張 江，鐘文生，劉高坤

（西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室機車車輛研究所，四川成都610031）

轉(zhuǎn)向架永磁同步電機直接驅(qū)動技術在國內(nèi)外的發(fā)展概述

張 江，鐘文生，劉高坤

（西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室機車車輛研究所，四川成都610031）

介紹了國內(nèi)外轉(zhuǎn)向架直接驅(qū)動（直驅(qū)）技術的發(fā)展情況，重點從轉(zhuǎn)向架直驅(qū)結(jié)構(gòu)和永磁同步電機技術兩方面進行分析。同時分析了轉(zhuǎn)向架直驅(qū)技術的優(yōu)缺點及其未來的發(fā)展趨勢，為國內(nèi)轉(zhuǎn)向架直驅(qū)技術的發(fā)展提供參考。

轉(zhuǎn)向架；直接驅(qū)動；概述；永磁同步電機

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向架驅(qū)動系統(tǒng)含有傳動齒輪箱和聯(lián)軸器，這樣不僅降低了傳動效率還增加了轉(zhuǎn)向架的自重，不利于轉(zhuǎn)向架的輕量化設計。同時牽引電機采用異步感應交流電機或直流電機，而異步感應交流電機效率相對較低發(fā)熱嚴重，這就需要采用強迫風冷裝置，從而增加了電機的體積。為了解決傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架驅(qū)動系統(tǒng)的不足，近二十年來，在國外出現(xiàn)了一股發(fā)展轉(zhuǎn)向架直接驅(qū)動技術的潮流。轉(zhuǎn)向架直接驅(qū)動技術是指舍棄傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架上電機和輪對之間的傳動部件，直接將牽引電機輸出的力矩或力傳遞給輪對或構(gòu)架的一種傳動技術。直接驅(qū)動技術按是否需要借助輪軌間的黏著力可分為黏著驅(qū)動和非黏著驅(qū)動，黏著驅(qū)動指列車的前進要借助輪軌間的黏著力；非黏著驅(qū)動指將牽引電機產(chǎn)生的力直接傳遞給車體或構(gòu)架，不需要借助輪軌間的黏著力，該種結(jié)構(gòu)主要指采用直線電機的驅(qū)動結(jié)構(gòu)。若按牽引電機的類型分，可分為異步感應電機結(jié)構(gòu)的直驅(qū)結(jié)構(gòu)、永磁同步電機的直驅(qū)結(jié)構(gòu)。

1 轉(zhuǎn)向架永磁直驅(qū)的結(jié)構(gòu)形式

轉(zhuǎn)向架永磁直驅(qū)結(jié)構(gòu)形式［1］主要有3種（如圖1）：輪對驅(qū)動、兩輪同步驅(qū)動和兩輪單獨驅(qū)動。

2 轉(zhuǎn)向架永磁直驅(qū)技術在國內(nèi)外的運用

2.1 轉(zhuǎn)向架永磁直驅(qū)技術在德國的發(fā)展

德國是永磁直驅(qū)系統(tǒng)這一領域發(fā)展較早的國家，其技術相對成熟，發(fā)展對象主要是針對高速機車和動車組。

1997年和1998年德國鐵路公司委托不倫瑞克技術大學和Starnbeng磁性電機公司按照ICE3的技術標準分別設計了無源轉(zhuǎn)子式橫向磁通永磁電動機TFSM和有源轉(zhuǎn)子式PMSM兩種方案，并將兩種直驅(qū)電機安裝到ICE3原型車上進行了線路試驗［2］（表1是TFSM、 PMSM、IM的試驗結(jié)果）。該直驅(qū)結(jié)構(gòu)是德國下一代城際高速動車開發(fā)的動力系統(tǒng)，機車速度為（330±10%）km/h，牽引電機啟動牽引力達到了18.7 k N。

圖1 永磁直驅(qū)結(jié)構(gòu)形式截面圖

另外，在BR152型機車技術的基礎上，西門子公司還研制了采用非彈性和彈性懸掛（如圖2）方式的永磁同步電動機直接驅(qū)動裝置［3］，并在班貝克—福希海線上進行了多次線路運行試驗。其中采用非彈性懸掛直接驅(qū)動的FD64型機車試驗的最高速度達到了120 km/h，并取得了良好的效果。其牽引電機采用全封閉結(jié)構(gòu)并且將泵和循環(huán)水冷卻器的冷卻循環(huán)回路與牽引逆變器的冷卻循環(huán)回路集成在一起，使結(jié)構(gòu)更緊湊。

表1 TFSM、PMSM、IM的試驗結(jié)果

圖2 彈性懸掛直驅(qū)裝置示意圖

近年來，西門子開發(fā)了新一代城軌車輛，它采用了西門子公司的最新永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架Syntegra［4-6］（如圖3），其永磁直驅(qū)電機為全封閉、水冷電機，轉(zhuǎn)子采用表面式永磁鐵安裝方式，極對數(shù)為12，額定功率150 k W，總效率97%，與同功率的感應牽引電機相比噪聲可降低15 dB，體積減少30%，效率提高3%。2007年夏天該轉(zhuǎn)向架裝在德國慕尼黑的地鐵車上進行長時間的線路試運營，以了解該轉(zhuǎn)向架的各項綜合性能，2008年8月正式投入載客試運行。

圖3 Syntegra轉(zhuǎn)向架總體圖

Syntegra轉(zhuǎn)向架具有以下特點：轉(zhuǎn)向架軸重14 t，軸距為1.6 m，使其更容易通過小半徑曲線；構(gòu)架側(cè)梁與橫梁采用鉸接結(jié)構(gòu)（如圖2），轉(zhuǎn)向架扭轉(zhuǎn)剛度小，適應線路不平順能力強；構(gòu)架受力狀態(tài)簡單，尤其是側(cè)梁基本只受垂向載荷作用；轉(zhuǎn)向架質(zhì)量輕、空間尺寸??；一系懸掛采用對稱鋼圓彈簧加減振器，主要提供垂向剛度和阻尼；一系懸掛的橫向和縱向采用三角拉桿定位（如圖4）；軸箱采用內(nèi)置結(jié)構(gòu)，將軸箱與永磁電機結(jié)構(gòu)一體化（如圖5），簡化轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)；集構(gòu)架、永磁直驅(qū)電機和制動裝置于一體；安全制動采用電制動取代傳統(tǒng)的機械摩擦制動。

圖4 Syntegra的軸箱三角拉桿

圖5 Syntegra電機軸箱一體結(jié)構(gòu)

2.2 永磁直驅(qū)技術在法國的發(fā)展

法國的永磁直驅(qū)系統(tǒng)已經(jīng)進入商業(yè)運營階段，主要用在新一代的低地板輕軌車輛的Ixege動力轉(zhuǎn)向架上，采用的是輪轂電機方式的直驅(qū)技術。下一步的發(fā)展方向?qū)@如何將永磁直驅(qū)技術成功應用到高速動車組上。2004年法國Alstom公司為低地板車輛Citadis開發(fā)了120 k W全封閉永磁同步牽引電機。

Citadis型輕軌車輛是Alstom在軌道交通領域里的一個非常重要產(chǎn)品，在歐洲地區(qū)占有相當大的市場份額，該系列輕軌已經(jīng)累計銷售了1 500列以上，分別運行在全世界的40多個城市中。其永磁直驅(qū)傳動則是近十年來才開發(fā)出來的，用于最新的低地板車輛轉(zhuǎn)向架Ixege（如圖6）。該轉(zhuǎn)向架采用獨立車輪結(jié)構(gòu)，電機采用輪轂電機。第一批裝有該轉(zhuǎn)向架的輕軌車輛已用于伊斯坦布爾，共36列。阿爾斯通的Citadis Dualis和Citadis Compact train型輕軌車輛也使用Ixege轉(zhuǎn)向架。

2.3 永磁直驅(qū)技術在日本的發(fā)展

從20世紀90年代開始，日本對直接驅(qū)動式牽引電機的研究一直未停，迄今為止已進行了多次試制。RMT系列永磁直驅(qū)電機是其直驅(qū)技術發(fā)展的核心部分。

圖6 Ixege動力轉(zhuǎn)向架

1993年日本鐵道綜合技術研究所（RTRI）以窄軌高速列車NEXT250為目標（該型列車為低地板獨立旋轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)），試制了第一臺RMT1型直接驅(qū)動式永磁同步電機樣機，安裝于獨立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架.該轉(zhuǎn)向架軸箱采用內(nèi)置結(jié)構(gòu)，牽引電機直接位于車輪的外側(cè)，為外轉(zhuǎn)子型電機，直接驅(qū)動車輪，車輪直徑僅為600 mm。與具有同等性能的直接驅(qū)動式異步電動機相比，其質(zhì)量減輕了35%，而效率提高了2.7%，功率因數(shù)增加了20%，但該型永磁直驅(qū)電機并沒有達到預期的效果。

接著又研制了3種型號的永磁電機［7］，其參數(shù)和應用場合如表2所示，該系列電機的試驗為日本的永磁直驅(qū)技術的發(fā)展提供不少的技術資料，為后期的發(fā)展奠定了基礎。

表2 RMT3、5、7參數(shù)表

1998年，一列安裝有可變軌距永磁電機RM T17（如圖7）三輛編組的高速列車在美國的普韋布洛山口進行了線路試驗，試驗速度在200 km/h左右，累計走行60萬km.試驗結(jié)束后又在日本新干線和既有線路之間進行了大量線路試驗。

1999年東日本鐵路公司（JR）開始開發(fā)AC（Advanced Commuter）Train電動車組，使其滿足21世紀對市郊軌道車輛的要求（其主要目標是降低成本及全壽命維修費用，滿足13年免維護性能）。日本鐵道綜合技術研究所為其開發(fā)了3種直驅(qū)式PMSM，分別是RMT8外轉(zhuǎn)子型結(jié)構(gòu)鼠籠異步電動機（水冷），RMT9外轉(zhuǎn)子型結(jié)構(gòu)永磁同步電機（自冷），RMT11內(nèi)轉(zhuǎn)子型結(jié)構(gòu)永磁同步電機（自冷）（如圖8）。這3種直驅(qū)結(jié)構(gòu)如表3所示。經(jīng)過綜合評定，將RMT11［8］永磁直驅(qū)結(jié)構(gòu)定型為東日本鐵路公司下一代的通勤電動車組的驅(qū)動系統(tǒng)。2002年將其搭載在商業(yè)運行的103系電動車組上進行了大約20萬km的運行試驗，試驗取得了很好的效果。

圖7 可變軌距輪對結(jié)構(gòu)

表3 RMT8、RMT9、RMT11 3種直驅(qū)結(jié)構(gòu)

圖8 RMT11內(nèi)轉(zhuǎn)子彈性懸掛結(jié)構(gòu)示意圖

ACTrain電動車組轉(zhuǎn)向架的主要特點：采用鉸接式轉(zhuǎn)向架，其鉸接式轉(zhuǎn)向架又開發(fā)了兩種分別為4點支撐式和2點支撐式結(jié)構(gòu)；采用了永磁直驅(qū)技術，其動軸數(shù)目減少25%，黏著質(zhì)量明顯提高；電機內(nèi)轉(zhuǎn)子通過橡膠抱在車軸上，使轉(zhuǎn)向架的簧下質(zhì)量大大減輕，從而減小輪軌間的動作用力，進而使轉(zhuǎn)向架的動力學性能得到改善；該轉(zhuǎn)向架的軸箱采用外置式結(jié)構(gòu)，增大車輪之間的空間，使牽引電機的結(jié)構(gòu)得到改善。

東芝公司的永磁同步直驅(qū)轉(zhuǎn)向架已經(jīng)運用在東京地鐵的千代田線、丸之內(nèi)線、銀座線。同時也獲得了新加坡鐵路運營商SMRT公司的訂單，用于升級新加坡捷運系統(tǒng)的兩大通勤線路，首期兩列車將于2015年交付，并進行1～2年的線路試運營。

2.4 SKODA低地板輕軌車輛永磁直驅(qū)系統(tǒng)

SKOD公司開發(fā)的Skoda15T（也稱為Skoda Forcity）采用了永磁直驅(qū)技術［9］，該輕軌車輛屬于100%低地板車輛，其中間轉(zhuǎn)向架采用雅克比轉(zhuǎn)向架，車端采用心盤式轉(zhuǎn)向架，車輛采用模塊化設計，3輛或5輛編組。目前該車運營在捷克共和國的布拉格和拉脫維亞的里加。如圖9，轉(zhuǎn)向架采用獨立旋轉(zhuǎn)車輪結(jié)構(gòu)，彈性車輪，4個車輪單獨驅(qū)動方式，采用永磁同步電機直驅(qū)技術，電機采用內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定子與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架相連接?；A制動裝置包括輪盤制動、再生制動、電阻制動、磁軌制動。

圖9 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

2.5 永磁直驅(qū)技術在國內(nèi)的發(fā)展

轉(zhuǎn)向架永磁直驅(qū)技術在國內(nèi)剛處于起步階段，目前通過帶齒輪箱的永磁電機傳動系統(tǒng)已經(jīng)用于商業(yè)運營，在未來的很長一段時間將著手研制永磁直驅(qū)技術的工程運用。

2013年中國北車集團青島四方車輛研究所有限公司與斯柯達運輸公司簽署了一份10年的合同，中國北車集團青島四方車輛研究所有限公司將生產(chǎn)400列斯柯達運輸公司的Skoda Forcity型輕軌列車。

3 轉(zhuǎn)向架永磁直驅(qū)技術的特點

3.1 轉(zhuǎn)向架直驅(qū)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

3.1.1 從轉(zhuǎn)向架角度

采用永磁直驅(qū)技術的轉(zhuǎn)向架有以下優(yōu)點：轉(zhuǎn)向架可采用小直徑車輪（600～910 mm），有利于降低車體地板高度；去掉了減速齒輪及聯(lián)軸器，這樣就減輕了轉(zhuǎn)向架自重；避免了漏油給環(huán)境帶來的影響，提高了傳動效率；避免了齒輪傳動產(chǎn)生的噪聲；可將牽引與制動整合到一起，使得轉(zhuǎn)向架的基礎制動系統(tǒng)可以大大簡化；可以根據(jù)具體應用場合做成不同的結(jié)構(gòu)形式，增大了轉(zhuǎn)向架設計的靈活性；軸箱可以內(nèi)置也可以外置；轉(zhuǎn)向架不易產(chǎn)生蛇行運動；降低了通過曲線時產(chǎn)生的噪聲，為采用獨立車輪方式提供了可能；輪對徑向調(diào)節(jié)變得更加靈活，從而解決輪軌側(cè)磨、曲線波磨、輪重減載脫軌、曲線噪聲等問題。

3.1.2 從電機的角度

（1）高功率因數(shù)、高效率。研究表明永磁同步電機在25%～120%額定負載范圍內(nèi)均可以保持較高的功率因數(shù)和效率，使其在輕載運行和長時間運行中節(jié)能效果顯著。

（2）由于電機應用永久磁鐵，提高了電機的傳動效率，同時電機發(fā)熱較少，可取消電機的冷卻風扇系統(tǒng)，這樣電機的體積就可以減小，也消除了風扇高速旋轉(zhuǎn)帶來的噪聲。電機也可做成全封閉結(jié)構(gòu)，這樣牽引電機可以做到免維護，提高了電機的可靠性。

（3）結(jié)構(gòu)多樣化（電機可以做成內(nèi)轉(zhuǎn)子也可做成外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；根據(jù)電機的質(zhì)量可使電機做成彈性懸掛或剛性懸掛等）。具有以下特點：轉(zhuǎn)速相對較平穩(wěn)、過載能力強、轉(zhuǎn)矩密度大、再生制動能力強。

3.2 轉(zhuǎn)向架直驅(qū)結(jié)構(gòu)的缺點

（1）轉(zhuǎn)向架的簧下質(zhì)量相對較大（剛性懸掛）。軌道的振動將直接傳遞給牽引電機，使牽引電機受到的沖擊增大。

（2）轉(zhuǎn)矩脈動將直接傳遞給車輪，從而導致車輛的黏滑振動。

（3）每個牽引電機需要一套牽引逆變器系統(tǒng)，這樣就會增加轉(zhuǎn)向架開發(fā)的一次性投入，現(xiàn)在一套牽引逆變器給多個永磁同步電機供電的方案還在論證中，但一套牽引逆變器給一臺電機供電也帶來它的好處，這樣一來同臺轉(zhuǎn)向架的前后車輪的輪徑就可以不一樣，從而給旋輪帶來更大的靈活性。

4 結(jié)束語

通過綜合分析，轉(zhuǎn)向架永磁直驅(qū)技術在國外已經(jīng)取得了顯著的發(fā)展，尤其是在城市軌道交通車輛方面，接下來的目標是如何將該技術更好運用于高速動車組和機車上。我國永磁直驅(qū)技術在軌道車輛上的應用還處于一片空白，近十年來只做了相關的基礎研究?？紤]到我國的具體國情，轉(zhuǎn)向架永磁直驅(qū)技術在我國有著廣闊的運用前景，一旦該技術被成熟應用，其帶來的經(jīng)濟和生態(tài)效應將非?？捎^。

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General Description of the Development of the Direct-Drive Technology of Permanent Magnet Synchronous Motor of Bogie at Home and Abroad

ZH ANG Jiang，ZHONG Wensheng，LIU Gaokun
（State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China）

In this paper，the development of the direct-drive technology of bogie at home and abroad is introduced，focusing on the analysis of the direct-drive structures of bogie and the technology of the permanent magnet synchronous motor.Meanwhile，the advantages and disadvantages of the technology of the direct-drive of bogie and its future developing trends are analyzed to provide a reference for the development of the domestic direct-drive technology.

direct-drive；bogie；review；permanent magnet synchronous motor

U264.8

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.20

1008－7842（2014）03－0079－05

?）男，碩士生（

2013－10－17）