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由于體積小、重量輕、效率高、功率密度高的特點，永磁同步電機(jī)近年來受到軌道交通行業(yè)的密切關(guān)注。闡述了永磁同步電機(jī)的發(fā)展應(yīng)用概況、結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)特點，為永磁同步牽引系統(tǒng)的研究應(yīng)用提供參考，以積極推動我國永磁同步牽引系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：永磁同步牽引電機(jī)；特點；軌道交通

中圖分類號： TM3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

永磁同步電機(jī)由于其率、高功率因數(shù)，體積小，重量輕、高功率密度、啟動轉(zhuǎn)矩大和更好的動態(tài)性能，永磁電機(jī)在軌道交通牽引系統(tǒng)的研究與應(yīng)用日益廣泛。

1 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點

永磁同步電機(jī)是靠裝在轉(zhuǎn)子上的*磁鐵產(chǎn)生磁場的同步電動機(jī)。它也由定子、轉(zhuǎn)子等部件構(gòu)成。定子與普通異步電動機(jī)基本相同，是由疊壓硅鋼片構(gòu)成的定子鐵心和嵌在定子鐵心槽內(nèi)的定子線圈組成。轉(zhuǎn)子的基本結(jié)構(gòu)分轉(zhuǎn)子鐵芯，軸，永磁體。轉(zhuǎn)子永磁體結(jié)構(gòu)是永磁同步電動機(jī)與其他電機(jī)主要的區(qū)別。

永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子大致分為表面磁石型和埋入磁石型。

表面磁鐵型永磁同步電動機(jī)在轉(zhuǎn)子的外側(cè)覆蓋一層非磁性的結(jié)構(gòu)材料，壓住*磁鐵，以防止電機(jī)高速運轉(zhuǎn)時表面磁鐵飛出。且高速運行時永磁體的安裝工藝要求較高。

埋入磁石型是*磁鐵在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，鐵心通常有磁性凸極性的形狀，可以產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，永磁磁鏈可以設(shè)計的較低，從而使得電機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力增大。同時，降低電機(jī)反電勢，防止高速惰性時電機(jī)反電勢對驅(qū)動電機(jī)的變流器的損害。埋入磁石型同步電機(jī)適合鐵道車輛驅(qū)動用。

2 永磁同步電動機(jī)的技術(shù)特點

2.1率、高功率因數(shù)

與感應(yīng)電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)的勵磁由轉(zhuǎn)子上的*磁鐵產(chǎn)生，不需要定子繞組的無功勵磁電流，所以可以得到更高的功率因數(shù)。進(jìn)而得到相對較小的定子電流和定子銅耗；并且由于永磁同步電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運行時沒有轉(zhuǎn)子銅耗，從而可以因總損耗降低而減小冷卻風(fēng)扇容量甚至去掉冷卻風(fēng)扇。它的效率比同規(guī)格的異步電動機(jī)可提高2% ～7%，IM一般約為90-92%，PMSM可達(dá)96-97%。

2.2體積小，重量輕。

隨著高性能永磁材料的不斷應(yīng)用，永磁同步電機(jī)的功率密度得到很大的提高，比起同容量的直流電機(jī)和異步電動機(jī)，其體積和質(zhì)量都有較大的減少。而且由于電機(jī)損耗小，可省卻龐大的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，使其在相同功率下，永磁同步電機(jī)一般要輕1/3左右。異步電機(jī)一般約為1.2-1.5kg/kW，永磁同步電機(jī)可達(dá)在1.0kg/kW以下，AGV的只有0.96kg/kW。

2.3噪聲低、少維護(hù)；

永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子，因為沒有感應(yīng)電機(jī)上能看到的轉(zhuǎn)子端部的導(dǎo)體突出及短路環(huán)，所以不會產(chǎn)生由此帶來的氣動噪聲。

永磁同步電機(jī)可作為全封閉牽引電機(jī)。永磁同步電機(jī)因轉(zhuǎn)子無電產(chǎn)生，發(fā)熱很小，較容易采取全封閉自冷方式，這樣電機(jī)內(nèi)部的噪聲被隔離。

采用全封閉式結(jié)構(gòu)，灰塵不能進(jìn)入牽引電機(jī)內(nèi)部，從而不需要對電機(jī)進(jìn)行定期解體清掃，減少維護(hù)量。

與感應(yīng)電機(jī)相比，噪聲降低可達(dá)15%。

2.4空載感應(yīng)電壓

永磁體的存在使永磁同步電機(jī)在斷電的情況下惰行時定子繞組產(chǎn)生空載感應(yīng)電壓，并且隨著轉(zhuǎn)速的升高反電勢亦升高。當(dāng)永磁同步電機(jī)作為鐵道車輛牽引電機(jī)時，由于鐵道車輛*的惰行工況，必須解決永磁同步電機(jī)在鐵道車輛惰行時的高反電勢，以及由此帶來的重投困難。電機(jī)在高速惰行時一方面產(chǎn)生較高的反電勢有可能造成制動的情況，另一方面，空載感應(yīng)電壓的峰值若超過逆變器的耐壓就會損壞逆變器。因此有必要對空載感應(yīng)電壓進(jìn)行控制。

控制空載感應(yīng)電壓兩個主要措施：

（1）控制磁通以降低空載感應(yīng)電勢

永磁電機(jī)氣隙磁場由轉(zhuǎn)子的*磁鐵和定子的電樞電流合成產(chǎn)生。*磁鐵磁通恒定不能控制，只能控制定子直軸電流。在電機(jī)高速運行時施加直軸負(fù)向電流，從而減弱合成氣隙磁場，以降低反電勢。

在惰行時施加直軸負(fù)向電流將帶來惰行的銅耗，降低電機(jī)的效率，因此施加直軸負(fù)向電流是有限度的。

（2）合理設(shè)計電機(jī)結(jié)構(gòu)，控制空載反電動勢

在牽引系統(tǒng)設(shè)計時，為了保證永磁同步電機(jī)在運行中可能產(chǎn)生的zui大反電勢小于直流母線電壓值，應(yīng)滿足：Emax=PωmaxΨf

式中，Emax 為電機(jī)產(chǎn)生的zui大反電勢；P 為電機(jī)極對數(shù)；Ψf為永磁體產(chǎn)生磁鏈，ωmax 為電機(jī)運行過程中zui高角速度；Ud為直流母線電壓。

這樣，永磁磁鏈不能設(shè)計的太大。如果單靠永磁鏈產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩是不能滿足鐵道車輛zui大輸出轉(zhuǎn)矩的要求的。根據(jù)永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式

M=1.5P [Ψfiq + （Ld —Lq）iqid。] （2）

其中，Ld 為直軸同步電感；Lq為交軸同步電感。為了滿足鐵道車輛zui大輸出轉(zhuǎn)矩的要求，只能通過選擇交直軸電感來增大磁阻轉(zhuǎn)矩-增加凸極率（Lq / Ld ），從而獲得足夠大的輸出轉(zhuǎn)矩。

有多種方法通過對轉(zhuǎn)子的磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計增加凸極率，國外在這方面的研究與應(yīng)用上已取得了可喜的成果，內(nèi)埋型雙層磁路結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)，其交軸電感Lq是單層磁路結(jié)構(gòu)的1.35倍，直軸電感Ld不變，由此凸極率大大增加。一種切向和徑向混合型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)新型永磁電機(jī)，這種電機(jī)大大增大凸極率，而且與同體積和重量的切向轉(zhuǎn)子磁路結(jié)永磁電機(jī)相比，磁性材料用量減少25%，轉(zhuǎn)矩增加50%

定子繞組串并聯(lián)的方法解決高速時高空載反電勢又能使電機(jī)在整個速度運行范圍都能獲得較好的性能。繞組串并聯(lián)是指在低速運行時采用繞組串聯(lián)的形式，在電機(jī)高速運行時采用繞組并聯(lián)的方式，繞組并聯(lián)運行時，繞組串聯(lián)匝數(shù)減少，反電動勢低，轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速高，使電動機(jī)能夠高速運行，降低了對電動機(jī)弱磁擴(kuò)速能力的要求，甚至電機(jī)不需弱磁控制就能達(dá)到既高速空載反電勢又不高的要求。繞組串并聯(lián)方案存在zui大的缺點就是在繞組換接后電機(jī)電流增加幅度較大大，對逆變器功率器件要求較高，合理選擇繞組換接速度點，使達(dá)到zui高速度時電機(jī)反電勢達(dá)到zui大可緩解電流增加幅度。

2.5永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率與定子電流頻率相同

永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速n與電流頻率f1關(guān)系為： n=60f1/p。其中p為電機(jī)極對數(shù)。

在機(jī)車車輛中，由于輪徑不一樣，每個輪子（即電機(jī)轉(zhuǎn)速）不一樣，要求給電機(jī)供電的逆變器的頻率不一樣。所以只能采用一個逆變器控制一臺永磁電機(jī)。

結(jié)語

永磁同步電機(jī)相對異步電機(jī)而言具有效率高、功率因數(shù)高、體積小、重量輕、可實現(xiàn)全封閉結(jié)構(gòu)、噪音低、維修量小等的優(yōu)點，已成為高速鐵路和城市軌道車輛牽引電機(jī)又一個新的發(fā)展方向。