出永磁同步牽引系統面臨的問題和發展趨勢。
隨著國家節能減排戰略的實施，降低軌道車輛運營能耗已成為車輛運營商和供應商首要解決的問題。永磁同步牽引系統以其高效節能的特點成為下一代軌道交通牽引系統的發展方向。在新材料、新技術研究應用的推動下，永磁同步牽引系統的諸多技術難題逐步攻克，已實現示範應用，尤其是擁有軌道交通先進技術的德國、法國、日本等國已進行了更深入的研究。
國外研究永磁同步牽引系統並進行商業化應用的公司主要有法國的阿爾斯通公司、加拿大的龐巴迪公司、德國的西門子公司、捷克的斯柯達公司以及日本的東芝公司等。本文重點介紹這幾家公司當前永磁同步牽引系統的研究應用現狀，並通過對比分析，總結永磁同步牽引系統在工程化應用方面面臨的優勢與不足，指出永磁同步牽引系統的技術發展趨勢，為國內永磁同步牽引系統的工程化研究提供參考支撐。
1. 國外永磁同步牽引系統的應用
與異步電機牽引系統相比，永磁同步牽引傳動系統的設計應用具有多樣性，根據機械傳動方式的不同，可以分為帶齒輪箱的永磁牽引系統和永磁直驅牽引系統。永磁直驅牽引系統取消了齒輪傳動裝置，圖１為地鐵車輛抱軸式永磁同步電機。
1.1 法國阿爾斯通公司的永磁同步牽引系統
目前，法國阿爾斯通公司研發的永磁同步牽引系統已應用於輕軌和高速列車，對應的車型分別為Citadis型低地板有軌電車和高速列車AGV，這2種牽引系統的永磁同步電機都是通過齒輪傳動裝置驅動輪軸。
(1)Citadis型低地板車輛永磁同步牽引系統。
阿爾斯通公司調動其技術團隊，經過２年的研究開發，研製出了Citadis緊湊型有軌電車。該有軌電車的研發重點之一就是全封閉式永磁同步電機，該電機功率質量比為1，總效率96%，與同功率的異步牽引系統相比，噪聲可降低3dB~7dB，效率提高3%~4%，體積減小30%。該有軌電車已於2004年投入運營，其電機參數見表1。
(2)AGV高速列車永磁同步牽引系統。
阿爾斯通公司研製的AGV高速列車最高速度可達360km/h，該車輛已於2008年下線，並幫助阿爾斯通公司創造了574.8km/h的世界鐵路第一速度。列車採用鉸接式結構和動力分散相結合的方案，其模塊化設計滿足了在不同供電制式條件下達到最高運營速度的要求。牽引系統採用全封閉式永磁同步電機（圖2）。電機採用全封閉自冷卻結構，轉子磁鋼為表面式安裝，採用齒輪傳動方式。功率質量比為0.99，可降低噪聲7dB，總效率達97%（見表１）。
1.2 捷克斯柯達公司的永磁同步牽引系統
斯柯達公司在永磁同步牽引系統方面致力於永磁直驅電機的研究開發，尤其在低地板有軌電車應用中有著豐富的經驗。典型的15T有軌電車採用軸端直驅永磁牽引電機，全封閉水冷結構，具有噪聲小、質量輕的特點，在捷克國內已經大量運用（圖3）。
我國青島運營的城陽有軌電車也採用了這款永磁直驅電機。電機參數見表2。
1.3 德國西門子公司的永磁同步牽引系統
德國在永磁同步牽引系統的研究應用方面起步較晚，但西門子公司以其先進的製造工藝，雄厚的技術積累，很快在城軌及高速列車領域取得了發展。在城軌領域開發了將轉向架、牽引電機和制動裝置集合成一體的新型轉向架Syntegra，採用直驅式永磁同步牽引系統，全封閉、水冷、轉子磁鋼表面式安裝的永磁同步電機，額定功率為150kW，總效率97%。試驗數據表明，與同功率的異步牽引電機相比，噪聲降低15dB，效率提高3%。另外委託開發了2種兼容ICE3原型車永磁同步電機，分別為由Starnbeng磁性電機公司開發的有源轉子式永磁同步電機和不倫瑞克科技大學開發的無源轉子式永磁橫向磁通電機。與同等功率異步電機相比，噪聲降低15dB。電機參數對比見表3。
1.4 日本東芝公司的牽引電機
1995年—1996年，日本鐵道綜合技術研究所（RTRI）與JR東日本公司合作，試製了RTM8、RTM9與RTM11三種直驅式牽引電機，分別是鼠籠式異步電機（水冷）、外轉子式永磁同步電機（自冷）與內轉子式永磁同步電機（自冷），額定功率分別為90kW、125kW、117kW，均在103系通勤列車上進行了試驗。2002年搭載永磁同步電機的AC系列車投入運營。該電機採用全封閉自冷方式，功率160kW，總效率95%。多年的運營結果顯示，相比異步牽引系統，永磁同步系統節能可達10%以上，可降低噪聲5dB。隨著新幹線車輛速度的進一步提高及節能意識和環境意識的加強，為了實現360km/h運營速度的大功率化，牽引系統的小型化、低噪聲化和低壽命週期成本，東芝公司為新幹線開發了下一代採用永磁同步牽引系統的E954系/E955系列車。該列車搭載的永磁同步牽引電機採用全封閉自冷卻方式，轉子磁鋼為表面式安裝，採用齒輪傳動，極數6，電機功率355kW，質量440kg，總效率97%，最大轉速4500r/min。該系列車已於2005年6月下線。
1.5加拿大龐巴迪公司的永磁同步牽引系統
龐巴迪公司在永磁同步牽引系統方面的研製也不甘落後，為雙層列車研發的Mitrac採用永磁同步牽引系統。該永磁電機採用自通風方式，額定功率302kW，質量550kg，滿載時效率可達97.1%，比異步電機提高約3.5%。300km/h速度下列車可提供的牽引力為異步電機時的2.65倍。電機噪聲低，列車速度達245km/h時電機噪聲僅為65dB。此外龐巴迪公司還推出了裝備水冷永磁同步電機的INNVIAMonorail300單軌車。
２. 永磁同步牽引系統的應用特點
2.1 永磁同步牽引電機的優勢
根據永磁同步牽引系統的應用經驗及試驗數據，永磁同步牽引電機的優點總結如下。
(1) 高效率、高功率因數。
與感應電機相比，永磁同步電機的勵磁由轉子的永久磁鐵產生，不需要定子繞組的勵磁電流，所以可以得到更高的功率因數，進而得到相對較小的定子電流和定子銅耗。並且由於永磁同步電機在穩態運行時沒有轉子銅耗，從而可以因總損耗降低而減小冷卻風扇容量甚至去掉冷卻風扇。它的效率比同規格的異步電機可提高2%~7%，圖4為同等功率的永磁同步電機與異步電機效率曲線。
(2) 體積小、質量輕。
隨著高性能永磁材料的不斷應用，永磁同步電機的功率密度得到很大的提高，比起同容量的直流電機和異步電機，永磁電機的體積和質量都有較大的減小。而且由於永磁電機損耗小，可省去龐大的通風冷卻系統，使得在相同功率下，永磁同步電機的質量一般要輕1/3左右。異步電機的功率密度一般為1.2kg/kW~1.5kg/kW,而永磁同步電機可達1kg/kW。
(3) 噪聲小、維護少。
永磁同步電機可製成全封閉牽引電機。永磁同步電機因轉子發熱小，能源效率良好，較容易採取全封閉自冷方式。這樣可大幅降低永磁電機的噪聲，同時由於取消內部通風和不需要更換潤滑油，可望取得維護少的效果。
2.2 永磁同步牽引系統電氣結構
永磁同步牽引系統的應用多樣性在於永磁電機型式的多樣性，電機驅動主電路結構基本是一致的。直流供電的永磁同步牽引系統主電路原理圖見圖５，包括斷路器箱（內含保護電路）、電抗器、逆變器、輸出接觸器和永磁電機，根據系統容量器件參數有所差異。
與傳統異步電機牽引系統相比，永磁牽引系統主電路增加的器件為輸出三相接觸器。由於永磁電機轉子永磁體的原因，造成電機定子繞組會隨著電機旋轉感應出反電勢，尤其是在高速惰行時。為避免逆變器停機以後永磁電機通過逆變器的反並聯二極管向直流環節充電，同時也考慮到電機端較高的反電勢可能給逆變器造成危害，就需要實現逆變器和永磁電機電氣隔離。
由於永磁同步電機不存在轉差率問題，電機轉子轉速與定子電頻率嚴格成正比，但是由於各車輪輪徑不可能一致，導致每臺電機轉速不可避免地出現差異，因此，必須採用一個逆變器模塊驅動一臺永磁同步電機的軸控模式。
2.3 永磁直驅與非直驅牽引系統的對比
永磁同步牽引電機高功率密度的優點使得軌道交通列車取消齒輪箱、採用直接傳動模式成為可能。直接傳動模式消除了傳遞損耗，為轉向架的設計提供了更多的空間，列車最小曲線半徑大幅降低，有利於軌道交通站段線路的設計。永磁直驅牽引系統在給列車及轉向架帶來一系列優點的同時也帶來了一個問題，因牽引電機的輸出轉矩成倍上升，其質量也大幅增加，尤其是抱軸式直驅電機大幅增加了轉向架的簧下質量，既影響了轉向架的可靠性，也限制了列車運行的速度等級。因此，永磁直驅牽引系統設計的核心問題就是如何降低直驅電機的質量，減輕簧下質量，以適應軌道交通車輛的應用工況。
西門子公司和斯柯達公司在永磁同步牽引系統應用上側重於直驅電機的應用。考慮到永磁直驅電機本體質量因素的影響，車輛在設計時需重點考慮直驅電機減重問題，不能像帶齒輪傳動裝置的牽引系統那樣，恆轉矩區電機啟動力矩較大。根據車輛特性對比電機的優化設計，一般可以從電機牽引／電制動特性、列車輪徑、電機額定功率３個因素考慮，其基本優化設計措施有：
（1）降低啟動轉矩，取消自然特性區，調整恆功轉折點及制動特性曲線；
（2）在滿足列車運營的前提下適當降低電機額定功率，以減小電機的質量；
（3）永磁直驅牽引電機的轉矩與列車的輪徑成正比，輪徑越小，電機的轉矩越小，電機的質量也越小，因此在合理的範圍內適當減小列車輪徑有利於減輕永磁直驅牽引電機的質量。
西門子公司為城軌車輛開發的Syntegra永磁直驅牽引電機在設計過程中同樣採用了上述優化措施（圖6）。電機的牽引特性沒有自然特性區，電制動特性在高速段也採用了限功率設計，最大電制動功率為300kW，低於一般地鐵列車電機。Syntegra永磁直驅牽引電機轉向架採用的車輪半磨耗輪徑為660mm，相比一般城軌車輛的半磨耗輪徑大幅減小，有利於降低電機輸出轉矩。電機的額定功率優化為150kW，該功率根據其實際應用的線路列車工況匹配。因此，在永磁牽引系統設計時需從系統應用的角度考慮。
3. 技術發展趨勢
與異步電機牽引系統相比，永磁同步電機牽引的節能效果明顯，但是要達到異步電機牽引系統的技術成熟度，實現國內軌道交通車輛的批量應用，還要進一步深入研究。
(1)永磁電機壽命的研究。
從永磁材料和控制技術方面探索永磁體失磁特性，包括永磁材料的熱穩定性、電流衝擊、電流諧波發熱等因素的影響。
(2)系統高效、輕量化研究。
研究基於SiC器件的牽引變流器，實現系統控制高頻化，從而降低設備質量，減小諧波電流。研究高能量密度的永磁直驅電機，基於SiC變流器的全封閉永磁直驅牽引系統將是未來研究的熱點。
(3)控制技術及故障保護和運行研究。
永磁同步牽引系統在控制、故障保護和運行過程中具有很多特殊性，與異步電機相比，永磁牽引系統特有的控制技術包括：帶速重頭技術、反電勢控制技術、轉子磁場補償技術、相間短路故障保護等技術。
4. 結束語
目前，國外永磁同步牽引系統已逐步進行工程化推廣，國內相關研究處於工程化驗證階段。永磁同步電機相比異步電機具有高效率、高功率因數、體積小、質量輕、可實現直驅及全封閉結構、噪聲低等優點。在軌道交通領域，永磁同步牽引系統已成為新的發展方向，提高系統成熟度、降低系統製造成本，將是解決永磁同步牽引系統國產化批量化應用的關鍵因素。
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