于泳

中車大連機(jī)車有限公司 遼寧大連 116000

1 永磁同步電機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

永磁同步電機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)包括[2]：（1）高效率與高功率因數(shù)。永磁同步電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)不同，無需定子繞組的無功勵(lì)磁電流，勵(lì)磁由轉(zhuǎn)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(yīng)用，永磁同步電機(jī)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(shí)采用全封閉水冷結(jié)構(gòu)，可大幅降低其噪聲。（3）高可靠性。在結(jié)構(gòu)上與電勵(lì)磁同步電機(jī)相比較為精簡(jiǎn)，可靠性相對(duì)得以提高。

2 國(guó)內(nèi)外永磁同步電機(jī)的兩種研究與發(fā)展方向

對(duì)于永磁同步電機(jī)的研究與使用，目前業(yè)內(nèi)主要圍繞以下兩種不同的技術(shù)路線進(jìn)行探索：齒輪傳動(dòng)方式，直接驅(qū)動(dòng)方式。

2.1 永磁同步電機(jī)齒輪傳動(dòng)方式的發(fā)展與應(yīng)用

（1）歐美。阿爾斯通公司對(duì)永磁同步電機(jī)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(yùn)營(yíng)。2011年裝配永磁同步電機(jī)的AGV高速列車在意大利投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，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(jī)的連續(xù)功率為305kW，質(zhì)量為276kg，與同系列感應(yīng)電機(jī)相比，質(zhì)量/功率降到了0.9kg/kW，實(shí)現(xiàn)了牽引電機(jī)輕量化。

2.2 永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式的發(fā)展與應(yīng)用

（1）歐洲。西門子公司采用水冷方式全封閉結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)，搭配最新的永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)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(yīng)牽引電機(jī)相比噪聲可降低15dB，體積減少30%，效率提高3%。

（2）日本。日本對(duì)永磁直驅(qū)式牽引電機(jī)的研究起步于20世紀(jì)90年代，至今已完成多次試制。RMT11 永磁直驅(qū)結(jié)構(gòu)作為東日本鐵路公司下一代通勤電動(dòng)車組（AC Train）的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。2002年已完成20km 的運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示可以節(jié)能10%以上，沿線噪聲約可降低5dB。

（3）中國(guó)。與歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)對(duì)永磁同步電機(jī)技術(shù)的相關(guān)研究起步略晚，但是發(fā)展勢(shì)頭比較迅猛。2013年中車青島四方車輛研究所與斯柯達(dá)公司合作生產(chǎn)的SkodaForcity型輕軌列車，該車首次采用永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)、鉸接轉(zhuǎn)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(jì)電機(jī)公司成功研制出一款功率為1200kW的永磁直驅(qū)電機(jī)，是迄今世界上最大功率的永磁直驅(qū)電機(jī)（圖1），試驗(yàn)數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)齒輪傳動(dòng)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(qū)永磁系統(tǒng)已應(yīng)用于中車大同公司生產(chǎn)的六軸電力機(jī)車上。

3 市場(chǎng)化面臨問題

圖1 1200kW直驅(qū)永磁電機(jī)與輪對(duì)

與傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)在其技術(shù)特點(diǎn)上有很多優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外近年來針對(duì)永磁同步電機(jī)在城市軌道交通領(lǐng)域的研究與市場(chǎng)化推廣進(jìn)程中也發(fā)現(xiàn)諸多問題[3]：

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

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

（3）永磁同步電機(jī)只能采用軸控方式，每個(gè)電機(jī)配有獨(dú)立的逆變器，系統(tǒng)復(fù)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(chǔ)量問題制約永磁同步電機(jī)的市場(chǎng)推廣，稀土作為我國(guó)的戰(zhàn)略資源被國(guó)家加大管控，稀土的價(jià)格波動(dòng)將極大影響永磁同步電機(jī)的制造成本。我國(guó)雖然稀土儲(chǔ)量豐富，但歐美、日本等國(guó)家稀土相對(duì)匱乏，制約了國(guó)際市場(chǎng)永磁同步電機(jī)的發(fā)展與市場(chǎng)推廣。

4 結(jié)語(yǔ)

世界各大軌道交通制造廠商都已投入到永磁同步電機(jī)研究與應(yīng)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(jī)市場(chǎng)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(jià)比永磁材料的出現(xiàn)以及制造、維護(hù)工藝的不斷發(fā)展，永磁同步電機(jī)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。