转向架永磁同步电机直接驱动技术在国内外的发展概述_张江

1、 第卷第期年月 铁 道 机 车 车 辆 文章编号： （） 转向架永磁同步电机直接驱动技术在国内外的发展概述 张 江，钟文生，刘高坤 牵引动力国家重点实验室机车车辆研究所，四川成都） （西南交通大学 摘 要 介绍了国内外转向架直接驱动（直驱）技术的发展情况，重点从转向架直驱结构和永磁同步电机技术两方面进行分析。同时分析了转向架直驱技术的优缺点及其未来的发展趋势，为国内转向架直驱技术的发展提供参考。 关键词 转向架；直接驱动；概述；永磁同步电机 中图分类号： 文献标志码： ： 传统的转向架驱动系统含有传动齿轮箱和联轴器， 这样不仅降低了传动效率还增加了转向架的自重，不利于转向架的轻量化设计。同时牵

2、引电机采用异步感应交流电机或直流电机，而异步感应交流电机效率相对较低发热严重，这就需要采用强迫风冷装置，从而增加了电机的体积。为了解决传统转向架驱动系统的不足，近二十年来，在国外出现了一股发展转向架直接驱动技术的潮流。转向架直接驱动技术是指舍弃传统转向架上电机和轮对之间的传动部件，直接将牵引电机输出的力矩或力传递给轮对或构架的一种传动技术。直接驱动技术按是否需要借助轮轨间的黏着力可分为黏着驱动和非黏着驱动，黏着驱动指列车的前进要借助轮轨间的黏着力；非黏着驱动指将牵引电机产生的力直接传递给车体或构架，不需要借助轮轨间的黏着力，该种结构主要指采用直线电机的驱动结构。若按牵引电机的类型分， 可分步感

3、应电机结构的直驱结构、永磁同步电机的直驱结构。 、 的试验结果）。该直驱结构是德国下一代城际高速动车开发的动力系统，机车速度为（ ） ，牵引电机启动牵引力达到了。 转向架永磁直驱的结构形式 转向架永磁直驱结构形式主要有 种（如图）：轮对驱动、两轮同步驱动和两轮单独驱动。 转向架永磁直驱技术在国内外的运用 转向架永磁直驱技术在德国的发展 德国是永磁直驱系统这一领域发展较早的国家，其技术相对成熟，发展对象主要是针对高速机车和动车组。 年和 年德国铁路公司委托不伦瑞克技术大学和磁性电机公司按照 的技术标准分别设计了无源转子式横向磁通永磁电动机 和有源转子式 两种方案，并将两种直驱电机安装到原型车上进

4、行了线路试验（表是、 图永磁直驱结构形式截面图 另外，在 型机车技术的基础上，西门子公司还研制了采用非弹性和弹性悬挂（如图）方式的永磁同步电动机直接驱动装置，并在班贝克 福希海线上进行了多次线路运行试验。其中采用非弹性悬挂直接驱动的型机车试验的最高速度达到了， 并取得了良好的效果。其牵引电机采用全封闭结构并 张江（）男，硕士生（收稿日期：） 第卷铁 道 机 车 车 辆基本只受垂向载荷作用；转向架质量轻、空间尺寸小；一系悬挂采用对称钢圆弹簧加减振器，主要提供垂向刚度和阻尼；一系悬挂的横向和纵向采用三角拉杆定位（如图）；轴箱采用内置结构，将轴箱与永磁电机结构一体化（如图），简化转向架结构；集构架、

5、永磁直驱电机和制动装置于一体；安全制动采用电制动取代传统的机械 摩擦制动。 且将泵和循环水冷却器的冷却循环回路与牵引逆变器 的冷却循环回路集成在一起，使结构更紧凑。 表 、 的试验结果 电机形式 额定功率传动比 电机启动转矩（）最高转速（） 电机质量 齿轮箱质量 联轴器质量电机最大效率 传动效率 总效率 电机外径 电机轴向长度 齿轮箱轴向长度 空心轴内径 图 的轴箱三角拉杆 图 电机轴箱一体结构 图 弹性悬挂直驱装置示意图 永磁直驱技术在法国的发展 法国的永磁直驱系统已经进入商业运营阶段，主要用在新一代的低地板轻轨车辆的动力转向架上，采用的是轮毂电机方式的直驱技术。下一步的发展方向将围绕如何将

6、永磁直驱技术成功应用到高速动车组 上。年法国 公司为低地板车辆 开发了 全封闭永磁同步牵引电机。 型轻轨车辆是 在轨道交通领域里的一个非常重要产品，在欧洲地区占有相当大的市场份额，该系列轻轨已经累计销售了 列以上，分别运行在全世界的多个城市中。其永磁直驱传动则是近十年来才开发出来的，用于最新的低地板车辆转向架 （如图）。该转向架采用独立车轮结构，电机采用轮毂电机。第一批装有该转向架的轻轨车辆已用于伊斯坦布尔，共列。阿尔斯通的 和 型轻轨车辆也使用转向架。 近年来，西门子开发了新一代城轨车辆，它采用了西门子公司的最新永磁直驱转向架 （如图 ），其永磁直驱电机为全封闭、水冷电机，转子采用表面式永磁

7、铁安装方式，极对数为，额定功率，总效率，与同功率的感应牵引电机相比噪声可降低，体积减少，效率提高。 年夏天该转向架装在德国慕尼黑的地铁车上进行长时间的线路试运营，以了解该转向架的各项综合性能， 年 月正式投入载客试运行。 图转向架总体图 永磁直驱技术在日本的发展 始，日本对直接驱动式牵引从 世纪 年转向架具有以下特点：转向架轴重， 轴距为 ，使其更容易通过小半径曲线；构架侧梁与横梁采用铰接结构（如图），转向架扭转刚度小，适应线路不平顺能力强；构架受力状态简单，尤其是侧梁 电机的研究一直未停，迄今为止已进行了多次试制。 系列永磁直驱电机是其直驱技术发展的核心部分。 第期转向架永磁同步电机直接驱动

8、技术在国内外的发展概述 图可变轨距轮对结构 外转子型结构鼠笼异步电动机（水冷）， 外转子型结构永磁同步电机 （自冷）， 内转子型结构永磁同步电机（自冷）（如图）。这种直驱结构如表 图 动力转向架 年日本铁道综合技术研究所（）以窄轨高速列车 为目标（该型列车为低地板独立旋转轮结构），试制了第一台 型直接驱动式永磁同步电机样机，安装于独立旋转车轮转向架该转向架轴 箱采用内置结构，牵引电机直接位于车轮的外侧，为外转子型电机，直接驱动车轮，车轮直径仅为 。与具有同等性能的直接驱动式异步电动机相比，其质量减轻了，而效率提高了，功率因数增加了 ，但该型永磁直驱电机并没有达到预期的效果。 接着又研制了种型号

9、的永磁电机，其参数和应用场合如表所示，该系列电机的试验为日本的永磁直驱技术的发展提供不少的技术资料，为后期的发展奠定了基础。 表 、参数表 所示。经过综合评定，将 永磁直驱结构定型为东日本铁路公司下一代的通勤电动车组的驱动系统。 年将其搭载在商业运行的 系电动车组上进行了大约万 的运行试验，试验取得了很好的效果。 表、种直驱结构 型号外转子、独立轮驱动 外转子、轮对驱动 外转子、独立轮驱动 结构冷却方式 全封闭自冷 全封闭水冷 全封闭自冷 全封闭水冷 强迫式风冷 额定功 率 额定转速 （）质量 （持续） 可变轨距城际列车 可变轨距城际列车 使用场合窄轨城际列车 窄轨城际列车 窄轨城际列车 窄轨

10、城际列车 年，一列安装有可变轨距永磁电机 （如图）三辆编组的高速列车在美国的普韦布洛山口进行了线路试验，试验速度在 左右，累计走行 万试验结束后又在日本新干线和既有线路之间进行了大量线路试验。 年东日本铁路公司（）开始开发 （ ） 电动车组，使其满足 世纪对市郊轨道车辆的要求（其主要目标是降低成本及全寿 命维修费用，满足年免维护性能）。日本铁道综合技术研究所为其开发了种直驱式，分别是 第卷铁 道 机 车 车 辆程运用。 车集团青岛四方车辆研究所将生产 列斯柯达运输公司的型轻轨列车。 转向架永磁直驱技术的特点 转向架直驱结构的优点 图 内转悬挂结构示意图 性从转向架角度 采用永磁直驱技术的转向架

11、有以下优点：转向架可采用小直径车轮（ ），有利于降低车体地板高度；去掉了减速齿轮及联轴器，这样就减轻了转向架自重；避免了漏油给环境带来的影响，提高了传动效率；避免了齿轮传动产生的噪声；可将牵引与制动整合到一起，使得转向架的基础制动系统可以大大简化；可以根据具体应用场合做成不同的结构形式，增大了转向 架设计的灵活性；轴箱可以内置也可以外置；转向架不易产生蛇行运动；降低了通过曲线时产生的噪声，为采 用独立车轮方式提供了可能；轮对径向调节变得更加灵活，从而解决轮轨侧磨、曲线波磨、轮重减载脱轨、曲线噪声等问题。 电动车组转向架的主要特点：采用铰接 式转向架，其铰接式转向架又开发了两种分别为 点支撑式和

12、点支撑式结构；采用了永磁直驱技术，其动轴数目减少，黏着质量明显提高；电机内转子通过橡胶抱在车轴上，使转向架的簧下质量大大减轻，从而减小轮轨间的动作用力，进而使转向架的动力学性能得到改善；该转向架的轴箱采用外置式结构，增大车轮之间的空间，使牵引电机的结构得到改善。 东芝公司的永磁同步直驱转向架已经运用在东京地铁的千代田线、丸之内线、银座线。同时也获得了新加坡铁路运营商 公司的订单，用于升级新加坡捷运系统的两大通勤线路，首期两列车将于 年交付，并进行年的线路试运营。 低地板轻轨车辆永磁直驱系统 公司开发的 （也称为 ）采用了永磁直驱技术，该轻轨车辆属于 低地板车辆，其中间转向架采用雅克比转向架，车

13、端采用心盘式转向架，车辆采用模块化设计， 辆或辆编组。目前从电机的角度 （）高功率因数、高效率。研究表明永磁同步电机 在 额定负载范围内均可以保持较高的功率因数和效率，使其在轻载运行和长时间运行中节能效果显著。 （）由于电机应用永久磁铁，提高了电机的传动效率，同时电机发热较少，可取消电机的冷却风扇系统，这 样电机的体积就可以减小，也消除了风扇高速旋转带来的噪声。电机也可做成全封闭结构，这样牵引电机可以做到免维护，提高了电机的可靠性。 （）结构多样化（电机可以做成内转子也可做成外转子结构；根据电机的质量可使电机做成弹性悬挂或刚性悬挂等）。具有以下特点：转速相对较平稳、过载能力强、转矩密度大、再生

14、制动能力强。 的布拉格和拉脱维亚的里 加。如该车运营在捷克图，转向架采用独立旋转车轮结构，弹性车轮， 个车轮单独驱动方式，采用永磁同步电机直驱技术， 电机采用内转子结构，定子与转向架构架相连接。基础 制动装置包括 制动、再生制动、电阻制动、磁轨制 动。 转向架直驱结构的缺点 （）转向架的簧下质量相对较大（刚性悬挂）。轨道的振动将直接传递给牵引电机，使牵引电机受到的冲击增大。 （）转矩脉动将直接传递给车轮，从而导致车辆的黏滑振动。 （）每个牵引电机需要一套牵引逆变器系统，这样就会增加转向架开发的一次性投入，现在一套牵引逆变器给多个永磁同步电机供电的方案还在论证中，但一套牵引逆变器给一台电机供电也

15、带来它的好处，这样一来 图转向架结构 永磁直驱技术在国内的发展 转向架永磁直驱技术在国内刚处于起步阶段，目前通 过带齿轮箱的永磁电机传动系统已经用于商业运营， 在未来的很长一段时间将着手研制永磁直驱技术的工 第期转向架永磁同步电机直接驱动技术在国内外的发展概述 同台转向架的前后车轮的轮径就可以不一样，从而给旋 轮带来更大的灵活性。 ， 新型转向架 国外机车车辆工艺， ，（）： 结束语 通过综合分析，转向架永磁直驱技术在国外已经取得了显著的发展，尤其是在城市轨道交通车辆方面，接 下来的目标是如何将该技术更好运用于高速动车组和机车上。我国永磁直驱技术在轨道车辆上的应用还处于一片空白，近十年来只做了相关的基础研究。考虑到我国的具体国情，转向架永磁直驱技术在我国有着广阔的运用前景，一旦该技术被成熟应用，其带来的经济和生态效应将非常可观。 参考文献 ：，（）： 王