摘要：永磁同步电动机是一种交流电动机，所需维护较少，而且效率比异步电动机高，体积和重量也可以更小，因此在铁路机车中获得了越来越广泛的应用。本文具体分析了永磁同步牵引电机的关键技术，并探讨了永磁同步牵引电机在机车中的发展趋势。
关键词：永磁同步牵引电动机；铁路机车；应用
随着高速铁路的迅速发展、永磁材料耐腐蚀性和热稳定性的改善及在电机应用中成本的降低，永磁牵引电机在铁路机车中的应用已引起工程界和学术界的关注。特别是牵引电机的安装空间有限、输出功率大、调速范围宽等要求，与异步电动机相比，永磁电机结构更紧凑、功率密度高、宽负载范围内效率更高，且可用作无齿轮箱的直接传动系统和全封闭系统，使永磁电机在机车牵引中的应用将具有更大的吸引力和发展前景。
一、永磁同步电动机概述
1、结构。永磁同步电机是靠装在转子上的永久磁铁产生磁场的电动机，它由转子、端盖及定子等各部件组成，其定子结构与普通感应电动机的结构非常相似，转子结构与异步电动机的最大不同是在转子上放有高质量的永磁体磁极，根据在转子上安放永磁体位置的不同，永磁同步电动机通常被分为表面式转子结构和内置式转子结构。另外，转子磁路结构不同，则电动机的运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合也不同。
永磁体的放置方式对电动机性能影响较大。表面式转子结构-永磁体位于转子铁芯的外表面，这种转子结构简单，但产生的异步转矩很小，仅适合于启动要求不高的场合，很少应用。内置式转子结构-永磁体位于鼠笼导条和转轴之间的铁芯中，启动性能好，目前大多数永磁同步电动机都采用这种结构。
2、优点。1）损耗低、温升低。由于永磁同步电动机的磁场由永磁体产生，从而避免通过励磁电流来产生磁场而导致的励磁损耗，即铜耗；转子运行无电流，显著降低电动机温升，在相同负载情况下温升低20K以上。2）高功率因数、高效率。永磁同步电机与异步电机相比，不需无功励磁电流，所以可得到比异步电机更高的功率因数，进而得到相对较小的定子电流和定子铜耗，并且永磁同步电机在稳态运行时没有转子铜耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇容量甚至去掉风扇，它的效率比同规格的异步电机可提高2％～8％。并且，永磁同步电机在25%～120%额定负载范围内均可保持较高的功率因数和效率，使轻载运行时节能效果更为显著，在长期的使用中可大幅度节省电能。3）体积小、重量轻。近年来，随着高性能永磁材料的不断应用，永磁同步电机的功率密度得到很大的提高，比起同容量的异步电机，其体积和质量都有较大的减少，使其适合应用在许多特殊场合。4）可靠性高。与直流电机和电励磁同步电机相比，永磁同步电机没有电刷，结构简单，系统的可靠性自然更高。
二、永磁同步牵引电机的关键技术
1、防止永磁体退磁的技术。虽然永磁同步牵引电机有着与异步牵引电机无
法比拟的优点，但如果在设计过程中没有选择恰当的方式，或在较强的激烈振动下都会产生退磁的问题，同时这种问题也不可逆，通常将这种现象叫做失磁。这种问题的出现会使电机出现运行异常现象，甚至处于完全瘫痪的状态，所以需对其加强研究工作，这样才能防止设计工作中出现比较严重的失磁现象。
因永磁同步牵引电机自身的功率密度大，自身的体积也不是很大，如果电机出现过载或短路问题时，故障电流就会使电机的温度不断升高，这样也就使电机出现比较大的退磁危险，此外，逆变器供电的过程中存在着更为严重的退磁风险。谐波电流作用下会产生明显的谐波磁场，这一过程中会使永磁体的内部出现比较明显的涡流损耗，转子磁钢保护套的内部热量也会积聚，如果不能及时进行散热处理，就可能导致永磁体出现失磁的问题。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆所以在设计工作中，一定要对电机温度场试机的温度状况予以仔细的研究，采取有效的措施不断的提高电机运行中的安全性和可靠性，此外在选择材料的过程中也要注意要采用耐高温的材料，在选择结构和工艺的过程中，应选择那些小型的频快式结构，这样才能更好的抑制失磁现象的产生。
2、反电动势的设计和校核。不同类型的异步牵引电机因永磁体的作用，在外部不提供电源的情况下，旋转的过程中也会在定子绕组中产生较为明显的反电动势，如果这一电动势的峰值已超过逆变器元件的耐压极限，它就会对元件产生严重的不利影响，甚至还会导致元件的损坏现象。牵引电机在高速运转时也会产生电动势的峰值，这一峰值有可能会比逆变器直流的母线电压更高，这样一来就会产生非常明显的制动，尤其是在电机出现短路问题时，永磁同步电机如果处在高速运行的状态就可能会导致更为严重的故障。
在永磁同步牵引电机设计中，其反电动势的计算和校核是关键。如果选取较低的反电动势，虽然弱磁控制压力小，高速段时电机性能好，但电机在低速段时功率因数和效率较低；如果选取较高的反电动势，虽然可较好地实现低速段的运行性能，但高速运行时弱磁控制压力较大，需更多的直轴电流来减弱磁场，增加无功去磁电流，导致系统的功率因数和效率降低。因此，需根据不同永磁同步牵引电机的运行特点，合理选择其反电动势的大小。如针对城市轨道交通用永磁同步电机，则可采用反电动势相对较高的设计方案；而对干线高速列车，由于长时间运行在高速段，为减小高速运行时的弱磁电流，保证系统在高速时具有良好的性能，可选择反电动势相对较低的设计方案。
3、电机损耗和电枢反应电抗的准确计算。和异步牵引电机类似，永磁同步牵引电机也需带变频器运行。变频器输出电压、电流总存在时间谐波，加之永磁体的存在，永磁同步牵引电机的谐波成分及其相互作用机理更加复杂。在变频器供电下的定子谐波电流的作用，使永磁同步牵引电机的转子损耗和永磁体涡流损耗不能忽略，且损耗能否准确计算直接影响到电机发热和永磁体失磁等因素。因此，对永磁同步牵引电机损耗的计算至关重要，特别是电机在变频器供电下其转子损耗和永磁体涡流损耗的准确计算。
4、试验手段和检测要求。由于永磁同步牵引电机的转子制造与异步牵引电动机有很大不同，且设计、制造工艺相对复杂。而目前的永磁同步牵引电机与之配套的相关试验手段和检测要求还不完善，如永磁同步牵引电机空载运行、短路运行、不接在变频器上的空载运行、接在变频器上的发热运行及冲击短路、超速试验等。因此，对永磁同步牵引电机的试验手段和检测要求等关键技术需深入研究。
三、永磁同步牵引电机在机车中的发展趋势
1、在永磁同步牵引电机的定转子结构设计上，一方面采用深槽定子结构，通过深槽结构可增加直轴漏抗，从而增加电机的弱磁调速能力；另一方面，采用复合转子结构，增大电机的直轴同步电抗，扩大电机的调速范围。
2、在永磁同步牵引电机的控制技术方面，针对永磁同步电机在工作过程中不断变化的状态参数，充分考虑永磁材料的不稳定性可能带来的系统特性变化问题，采用合适智能控制理论，以适应环境和电机本身的动态变化。此外，充分考虑永磁同步牵引电机和变频器的性能，通过合适的参数匹配技术，实现永磁同步牵引电机和变频器的协调控制。
四、结语
永磁同步牵引电机在铁路机车中得到了较为广泛的应用，它对整个机车的稳定运行有着十分重要的作用，因此也逐渐受到人们的重视。同时，相对异步牵引电机而言，永磁同步牵引电机具有效率高、体积小和可靠性高的优点，将成为机车牵引电机一个发展方向。
参考文献：
[1]李益丰.永磁同步牵引电动机的特殊性[J].大功率变流技术，2015（03）.
[2]冯江华.轨道交通永磁同步牵引系统研究[J].机车电传动，2014（05）．
[3]徐强.轨道交通永磁同步牵引电机应用研究[J].科技传播，2015（23）．
论文作者:王寅
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/10/1
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