永磁同步電機在城市軌道交通的應用研究與市場發(fā)展

于泳

中車大連機車有限公司 遼寧大連 116000

1 永磁同步電機的技術特點

永磁同步電機的技術特點包括[2]：（1）高效率與高功率因數(shù)。永磁同步電機與感應電機不同，無需定子繞組的無功勵磁電流，勵磁由轉子上的永磁體產(chǎn)生。因此獲得更高的功率因數(shù)。（2）小體積，輕重量，低噪聲。隨著高性能永磁材料的普及應用，永磁同步電機的功率密度得到很大的提高，其體積和重量都有大幅度的減小。同時采用全封閉水冷結構，可大幅降低其噪聲。（3）高可靠性。在結構上與電勵磁同步電機相比較為精簡，可靠性相對得以提高。

2 國內外永磁同步電機的兩種研究與發(fā)展方向

對于永磁同步電機的研究與使用，目前業(yè)內主要圍繞以下兩種不同的技術路線進行探索：齒輪傳動方式，直接驅動方式。

2.1 永磁同步電機齒輪傳動方式的發(fā)展與應用

（1）歐美。阿爾斯通公司對永磁同步電機的牽引系統(tǒng)研發(fā)起步較早，2004年裝有該系統(tǒng)的低地板車輛Citadis已投入商業(yè)運營。2011年裝配永磁同步電機的AGV高速列車在意大利投入商業(yè)運營，在能耗、效率、噪聲等方面得到明顯提高。

（2）日本。東芝開發(fā)的TMT908x型輕量永磁牽引電機的連續(xù)功率為305kW，質量為276kg，與同系列感應電機相比，質量/功率降到了0.9kg/kW，實現(xiàn)了牽引電機輕量化。

2.2 永磁同步電機直接驅動方式的發(fā)展與應用

（1）歐洲。西門子公司采用水冷方式全封閉結構的永磁電機，搭配最新的永磁直驅轉向架Syntegra研發(fā)的新一代城軌車輛，其額定功率為150kW，與同功率的感應牽引電機相比噪聲可降低15dB，體積減少30%，效率提高3%。

（2）日本。日本對永磁直驅式牽引電機的研究起步于20世紀90年代，至今已完成多次試制。RMT11 永磁直驅結構作為東日本鐵路公司下一代通勤電動車組（AC Train）的驅動系統(tǒng)。2002年已完成20km 的運行試驗，試驗結果顯示可以節(jié)能10%以上，沿線噪聲約可降低5dB。

（3）中國。與歐美、日本等發(fā)達國家相比，我國對永磁同步電機技術的相關研究起步略晚，但是發(fā)展勢頭比較迅猛。2013年中車青島四方車輛研究所與斯柯達公司合作生產(chǎn)的SkodaForcity型輕軌列車，該車首次采用永磁電機直接驅動、鉸接轉向架，在安全環(huán)保，節(jié)能低噪以及曲線通過能力方面有顯著提高。

中車永濟電機公司成功研制出一款功率為1200kW的永磁直驅電機，是迄今世界上最大功率的永磁直驅電機（圖1），試驗數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)齒輪傳動相比較，綜合效率提高4%，噪聲有效降低。2018年研制1200kW大功率直驅永磁系統(tǒng)已應用于中車大同公司生產(chǎn)的六軸電力機車上。

3 市場化面臨問題

圖1 1200kW直驅永磁電機與輪對

與傳統(tǒng)感應電機相比，永磁同步電機在其技術特點上有很多優(yōu)勢，國內外近年來針對永磁同步電機在城市軌道交通領域的研究與市場化推廣進程中也發(fā)現(xiàn)諸多問題[3]：

（1）永磁體具有失磁風險，在沖擊電流、高溫、震動、腐蝕、氧化等多方面因素綜合影響下，永磁材料會產(chǎn)生失磁現(xiàn)象。永磁體失磁將直接影響電機性能及可靠性。

（2）永磁同步電機的制造工藝復雜，與已形成產(chǎn)業(yè)化的異步電機相比，其制造工藝復雜，成本較高，維修及拆卸與傳統(tǒng)異步電機方式不同，難度高。需要進一步完善制造與維護工藝。

（3）永磁同步電機只能采用軸控方式，每個電機配有獨立的逆變器，系統(tǒng)復雜度增高，產(chǎn)生故障的可能性也隨之增高。

（4）稀土材料的成本與儲量問題制約永磁同步電機的市場推廣，稀土作為我國的戰(zhàn)略資源被國家加大管控，稀土的價格波動將極大影響永磁同步電機的制造成本。我國雖然稀土儲量豐富，但歐美、日本等國家稀土相對匱乏，制約了國際市場永磁同步電機的發(fā)展與市場推廣。

4 結語

世界各大軌道交通制造廠商都已投入到永磁同步電機研究與應用的浪潮之中，現(xiàn)已取得了一定的成果，但是永磁同步電機市場化所面臨的諸多問題，將是制約其發(fā)展速度與規(guī)模的重要因素。隨著新一代高性價比永磁材料的出現(xiàn)以及制造、維護工藝的不斷發(fā)展，永磁同步電機的合理使用必將成為未來城市軌道交通行業(yè)發(fā)展的重要方向。