李華祥, 張志和, 劉 鵬, 原志強

(中國中車大同電力機車有限公司 技術中心， 山西大同 037038)

世界軌道交通牽引系統(tǒng)的第1代是直流電機牽引系統(tǒng)，第2代是起步于20世紀70年代的交流異步電機牽引系統(tǒng)，也是當前的主流技術，而永磁同步牽引系統(tǒng)由于具有損耗低、效率高、啟動特性好、加速能力強、噪聲低等顯著優(yōu)勢，代表了未來提倡節(jié)能減排，綠色環(huán)保的技術發(fā)展趨勢，成為下一代牽引系統(tǒng)的發(fā)展方向[1]。軌道交通行業(yè)傳統(tǒng)的驅動系統(tǒng)含有齒輪箱，而直接驅動技術是將牽引電動機輸出的力矩或力直接傳遞給輪對，直接驅動輪對，不需要齒輪箱作為中間傳動部件，提高了傳動效率，降低了傳動能耗和后期檢修維護的費用，是一種新型驅動技術。

大功率永磁直驅技術是將永磁同步牽引系統(tǒng)和直驅系統(tǒng)兩種先進技術結合起來，在大功率軌道交通機車車輛中進行應用，永磁同步牽引電動機具有高功率密度的特點，采用多極結構，空間、材料利用率高，在同等尺寸和質(zhì)量的條件下，可以實現(xiàn)大轉矩牽引[2]，這使得軌道交通行業(yè)大功率直接驅動技術的實現(xiàn)成為可能，大功率永磁直驅技術具有傳動效率高、維護成本低、運行噪聲低、消除齒輪箱油對環(huán)境污染等特點，是繼交流傳動技術替代直流傳動技術后又一新的重大技術跨越。

1 技術優(yōu)勢

永磁直驅技術與傳統(tǒng)的異步電機驅動技術相比，有以下技術優(yōu)勢：

1.1 傳動系統(tǒng)效率高

永磁電動機無勵磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)，定子銅耗相對較小，轉子無銅耗，電機效率高，直驅系統(tǒng)沒有傳動齒輪的效率損失，一級齒輪箱的傳動效率一般為97.5%，當取消該齒輪箱后，整個傳動系統(tǒng)效率提升。

如圖1所示，圖1是永磁直驅系統(tǒng)與異步電機系統(tǒng)在滿載時效率對比情況，可以看出在高速段永磁直驅系統(tǒng)效率最高可提高3%。

圖1 永磁直驅電機與異步電機在滿載時效率對比情況

1.2 維護成本低

一般電力機車的使用維修費用是購置費的 3～8倍，有效控制機車的運用維修費是考核軌道交通運輸裝備的重要指標，而采用永磁電機直驅方式，由于取消了齒輪箱，齒輪箱更換軸承、橡膠關節(jié)、換齒輪油等維護工作不再需要，同時節(jié)約了相應的維護備件、時間和人工費用。并且直驅驅動系統(tǒng)結構簡單，免維護服役周期長，提高了驅動系統(tǒng)的可靠性。圖2是傳統(tǒng)異步電機驅動系統(tǒng)和直驅系統(tǒng)的外形圖。

圖2 傳統(tǒng)異步電機驅動系統(tǒng)和直驅系統(tǒng)的外形圖

1.3 環(huán)保

齒輪箱運行時，會帶來很大的噪聲，尤其當高速運行時，因此當取消齒輪箱后，可以徹底消除齒輪箱帶來的噪聲，提高了運行的舒適度。同時由于取消了齒輪箱，避免了由于齒輪油泄漏導致的環(huán)境污染，也避免了廢齒輪油、廢橡膠關節(jié)回收、處理不當造成的環(huán)境污染。

2 國內(nèi)外技術發(fā)展現(xiàn)狀

隨著永磁材料性價比的不斷提高以及控制系統(tǒng)的不斷進步，在軌道交通領域，國際上和國內(nèi)均已經(jīng)開展了永磁牽引系統(tǒng)方面的研究及探索，許多公司采取的策略是用永磁電動機直接取代異步電動機的帶齒輪箱的間接驅動方式，主要應用在動車、地鐵等領域，功率從120 kW到720 kW不等，采用的冷卻方式有水冷方式、全封閉自通風和強迫通風方式，見表1。

在采用取消傳動齒輪箱的直驅驅動方式上，各公司也進行了探索，因直驅技術受電機功率密度的限制和軌道交通轉向架的體積、質(zhì)量等限制，目前主要應用在小功率的地鐵和城際車等領域，目前應用的最大牽引電機功率是500 kW，采用的冷卻方式基本為水冷，見表2。

表1 國內(nèi)外永磁電機取代異步電機的間接驅動技術應用

表2 國內(nèi)外永磁電機取代異步電機的直驅技術應用

在功率較大的單個牽引電機功率在1 200 kW及以上的電力機車領域，國際上尚沒有開展相關研究，隨著永磁材料技術的不斷發(fā)展，大功率永磁直驅技術的應用逐漸成為了可能。

3 技術難點

大功率永磁直驅技術給設計帶來的挑戰(zhàn)是很大的，盡管取消齒輪箱帶來許多優(yōu)點，但同時給直接驅動結構設計、永磁電機設計和永磁變流系統(tǒng)控制帶來很大的難度。

3.1 直驅驅動結構設計

采用直驅驅動結構的大功率永磁電機扭矩成倍增加，電機質(zhì)量較大，如電機抱在車軸上，電機的全部質(zhì)量將成為簧下質(zhì)量，極大的增加了輪軌沖擊動作用力，輪軌沖擊問題將更加突出。而采用聯(lián)軸器傳動方式后，電機實現(xiàn)了架懸，電機全部質(zhì)量成為了簧上質(zhì)量，有利于減輕輪軌沖擊動作用力。

聯(lián)軸器空心軸結構實現(xiàn)了大功率直驅驅動：聯(lián)軸器空心軸兩端各設置一組撓性板，其中一端設置傳力盤，空心軸一端通過聯(lián)軸器與傳力銷連接，傳力銷壓裝到主動車輪上，空心軸另一端通過聯(lián)軸器的端齒結構與牽引電機輸出端用螺栓連成一體，牽引電機的扭矩通過聯(lián)軸器直接傳遞到車輪上，見圖3。直驅驅動結構要求聯(lián)軸器能夠實現(xiàn)徑向和軸向位移補償量，必須滿足轉向架一系懸掛和彈性架懸合成的位移要求。

圖3 聯(lián)軸器空心軸和直驅驅動系統(tǒng)結構圖

3.2 大功率永磁電機設計

根據(jù)電機學原理，電動機的有效體積與電動機的轉矩成正比，因此采用帶齒輪箱的傳動方式，電動機體積和質(zhì)量較小，這也是目前所采用的傳統(tǒng)傳動方式。但當取消齒輪箱后，傳動比μ為1，為保證車輛的牽引力，電機的轉矩為所帶齒輪箱時的轉矩乘以傳動比，由于電動機的有效體積與電動機的轉矩成正比，因此采用取消齒輪箱的傳動方式與帶齒輪箱的電機相比，轉矩擴大μ倍，在相同的電磁負荷條件下，電動機體積和質(zhì)量也擴大μ倍，這種原理上質(zhì)量重、體積大與實際大功率機車車輛應用所要求的質(zhì)量輕、體積小之間存在的矛盾給電機設計帶來巨大的挑戰(zhàn)。

綜合考慮實際應用要求，對某一項目的牽引功率1 200 kW、額定扭矩33 124 N·m 的大功率大扭矩永磁直驅電機進行了設計和制造。直驅永磁電機在保證電機性能、結構強度的前提下，通過采用鑄鋁端蓋、多極設計、增加減重孔等形式對電機進行減重優(yōu)化設計，同時采用空心軸設計配合轉向架直驅驅動結構，采用轉子密封、定子強迫通風的冷卻方式進行通風散熱。為了驗證設計的可靠性，通過電磁仿真分析、結構分析、通風散熱分析、磁鋼分段對渦流損耗的影響分析等手段來驗證設計是否合理。大功率永磁直驅電機結構三維圖和電磁仿真分析圖見圖4。

圖4 大功率永磁直驅電機結構三維圖和電磁仿真分析圖

3.3 永磁變流控制技術

當變流器主動或者被動終止工作時，由于永磁同步電機由轉子上的永磁體提供轉子磁場，旋轉中的永磁電機會產(chǎn)生較高的反電勢，較高的反電勢會給變流系統(tǒng)帶來諸多問題，例如逆變器直流側電容不能完全吸收再生能量導致過電壓，IGBT有可能燒毀等。

將永磁同步電機應用于軌道交通中，必須要考慮如何消除反電勢對牽引系統(tǒng)造成的影響。針對反電勢問題，從以下3個方面進行控制：

(1)采用隔離接觸器：在永磁牽引電機與牽引逆變器之間增加隔離接觸器進行隔離，當變流器停止工作時，通過控制隔離接觸器將牽引逆變器與永磁牽引電機隔離，起到保護器件的作用。采用隔離接觸器的永磁變流系統(tǒng)牽引回路圖見圖5。

(2)采用控制策略抑制反電勢：在額定轉速以上采用恒功率弱磁控制策略，當在各種工況之間切換時，先抑制反電勢，建立弱磁磁場然后再閉合接觸器輸出力矩，能使永磁同步電機在高速時輸出恒定功率，保證系統(tǒng)可靠。采用弱磁控制策略的軸電流仿真圖見圖6。

圖5 永磁變流系統(tǒng)單軸牽引回路圖

圖6 采用弱磁控制策略的軸電流仿真圖

(3)從電機設計角度解決反電勢問題：對于大功率電力機車，由于長時間運行在高速段，為了減小高速運行時的弱磁電流，保證系統(tǒng)在高速時具有良好的性能，選擇反電勢相對較低的設計方法，即在設計永磁電機之初，就降低電機反電勢，將永磁電機反電勢峰值電壓設計低于電子器件的耐壓峰值，根本上解決反電勢問題。

4 技術風險

大功率永磁直驅技術采用了聯(lián)軸器直驅驅動系統(tǒng)、大功率永磁直驅電機和永磁變流系統(tǒng)控制等新技術，存在由于技術因素導致的技術風險。

聯(lián)軸器直驅驅動系統(tǒng)的可靠性是技術風險之一。車輪的高頻振動、短波激擾直接傳遞到聯(lián)軸器，因此聯(lián)軸器對振動的減振和振動傳遞效果是驅動系統(tǒng)可靠性的重要因素，通過模擬聯(lián)軸器實際安裝狀態(tài)進行垂向、橫向、縱向的剛度試驗和沖擊振動試驗驗證聯(lián)軸器的振動性能，有試驗數(shù)據(jù)表明采用撓性板聯(lián)軸器的直驅驅動系統(tǒng)能夠適應符合IEC 61373標準規(guī)定的工作環(huán)境條件下的振動沖擊并且剛度性能穩(wěn)定，滿足長期可靠的使用要求。

大功率永磁直驅電機的失磁風險也是技術風險之一。在電機設計時充分考慮各種潛在風險，留有足夠的安全余量。通過采用高絕緣等級材料、永磁體表面進行涂層處理和電機短路狀態(tài)下的短路電流仿真分析來預防永磁體因溫度影響、氧化影響和大電流沖擊而產(chǎn)生的永磁體失磁現(xiàn)象，保證永磁電機正常工作。

永磁變流系統(tǒng)控制性能及可靠性也是技術風險之一?？赏ㄟ^對各種工況下的隔離接觸器動作、接地保護、短路保護、溫升測試、失效工況測試等仿真驗證和試驗驗證手段來驗證控制系統(tǒng)性能和可靠性。

5 大功率永磁直驅電力機車

大功率永磁直驅電力機車是在大功率交流傳動電力機車領域開展大功率永磁直驅新技術應用而研制的機車，適應中國鐵路使用環(huán)境，采用功率1 200 kW永磁電機直接驅動輪對技術和大功率永磁同步電機牽引傳動變流和控制技術，機車總效率可提升到0.88以上，維護周期長，高效節(jié)能環(huán)保。大功率永磁直驅電力機車外形圖見圖7。

圖7 大功率永磁直驅電力機車外形圖

大功率永磁直驅電力機車轉向架驅動系統(tǒng)采用撓性疊片聯(lián)軸器直接驅動方式，結構簡單，同時較小的轉向架固定軸距有利于改善曲線通過性能。交流永磁同步電傳動系統(tǒng)采用獨立軸控變流器和永磁同步電機，采用合理的反電勢抑制策略。變流器采用最大轉矩電流比和弱磁控制技術，轉矩控制精度高、諧波含量低。永磁同步電機效率和功率因數(shù)高，采用定子強迫通風、全封閉轉子結構，滿足運用環(huán)境要求。

6 結 論

大功率永磁同步電機直接驅動轉向架的技術研究是軌道機車車輛領域的新課題，該技術取消了傳統(tǒng)轉向架的齒輪傳動裝置，采用撓性板聯(lián)軸器實現(xiàn)永磁電機與輪對之間的直接驅動連接，撓性板聯(lián)軸器直驅系統(tǒng)結構簡單，可靠性高，為全金屬整體免維護部件，采用此新技術的電力機車效率將大大提升，且節(jié)能環(huán)保，大功率永磁直驅驅動技術及其在電力機車上的應用是繼交流傳動替代直流傳動后又一新的重大技術跨越，引領未來機車車輛的技術發(fā)展方向。