鐵路機(jī)車牽引中永磁電機(jī)的應(yīng)用研究

張衛(wèi)東 顧晨亮

摘 要：隨著鐵路行業(yè)的不斷發(fā)展，鐵路機(jī)車的數(shù)量也在不斷增多。牽引電機(jī)是鐵路機(jī)車的核心部分，影響著鐵路機(jī)車的穩(wěn)定性。在當(dāng)今時(shí)代，傳統(tǒng)的牽引電機(jī)已經(jīng)不能滿足高速鐵路機(jī)車的發(fā)展需求，制約了高速鐵路機(jī)車的發(fā)展。永磁電機(jī)是一種新型的同步電機(jī)，通過永磁體的高速旋轉(zhuǎn)，能夠產(chǎn)生強(qiáng)勁的電流，有效的提升了牽引的效率，保證了鐵路機(jī)車的穩(wěn)定性。本文主要研究的是鐵路機(jī)車牽引中永磁電機(jī)的應(yīng)用，希望能夠給鐵路行業(yè)提供一些借鑒，促進(jìn)牽引電機(jī)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：鐵路機(jī)車；永磁電機(jī)；牽引電機(jī)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.036

0 引言

牽引電機(jī)是鐵路機(jī)車的重要組成部分，需要受到鐵路行業(yè)的重視。傳統(tǒng)的牽引電機(jī)多為異步電機(jī)，占用的安裝空間大，電機(jī)質(zhì)量重，難以滿足高速鐵路機(jī)車的現(xiàn)代化需求，制約了高速鐵路機(jī)車的現(xiàn)代化發(fā)展。永磁電機(jī)是一種新型的同步電機(jī)，永磁材料性能的提升和價(jià)格的降低推動(dòng)了永磁電機(jī)的研究，讓永磁電機(jī)成為了牽引電機(jī)的首選。

1 永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

永磁電機(jī)是依靠永磁體高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁場(chǎng)的同步電機(jī)，能夠?qū)⒂来朋w運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，從而發(fā)揮出牽引的作用。永磁電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)為鐵心、轉(zhuǎn)軸、及永磁體，根據(jù)不同位置的磁回路，永磁電機(jī)可以被分為兩種，一種是表面式永磁電機(jī)，一種是埋入式永磁電機(jī)。表面式永磁電機(jī)與埋入式永磁電機(jī)的最大區(qū)別就是不會(huì)產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，因此它的牽引效果相對(duì)較差。永磁電機(jī)主要有兩個(gè)特點(diǎn)：第一個(gè)特點(diǎn)是功率高。永磁電機(jī)主要通過永磁體的旋轉(zhuǎn)來獲得電流，因此永磁電機(jī)在運(yùn)行時(shí)是沒有定子銅耗或是有較少定子銅耗的，這就讓永磁電機(jī)擁有了超高的功率，能夠滿足鐵路機(jī)車長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行要求。第二個(gè)特點(diǎn)是質(zhì)量輕、占用的安裝空間小。永磁電機(jī)相比較異步電機(jī)來說質(zhì)量更輕，占用的安裝空間更小，所以更適合安裝在鐵路機(jī)車上。

2 永磁電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

（1）放退磁技術(shù)。永磁電機(jī)的核心是永磁體，如果永磁體失去了磁性，永磁電機(jī)也就失去了作用。在現(xiàn)實(shí)生活中，永磁電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)生的沖擊電流較強(qiáng)，在多次的電流沖擊下，永磁體很可能就會(huì)出現(xiàn)退磁。另外，永磁電機(jī)運(yùn)行時(shí)溫度會(huì)不斷上升，高溫可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)短路，這就又增加了永磁體退磁的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者就要注重永磁體的磁性問題，防止永磁體出現(xiàn)退磁現(xiàn)象。永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)者要注重電機(jī)磁場(chǎng)的研究，多次校對(duì)永磁電機(jī)的退磁曲線，確保永磁電機(jī)在高溫狀態(tài)下也能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，設(shè)計(jì)者要注重電機(jī)材料的選擇，要選擇耐高溫的永磁體，同時(shí)要多次測(cè)試永磁體的磁性，確認(rèn)磁性始終保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）反電動(dòng)勢(shì)校核技術(shù)。永磁電機(jī)的電能是通過永磁體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化而成的，不需要外部供給電能。在永磁體的高速旋轉(zhuǎn)中，永磁電機(jī)的定子繞組會(huì)產(chǎn)生非常大的反電動(dòng)勢(shì)，一旦反電動(dòng)勢(shì)超出永磁電機(jī)的承受極限，那么永磁電機(jī)的元件就會(huì)損壞。另外，較高的反電動(dòng)勢(shì)會(huì)給電機(jī)的合閘帶來難題，尤其是當(dāng)永磁電機(jī)發(fā)生短路時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)會(huì)加速電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，從而讓電機(jī)損壞的更加嚴(yán)重。因此，在永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者要校核反電動(dòng)勢(shì)，制定出多種設(shè)計(jì)方案。根據(jù)不同的鐵路干線，來選取不同的設(shè)計(jì)方案，保證永磁電機(jī)的使用效率。例如城市干線鐵路機(jī)車就應(yīng)該選用反電動(dòng)勢(shì)較低的設(shè)計(jì)方案，這樣能夠有效的減少電機(jī)的弱磁電流，保證電機(jī)的性能。

3 鐵路機(jī)車牽引中永磁電機(jī)的應(yīng)用

（1）直接牽引電機(jī)。異步牽引電機(jī)主要是通過齒輪將動(dòng)能傳遞給輪軸，從而達(dá)到牽引電車的目的，但是在牽引過程中，齒輪之間的咬合會(huì)發(fā)出很大的噪音，并且會(huì)損耗大量的動(dòng)能。直流電機(jī)的出現(xiàn)解決了這個(gè)問題，但是直流電機(jī)的體積過大，占用的安裝空間大，而且對(duì)軌道會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，機(jī)體容易受損。永磁電機(jī)相比較異步電機(jī)和直流電機(jī)來說，質(zhì)量和尺寸更小，轉(zhuǎn)速更快，提供的電流更加平穩(wěn)，能夠和直接驅(qū)動(dòng)方式有效的契合，受到了多個(gè)國(guó)家的喜愛。例如法國(guó)的一家公司曾經(jīng)開發(fā)了一臺(tái)永磁電機(jī)試用機(jī)，試用的結(jié)果顯示永磁電機(jī)的工作效率比異步電機(jī)更高，而且質(zhì)量也比異步電機(jī)更小，同時(shí)產(chǎn)生的噪音更小，能夠滿足鐵路機(jī)車的需求。

（2）封閉牽引電機(jī)。鐵路機(jī)車的牽引電機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間的使用中會(huì)產(chǎn)生較高的溫度，因此牽引電機(jī)通常都配有散熱扇，但是散熱扇在工作中會(huì)將灰塵也吹進(jìn)牽引電機(jī)中，從而污染牽引電機(jī)的機(jī)體。為此，牽引電機(jī)需要定期的除塵去污。另外，散熱扇在高速轉(zhuǎn)動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生大量的噪音。為了解決這些問題，就應(yīng)該使用封閉式結(jié)構(gòu)，從而減少牽引電機(jī)污染，降低牽引電機(jī)內(nèi)部的噪音。但是封閉式牽引電機(jī)要想和以往的電機(jī)發(fā)揮同樣的作用，就要選用尺寸一致、性能相同、發(fā)熱相對(duì)較少的電機(jī)。因此，噪聲小、發(fā)熱少的永磁電機(jī)成為了封閉牽引電機(jī)的最佳選擇。日本的一家公司曾經(jīng)研發(fā)過一臺(tái)封閉式永磁電機(jī)測(cè)試機(jī)，在測(cè)試的過程中，這家公司發(fā)現(xiàn)和異步電機(jī)尺寸相同、功率相同的封閉式永磁電機(jī)的噪聲更小，效率更高。

（3）永磁電機(jī)的未來發(fā)展趨勢(shì)。高速鐵路機(jī)車的發(fā)展需要質(zhì)量更輕、體積更小、效率更高的牽引電機(jī)，因此設(shè)計(jì)者要不斷優(yōu)化永磁電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，讓永磁電機(jī)滿足高速鐵路的發(fā)展需求。在定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)者不僅要重新設(shè)計(jì)定子結(jié)構(gòu)，還要不斷提升定子的轉(zhuǎn)速，只有這樣做，永磁電機(jī)的性能才會(huì)有所提升。在電機(jī)控制技術(shù)方面，設(shè)計(jì)者要注意永磁體的失磁問題以及電機(jī)材料的不穩(wěn)定問題，使用合適的電機(jī)控制技術(shù)，研究智能化的電機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)置合理的控制參數(shù)，保證電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語

永磁電機(jī)是一種新型的電機(jī)，相對(duì)于異步電機(jī)來說，它的工作效率更高，質(zhì)量更輕，而且能夠提供穩(wěn)定的電流，是鐵路牽引電機(jī)的重要發(fā)展方向。我國(guó)要加強(qiáng)對(duì)永磁電機(jī)的研究，開發(fā)出適合我國(guó)鐵路機(jī)車的永磁電機(jī)，以此來促進(jìn)鐵路行業(yè)的發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：張衛(wèi)東（1968-），男，湖南懷化人，本科，工程師，研究方向：電機(jī)控制。