稀土永磁电机在轻型轨道交通领域的应用

1、稀土永磁电机在轻型轨道交通领域的应用骆光照，窦满峰，范娟娟，陈哲（西北工业大学，陕西西安710072）摘要：文章主要介绍了轻轨机车牵引用稀土永磁电机及其控制技术。根据轻型轨道交通的特点及应用要 求，分析了轻轨机车驱动系统的组成及凸极式永磁同步电机作为直驱牵引电机的优势，重点从电机本体设 计及驱动控制技术两个方面对稀土永磁电机作为轻轨机车牵引电机的关键技术进行了阐述。最后介绍了在 我们该领域己开展的阶段性工作。关键词：轻型轨道交通；凸极式永磁同步电机；弱磁调速；断电重投1轻型轨道交通的特点及应用自从1881年在德国柏林近郊建成世界上第一条有轨电车线路以来，有轨电车技术在车辆及控制系统、 轨道系统

2、等方面已有了质的飞跃1。20世纪60年代，在传统有轨电车的基础上诞生并发展起来的轻型轨道 交通（Light Rail Transit，LRT）是现代交通领域的又一次飞跃。2007年6月13日，国家行业标准CJJ/T 114, 2007城市公共交通分类标准的发布，使得轻轨的概念更加清晰准确。该标准对轻轨的定义是：轻轨系 统是一种中运量的轨道运输系统，采用钢轮钢轨体系，标准轨距为1435 mm，主要在城市地面或高架桥上 运行，线路采用地面专用轨道或高架轨道，遇繁华街区，也可进入地下或与地铁接轨。从该标准可以看 出，轻轨机车主要有以下四方面的特点：1）轻轨是中运量的轨道运输系统之一，这有别于地铁的大

3、运量和有轨电车的低运量；2）轻轨是采用钢轮钢 轨体系；3）轻轨与地铁一样，采用地面专用轨道或高架轨道，而不像有轨电车那样与其他地面车辆混行； 4）轻轨线路敷设方式以地面线或高架桥为主、以地下线为辅。可以看出，轻轨机车主要用于城市交通运行，采用架线直流供电或后备电池供电，以大功率直流或交流 电机驱动的轻型电机车。由于近年稀土永磁材料的开发以及电力电子技术的不断发展，稀土永磁同步电机 已经开始逐步取代异步电机而作为轻轨机车系统的牵引电机囹。另一方面，由于作为牵引电机用的永磁电 机本体及其控制方式的研究尚处初级阶段，在许多方面还需要加以深入研究及完善。因此，研究牵引用永 磁同步电机的控制系统是当前的

4、迫切需要。国外的一些专家学者对此已经做了一些有益的研究5-7，国内目 前还处于起步阶段。2轻轨机车驱动系统的组成及特点轻轨机车驱动系统由电机、驱动变流器与转向架等构成。常用的驱动电机有直流电机、异步电机、永磁 同步电机等8。早期的轻轨机车采用直流传动，直流电机技术成熟，控制性好，但其使用寿命、维护成本及体积方面的 弱势使该类电机在轻轨机车上的应用受到了很大限制。从80年代开始，异步电机设计、制造以及控制技术 都相对成熟，且具有结构简单、制造容易、成本及维护费用低、可靠性高等优点，受到大多数国家的青睐。 早在1986年，加拿大温哥华市建成了异步电机驱动的轻轨交通系统，并投入了商业应用。德国西门子

5、的 City Spdnte高地板轻轨机车、日本川崎重工研制的Swimo型低地板轻轨车辆、ABB公司的Variotram系列 轻轨车采用的都是异步电机驱动。2000年4月，首批两台国产城市轻轨车在湘潭电机股份有限公司研制成 功，采用的就是异步电机。目前，异步电机驱动的轻轨机车发展成熟，且低地板轻轨车较受欢迎。与异步电机相比，稀土永磁同步电机具有功率密度高、效率高、体积小、结构简单、输出转矩大、可控 性好、可靠性高、噪声低等一系列优点，得到电力牵引领域研究人员的重视。目前，国外部分线路已经完 成了永磁同步电机牵引运行试验，并取得了良好效果。2007年夏，由德国西门子公司开发的采用永磁同步 电机直接

6、驱动的地铁车辆开始在慕尼黑地铁线路上运行9。2006年，法国阿尔斯通公司研制的AGV高速 列车正式定型，该列车使用的就是永磁同步电机牵引10。数年前东日本旅客铁道公司E954 / E955型高速 电动车机组试验已达到预期的基本要求11。相比而言，国内相关领域的研究虽起步较晚，但目前也受到了 极大重视，部分高校和科研所积极投身其中，取得了一定的成果12-14。3稀土永磁电机用于轻轨交通的关键技术稀土永磁电机根据永磁体在转子上的安装方式分表面式(隐极式)永磁同步电机(PMSM)和内置式(凸极式)永磁同步电机(IPMSM)。采用永磁体内嵌的IPMSM由于交直轴电感不同而产生的磁阻转矩有利于提高电机的

7、功率密度、弱磁扩速及过载能力，能够在逆变器容量不变的情况下提 高电驱动车辆的调速范围，满足轻轨机车牵引电机期望的坚固结构、大启动转矩及直接驱动等特点，因此 更适合做轻轨机车的牵引电机，并且也已经成为牵引驱动的研究热点15-16。从目前研究的状况看，要使得 稀土永磁电机能够在轻轨机车驱动系统得到广泛应用，还必须解决以下几方面的问题。31电机本体设计适合轨道交通的新型凸极式转子结构设计对牵引电机来说，需要有坚固的结构并希望能有效利用磁阻转矩，同时为了更好地保护主电路，也希望 永久磁铁引起的交链磁通能够充分减小。因此，牵引电机适合采用嵌入永磁体型的转子结构，即凸极结构。 嵌入式永磁体转子(凸极式转子

8、)结构简单、加工方便，表面没有较脆的永磁材料，结构坚固，省去了端环 和护环，可使牵引电机轻量化；同时电机在运转时没有转子导体的风噪声，具有噪音低的优点。凸极式永磁同步电动机转子磁路结构形式多种多样，不同的转子结构，其空载漏磁系数、交直轴电枢反 应电抗等参数各不相同，电机的运行性能、控制性能、制造工艺和应用场合也不同。为了在有限的空间内 放置足够的永磁体，还要保证适宜的漏磁系数和电抗参数及其比值，需要对转子磁路结构进行分析研究 17。常用的高效永磁电机转子结构有“U”型和“W”型两种。“U”型结合了径向式和切向式的优点，可以提 高电动机的牵入同步能力、磁阻转矩和电动机的过载倍数，这对电动车用驱动

9、电机来讲是非常重要的；同 时，该结构提供了更多的永磁体安装空间，从而可以减小电机的体积，提高电机的功率密度18。“W”型转 子在异步起动性能上最大转矩高于“U”型，在暂态起动性能上也更易于牵入同步速，因此具有较高的运行性 能，但要以增加永磁体用量作为代价19稀土永磁电机的场、路、热结合的设计方法轻轨机车牵引用直驱永磁电机直接安装在机车底部，使用环境恶劣，必须采用全密封结构，散热条件差， 因此电机本身的发热及散热是研究电机性能的关键技术。大功率、高压永磁同步电机内部电磁场分布非常 复杂，各部分发热情况不均匀，散热条件也相差悬殊，热源之间又存在一定的热交换，所以该类电机内部 的热场分析存在一定困难

10、。因此这方面的研究是一个难点。目前常用的方法是结合电磁场有限元分析和热 场有限元分析方法对大功率、高压永磁同步电动机进行电磁场一热场耦合分析。首先通过电磁场分析得到 电机的平均损耗，并以此作为热源对电机进行热场分析；然后在此温升的基础上进行电磁场计算；通过电 磁场分析对电机损耗的重新计算，再转而进行热场分析，以此循环直至电机达到热平衡。最后，通过对电 机的温度云图和热能传递图的分析，研究电机的发热情况。采用这种方法不仅可以精确计算电机内部电磁 场的分布，而且可以得到电机内部电磁场与热场之间的能量交互过程，研究电机的发热问题，因此可以更 有效地对电机进行优化，使电机满足高效率、损耗匹配、发热合理

11、等指标。3. 2稀土永磁电机驱动控制技术(1)永磁同步电机弱磁控制方法轻轨机车的应用领域要求牵引电机具有低速大扭矩及尽可能宽的高速恒功驱动能力，以扩展轻轨机车的 行驶速度范围。牵引用稀土永磁同步电机为凸极结构，具有更宽的弱磁调速能力。而实现电机的高性能运 行，先进的控制方法必不可少。弱磁控制技术能够在电机最大输出功率不变的条件下提高轻轨机车的行驶 速度，能够更加充分地利用逆变器输出能力，从而降低逆变器的容量，因而对轻轨机车永磁电机电牵引系 统具有非常重要的意义和突出实用价值2Q水磁同步电机弱磁控制的思想来源于他励直流电机的励磁调节思想。对于永磁同步电机来说，励磁磁动 势由位于转子上的永磁体产生

12、，无法像他励直流电机一样方便地调节励磁电流，只有通过控制定子电流， 即提高d轴电流分量的去磁作用来控制气隙磁场强度，以维持电机高速运行时的电压平衡，实现弱磁扩速。 文献21提出了六步电压法，其主要思想是当电机弱磁运行时，通过控制电机的功角，调整电机的输出转 矩和减弱电机的磁场。该方法可实现对逆变器直流母线电压的最大利用。文献22采用过调制技术，根据 零电压矢量作用时间判断过调制起始点，用查表法确定调制比，提高逆变器直流母线电压利用率，实现对 永磁同步电动机弱磁运行区域的扩展。文献23提出采用电流调节器，实现永磁同步电动机的弱磁控制， 电流调节器包括前馈解耦环节和电压补偿环节。另外，由于温升和直

13、流母线电压引起的电压变化会导致电 压补偿器工作不正常，严重时可能引起整个系统的不稳定。基于这一缺陷，文献24提出了将直流母线电 压作为一个反馈量用于电压外环调节的改进方案，从而使系统工作在最大电压利用状态。控制外环的电压 可以确保电流调节器在任何工况下不至于饱和，从而取得较满意的控制效果。(2)永磁同步电机断电再投技术机车惰行或运行过程中逆变器保护等造成输出脉冲关断，相当于逆变器输出断电。当需要重新牵引或从 故障状态恢复时，逆变器应具备在机车运行过程中(具有一定的初速度)重新投入的功能。在重新投入前，机车本身具有一定的速度。与异步机不同的是，由于永磁同步电机转子磁场的存在，因 此电机绕组线端有

14、一个随转子旋转的、一定幅值的反电势电压。若投入时机不对，轻则造成系统冲击、振 荡，重则造成逆变器烧毁。因此，当逆变器重新投入时，要保证系统安全、冲击最小，必须保证逆变器输 出电压的相位及频率与当前的反电势相位及频率值相对应，而且逆变器输出电压的施加也必须有一个逐步 调节的过程。由于这个过程涉及永磁同步电机的瞬态过程，尤其在弱磁状况下该过程更为复杂，因此该方 面的研究是目前国内外该领域的一个难点，国内外在这方面的研究文献很少，仅有的文献也多从永磁电机 电枢形式方面开展研究。不过从相对成熟的异步电机的带速度重投的一些成果可能对研究永磁同步电机带 速度重投具有一定的启发和借鉴意义。文献25提出了针对

15、异步电机无速度传感器的断电重投的方法，利 用电机的Luenberger观测器模型推导出自适应辨识算法，提出了初始转速自搜索算法。在断电重投的时候， 利用已经准确估计的速度得到定转子磁链的精确值，通过调整磁链控制环节保证励磁。文献26提出在重 投瞬间使得电动机顺利励磁的方法，励磁成功后利用自适应状态观测器进行速度辨识。文献27提出在断 电重投时分两种情况进行处理：一种是变流器短时封锁后的带电重投，该情况下保存当前速度值，投入时 以该速度作为当前速度；一种是长期惰性以后，速度偏差较大时利用文献23介绍的速度自搜索方法。4当前在该领域已开展的部分研究工作目前，西北工业大学稀土永磁电机及控制技术研究所与北车集团合作开展了蓄电池供电型轻型轨道车辆 用稀土永磁同步电机及其驱动系统的研发工作。在电机设计方面，采用“场-路”结合的方法对凸极式径向励 磁结构永磁同步电动机进行了电磁设计，在设计电机有关结构尺寸及性能计算时从电机基本公式出发，在 计算有关关键参数时利用有限元方法得到。同时，利用场的方法优化设计了永磁体的磁化方向长度、宽度 和倾斜角度，使永磁体工作于最佳工作点并满足足够的磁负荷；合理设计隔磁磁桥，在满足转子强度前提 F，尽量减小漏磁，提高了永磁材