轨道交通永磁同步牵引系统研究

1 5 收稿日期：2 0 1 0 - 0 7 - 0 6 机 车 电 传 动 ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES 5 , 2 0 1 0 S e p . 1 0 , 2 0 1 0 2 0 1 0 年第 5 期 2 0 1 0 年 9 月 1 0 日 论 坛 专 栏 轨道交通永磁同步牵引系统研究 冯江华 （南车株洲电力机车研究所有限公司， 湖南 株洲4 1 2 0 0 1 ） 作者简介：冯江华（1 9 6 4 - ） ， 男，博士，高级工程师（教 授级） ，长期从事牵引传动 与控制的研究。 摘要 ：由于体积小、重量轻、效率高、功率密度高的特点，永磁同步电机近年来受到轨道交 通行业的密切关注。 阐述了永磁同步电机的发展概况、 优点及其结构， 并从实现轨道交通直接传动和 直接替换现有异步牵引系统两方面阐述了目前永磁同步牵引系统的研究概况， 同时介绍了南车株洲电 力机车研究所有限公司在永磁同步牵引系统所开展的工作。 综合技术趋势和工程化， 从系统设计策略、 主电路结构、永磁同步电机、控制策略以及运营维护等方面对永磁同步牵引系统进行了具体的分析， 为永磁同步牵引系统的研究应用提供参考，以积极推动我国永磁同步牵引系统的技术发展。 关键词：轨道交通；永磁同步牵引电机；永磁同步牵引系统 Study on the Permanent Magnet Synchronous Motor Drive System of Rolling Stock F E N G J i a n g - h u a (CSR Zhuzhou Institute Co., Ltd., Zhuzhou, Hunan 412001, China) Abstract: The permanent magnet synchronous traction technology had been drawn closely attention in rolling stock industry for its characteristics, such as low volume, light weight, high efficiency and high power density. The paper introduced the development overview, advantages and structure of permanent magnet synchronous motor (PMSM). The research overview of PMSM traction system had been introduced from direct drive and directly replacing the existing induction motor traction system. The work PMSM traction system did by CSR Zhuzhou Institute Co., Ltd. had been introduced. The paper introduced the PMSM traction system from system design method, main circuit structure, PMSM, control method and operation and maintenance, which provides reference for the application of PMSM traction system and actively promote the development of PMSM traction system in our country. Key words: rolling stock; permanent magnet synchronous traction motor; permanent magnet synchronous traction system 0 引言 目前欧洲、 日本等均把 “绿色” 即节能环保作为其 未来技术升级与突破的核心之一。 我国幅员辽阔， 拥有 世界上品类最齐全 （从普速到高速、 从快运到重载、 从 城轨到城际等） 、 技术最先进 （运营速度、 装备可用率、 装备负荷率等） 的轨道交通网， 因而轨道交通车辆的节 能降耗对于我国尤为重要。 牵引传动系统是轨道交通车辆装备的实现机电能 量转换的 “心脏” 单元， 其性能在某种程度上决定了轨 道交通车辆的动力品质、 能耗和控制特性， 因而是轨 道交通车辆节能升级的关键。 永磁同步电机具有能量 密度高、 过载能力强等优点， 德、 日、 法等国正在积极 研制永磁同步电机牵引传动系统。 永磁同步电机和现 代电力电子技术、 控制理论相结合， 对轨道交通牵引 技术的创新而言将是一场革命。 1 永磁同步电机 1 . 1 永磁同步电机的发展概况 1 9 世纪2 0 年代， 世界上第1 台电机就是永磁体励磁 电机。 但当时使用天然永磁材料， 磁能积低， 电机体积庞 大， 不久就被电励磁电机所取代。 2 0 世纪3 0 年代出现的铝 镍钴永磁材料和5 0 年代出现的铁氧体永磁材料， 磁性能 有了很大的提高， 从而带动永磁电机突破性的发展。 永磁电机的发展与永磁材料工业的发展密切相关。 1 9 8 3 年， 日本住友株式会社制成钕铁硼稀土永磁体。 由 于其优异的磁特性、 相对钐钴永磁材料低廉的成本和 中图分类号：U 2 6 0 ；U 2 6 6 . 2 ；T M3 4 文献标识码 ：A 文章编号：1 0 0 0 - 1 2 8 X ( 2 0 1 0 ) 0 5 - 0 0 1 5 - 0 7 1 6 机 车 电 传 动2 0 1 0 年 较充足的材料来源等原因， 成为稀土永磁同步电机首 选的材料。 永磁电机的发展大致可以分为4 个阶段： 2 0 世纪6 0 年代后期和7 0 年代， 由于稀土钴永磁 材料价格昂贵， 研究开发重点是航空航天和要求高性 能的高科技领域用电机； 2 0 世纪8 0 年代， 特别是1 9 8 3 年出现价格相对较 低的钕铁硼永磁材料后， 国内外研究开发的重点转移 到工业和民用电机上； 2 0 世纪9 0 年代， 随着永磁材料性能的不断提高 和完善， 特别是钕铁硼永磁材料性能的改善和价格的 逐步降低， 稀土永磁电机的研究进入了一个新阶段， 永磁同步电机的研究同时推进了电机学科的发展； 2 1 世纪， 随着永磁材料性能的不断提高和完善， 特别是钕铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改 善， 以及电力电子技术的发展， 稀土永磁电机的应用 和开发进入了一个新阶段， 目前正向大功率、 高转速、 大转矩、 微型化和智能化控制方向发展。 1 . 2 永磁同步电机的优点 与异步牵引电动机相比， 永磁同步电机具有的优 势如下： 转速平稳， 过载能力强；功率因数高， 效率高； 体积小， 重量轻；结构多样化， 应用范围广；噪 声低， 可靠性高。 1 . 3 永磁同步电机的结构及其特点 永磁体安装的灵活性给永磁同步电机带来了结构 多样性的特点。 径向磁通永磁同步电机常用的几种磁 路结构及其特点如表1 所示。 2 轨道交通永磁同步牵引系统研究概况 2 . 1 轨道交通的直接传动模式 永磁同步电机体积小、 重量轻， 满足直驱电机转 速低、 电机极数相对较多的要求， 从而在有限的空间 体积下增加转矩密度， 使在现有尺寸和重量条件下实 现直接传动成为可能。 2 . 1 . 1 轨道交通采用直接传动的优点 轨道交通采用直接传动的优点在于： 解决了齿轮传动带来的传递损耗、 噪声和维修 等问题； 可减轻车辆总体重量并提高传动效率， 实现牵 引系统的节能； 给转向架的设计提供更多自由的空间， 提高车 辆的经济性和动力学性能。 2 . 1 . 2 永磁电机直接传动系统的应用概况 西门子针对下一代城轨车辆开发了1 5 0k W永磁直 接传动系统， 其永磁电机如图1 所示， 转向架如图2 所 示， 轴间距由传统的2 . 5 m缩短到1 . 6 m 。 1 9 9 9 年， J R 东日本铁路公司开始为A C T r a i n 电动车 组开发直接传动永磁同步电机 （DDM） ， 其装有直接传 动永磁电机的轮 对如图3 所示。 2 0 0 2 年开始， 搭载在商 业运行的1 0 3 系电 动车组上进行了 大约2 0 万k m的运 行试验， 沿线噪声 约可降低5 d B 。 2 . 2 替换异步牵引电机模式 为方便验证和实现永磁同步牵引系统， 一个快速 表1 永磁同步电机的分类及其特点 名 称 转子结构 特 点 表面式结构 有结构简单、漏磁系数小 等优点，由于交直轴电感接近， 磁阻转矩分量近似为零，且高 速运行时永磁体的安装工艺要 求较高 内 置 式 结 构 径向式 该类结构的优点是转轴 不需采取隔磁措施，极弧系 数易于控制，转子冲片机械 强度高，安装永磁体后转子 不易变形等。V形结构比普 通径向式能提供更大的永磁 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 V形 U形 U形结构电机具有较大 的凸极率，能获得更高的转 矩密度和较宽的恒功范围， 可以提供更多的永磁体摆放 空间，从而可以减小电机的 体积，提高电机的功率密 度。但其结构和制造工艺均 较复杂，制造成本也比较高 双层 U形 图 1 直接传动永磁同步电机 图 2直接传动转向架 图 3装有直驱永磁同步电机的轮对 1 7 冯江华：轨道交通永磁同步牵引系统研究 第 5期 的方法便是将永磁电机直接替换现有的异步电机。 永 磁同步电机可以在同样的体积下可获得更大的功率； 或者保持与异步电机同样的输出功率和尺寸的情况 下， 永磁电机有可能做成全封闭自然冷却结构， 从而 降低电机噪声， 减少电机维护工作量。 法国阿尔斯通分别为低地板轻轨车辆和A GV高速 动车组开发了1 2 0k W和7 2 0k W全封闭永磁同步电机。 采用永磁电机 （图4 ） 牵引系统的3 6 0 k m / h A G V 高速列车 已于2 0 0 8 年2 月下线， 意大利首批订购的3 5 列将于2 0 1 0 年交付。 法国国家铁路 公司已向阿尔斯通订 购了1 0 0 列装有永磁同 步牵引系统的区域列 车。 装有2 个A GV转向 架的永磁同步牵引系 统在2 0 0 7 年帮助阿尔 斯通创造了5 7 4 . 8 k m / h 的世界铁路第一速。 庞巴迪装有永磁同步电机牵引系统的车辆已在瑞 典的S t o c k h o l m与V a s t e r a s 之间运行， 所采用的MT R A C 自通风永磁同步 电机如图5 所示。 法国国家铁路公 司已经向庞巴迪 订购了装有永磁 同步牵引系统的 4 9 列区域双层列 车， 第一批车将于 2 0 1 3 年6 月交付。 基于实现3 6 0k m/ h 运营速度的大功率化， 牵引 系统的小型化、 低噪声化和低寿命周期成本的理念， 东芝为新干线开发了下一代具有永磁同步牵引系统 的E 9 5 4 / E 9 5 5 系 列 机 车 。目 前 E 9 5 4 机车已完成 在新干线上的考 核试验。同时东 芝针对地铁车辆 开发了全封闭永 磁同步牵引电机 （图6 ） 。 2 . 3 南车株洲电力机车研究所有限公司研究概况 南车株洲电力机车研究所有限公司于2 0 0 8 年完成 了中国南车项目 “铁道车辆传动系统用永磁同步电机 控制技术研究” ， 针对额定功率1 0 0k W/ 峰值功率 1 5 0k W永磁同步牵引完成了功能性试验研究， 并搭载 在纯电动大巴上考核运行了60 0 0k m， 运行情况良好。 在此基础上， 针对并联混合动力客车用4 0k W永磁同 步牵引系统进行了研制， 目前已批量生产了2 0 0 台， 第一批系统已完成6 0 0 0 0 k m的安全稳定运行， 今年将 继续投入5 0 0 台。 2 0 0 9 年， 针对额定功率2 0 0 k W/ 峰值功率3 0 0 k W永 磁同步牵引系统， 完成了系统方案设计、 永磁同步电 机样机生产和试验平台的搭建工作。 2 0 1 0 年以来， 对额定功率2 0 0 k W/ 峰值功率3 0 0 k W 永磁同步牵引系统进行地面试验研究， 并针对高速列 车永磁同步牵引系统进行方案设计， 所有这些工作为 轨道交通永磁同步牵引系统的研究积累了经验、 奠定 了基础。 公司还积极参与 I E C 6 0 3 4 9 - 4轨道交通和公路车 辆用旋转电机 第4 部分：电子变流器供电的永磁电机 标准 的起草工作， 在了解国外动态的同时增加在国 际标准起草中的话语权。 目前该标准已完成征求意见 稿的起草工作， 计划于今年1 0 月发布。 参加本标准起 草的专家来自西门子、 庞巴迪、 阿尔斯通、 法国国家铁 路公司、 东芝、 日本铁道综合技术研究所、 三菱以及南 车株洲电力机车研究所有限公司。 3 轨道交通永磁同步牵引系统 3 . 1 系统设计技术 永磁同步牵引电机与异步牵引电机最大的区别在 于永磁同步电机由永磁体励磁， 无法关断， 只要电机 旋转就会产生反电势， 因此永磁同步牵引系统与异步 牵引系统的方案设计区别主要体现在永磁同步电机反 电势选择上。 同时短路电流是衡量永磁同步牵引系统 弱磁性能以及故障保护策略的重要参数， 短路电流的 合理选择也是系统设计的重要工作之一。 3 . 1 . 1 反电势 3 . 1 . 1 . 1 反电势对系统的影响 由于永磁体的存在， 即使外部不供给电源， 当永 磁电机旋转时便会产生反电势， 其给系统带来的影响 主要表现在： 反电势的峰值若超过逆变器元件的耐 压就会损坏元件；当电机在高速不可控时， 产生的 反电势的峰值高于逆变器直流母线电压， 则因与逆变 器开关元件反并联的二极管起整流回路的作用， 会产 图 4 A GV永磁同步牵引电机 图 5 MI T R AC永磁同步牵引电机 图 6地铁用全封闭永磁同步牵引电机 图 7 2 0 0k W 永磁同步电机试验平台 1 8 机 车 电 传 动2 0 1 0 年 生制动效果；较高的反电势为高速时的重新投入控 制带来了困难；当发生匝间短路时， 如果转动永磁 同步电机， 则会导致故障进一步扩大， 乃至烧毁整个 电机。 3 . 1 . 1 . 2 反电势选择的技术路线 目前反电势的选择主要有2 种技术路线： 以西门子和阿尔斯通为代表， 采用表面式永磁 同步电机， 选择相对较高的反电势， 从系统和控制策 略的角度解决反电势对系统带来的影响； 以日本和庞巴迪为代表， 选择低反电势的永磁 磁阻电机， 在降低永磁同步电机反电势的同时提高凸 极率 （） ， 充分利用磁阻转矩， 从电机的角度解 决反电势对系统的影响。 3 . 1 . 1 . 3 反电势的选择方法 通过对不同反电势的永磁同步电机的研究， 发现 反电势相对较低的永磁同步电机， 弱磁压力小， 但电 机在低速段时功率因数和效率较低， 而在高速段时整 体性能较好；反电势相对较高的永磁同步电机， 可以 较好地兼顾到高速和低速段的性能， 但是高速运行时 弱磁压力较大， 即需要更多的负向直轴电流来减弱磁 场， 从而增加了无功去磁电流， 导致系统的功率因数 和效率降低， 同时增加逆变器容量。 根据不同反电势永磁同步电机的特点以及城市轨 道交通和干线高速列车的运行特点， 提出在保证系统 安全的情况下， 针对城市轨道交通采用反电势相对较 高的设计方案。 城市轨道交通站间距离短， 系统在很 短的时间内需完成启动、 牵引、 惰行和制动工况， 没有 长时间的稳定运行点， 需要牵引系统在整个速度段内 都具有较好的性能， 并且由于运行时间短， 启停频繁， 在高速故障恢复后需要重新投入控制的压力相对较 小， 综合考虑， 针对城市轨道交通选择反电势相对较 高的永磁同步电机。 对干线高速列车， 由于长时间运行在高速段， 当 某个永磁同步牵引系统发生故障时， 在动力性能满足 的情况下， 需要继续运行， 当故障恢复后必须保证能 够在高速时重新投入控制， 同时为了减小高速运行时 的弱磁电流， 保证系统在高速时具有良好的性能， 对 于干线高速列车选择反电势相对较低的设计方案。 3 . 1 . 2 短路电流 3 . 1 . 2 . 1 短路电流对系统的影响 1 ） 短路电流与系统最大工作电流的关系 根据永磁同步电机的数学模型， 可获得永磁同步 电机三相对称短路电流稳态值， 即为电压极 限椭圆的圆心横坐标绝对值， 其与电流极限圆及电压 极限椭圆的关系如图8 所示， 分短路电流大于、 等于和 小于最大工作电流3 种情况。 图8 （a ） 对应短路电流大 于最大工作电流情况， 当转速升高到3时， 电压极限 椭圆和电流极限圆将没有交点， 系统无法继续工作， 同时退磁校核时必须以相对较大的短路电流为依据， 从而增加了永磁体设计时的抗退磁余量。 对于图8 （b ） 和图8 （c ） 的情况， 理论上转速可以升高到无限大， 但 是当转速高于一定值后， 交轴电流逐渐趋向于零， 系 统已无法出力。 2 ） 短路电流对系统保护的影响 短路电流对系统保护的影响主要体现在：永磁 同步牵引系统在利用永磁同步电机特点实现安全制动 时， 制动能力取决于外接制动电阻， 但短路电流是影 响其大小的重要指标；当系统发生单相或两相不对 称短路时， 考虑到永磁同步电机的特点， 为了使系统 故障不扩大， 希望将电机切换到三相对称短路， 从而 降低系统电流， 起到保护作用；实现永磁同步电机 高速时带速度的重新控制， 也希望短路电流尽可能小， 重投时的冲击相对较小。 3 . 1 . 2 . 2 短路电流的选择 在永磁同步牵引系统方案设计时， 将永磁同步电 机的三相对称短路稳态电流选取值与系统最大工作 电流值相当， 一方面既不增加永磁体设计时的抗退磁 余量， 同时又保证了系统的出力能力；另一方面作为 允许的工况， 在不增加功率器件电流等级的同时， 也 可以减小高速重投时的冲击。 3 . 2 永磁同步牵引系统主电路结构 3 . 2 . 1 轴控方式 由于永磁同步牵引电机的转速与供电频率严格 图 8短路电流与椭圆圆心及电流极限之间的关系 （a ）椭圆圆心位于电流极限圆外 （b ）椭圆圆心位于电流极限圆上 （b ）椭圆圆心位于电流极限圆内 1 9 冯江华：轨道交通永磁同步牵引系统研究 第 5期 成正比， 为避免因轮径差造成的线速度不一致， 采用 永磁同步牵引电机时， 必须一台逆变器驱动一台永 磁同步电机， 即轴控方式 （图9 ） 。 为减小系统的成本， 对于群控 （架控或车控） 方式的可行性尚需进一步地 研究。 3 . 2 . 2 保护 为避免永磁同步电机反电势对系统的影响， 在永 磁同步电机和逆变器之间设置了负载接触器S （图1 0 ） ， 以便在必要的时候将永磁同步牵引电机与逆变器有效 地断开， 避免故障的进一步扩大。 3 . 2 . 3 安全备用制动的应用 可以对永磁同步牵引电机的励磁不可关断的特点 加以利用实现系统安全备用制动功能， 如图1 0 中的R K S 即为安全备用制动电阻。 3 . 3 永磁同步牵引电机 在永磁同步牵引电机的设计过程中充分借鉴异步 牵引电机的设计经验， 同时根据系统要求及永磁同步 电机的特点针对反电势限幅条件下的永磁同步电机设 计特点， 改善气隙磁密波形， 降低反电势谐波含量等 技术进行了深入研究， 并取得了一定的成绩。 3 . 3 . 1 反电势限幅条件下的永磁同步牵引电机设计 永磁电机的电压方程式 式 （1 ） 表明， 反电势的 降低将造成电压的降低， 而电压的降低， 意味着输出 同样功率需更大的电流， 即逆变器容量的增大。 （1 ） 式中：E 0反电势；Ud， Uq直、 交轴电压；Id， Iq 直、 交轴电流；L d， Lq直、 交轴电感；角速度； U相电压。 从式 （1 ） 可知， 对较低的反电势， 要维持电压不 变， 必须减小直轴电感和增大交轴电感， 即通过增大 永磁电机的凸极率 （L q/ Ld） ， 使永磁牵引系统有较低的 反电势而又不增加逆变器的容量成为可能。 针对轨道交通牵引用内置式永磁电机设计中， 在满足系统对最大反电势限制的条件下， 磁阻转矩 占总转矩的5 0 %以上， 电机在恒转矩区的凸极率超 过3 ， 能较好地解决反电势限幅的问题。 3 . 3 . 2 采用偏心气隙技术 采用偏心气隙技术可改善气隙磁密波形、 降低反 电势谐波含量。 对逆变器供电的永磁牵引电机， 输入 电压含有较丰富的谐波分量， 给电机带来较大的谐波 损耗和较大的电磁噪声， 但由于电机本身气隙磁密波 形畸变造成的影响也不可忽视。 偏心气隙是抑制气隙磁密谐波， 降低反电势谐波 含量的有效手段。 偏心 气隙偏心距的大小对改 善气隙磁密波形效果甚 大， 要做专门分析加以 确定， 图1 1 为采用偏心 气隙的转子冲片图。 通 过检测该电机的反电势 波形改善明显， 反电势 总的谐波含有量由 5 % 降到0 . 5 %。 3 . 3 . 3 永磁牵引电机设计对永磁体失磁的防范 由于牵引电机运行工况复杂， 电机内温度高， 振 动强烈， 环境恶劣， 永磁体存在失磁的风险。 在设计永 磁牵引电机时， 对永磁体失磁的风险应高度重视， 采 取防范措施， 主要有以下几点： 永磁材料的选型：选用耐温等级、 矫顽力较高 的永磁体。 永磁体最大去磁工作点的校核：应针对最有可 能造成永磁体失磁的电机运行工况进行校核计算。 永磁体尺寸：永磁体小型化的拼块式结构可抑 制涡流损耗， 方便装配， 降低失磁风险。 表面防护：选择合适的表面防护方式， 是永磁 体防失磁的重要环节。 3 . 4 永磁同步电机的控制策略 3 . 4 . 1 恒转矩控制区最大转矩电流比控制 3 . 4 . 1 . 1 永磁同步电机恒转矩曲线分布特点 永磁同步电机恒转矩曲线在以i d和iq为坐标系下 的分布如图1 2 所示， 图中T e 1- Te 9线输出的转矩是一定 的。 从图中可以发现， 在实现同样输出转矩的情况下， 虚线与恒转矩曲线的交点对应的电流最小。 图 9永磁同步牵引系统轴控方式示意图 图 1 0永磁牵引系统主电路结构示意图 图 1 1采用偏心气隙的永磁 同步电机转子冲片图 2 0 3 . 4 . 1 . 2 最大转矩电流比的实现 最大转矩电流比控制算法是根据电机的电磁转矩 方程满足定子电流的条件极值下导出的， 即永磁同步 电机的电流应该满足： （1 ） 可以求得MT P A控制方式下交直轴电流之间的关 系： （3 ） 根据最大转矩电流比控制并结合矢量控制理论可 以得到永磁同步电机矢量控制框图如图1 3 所示。 3 . 4 . 2 恒功率弱磁控制 3 . 4 . 2 . 1 弱磁控制的意义 弱磁控制能使永磁同步电机在高速时输出恒定功 率， 从而使牵引系统具有较宽的调速范围。 较强的弱 磁性能可在逆变器容量不变的情况下提高牵引系统的 性能， 或在保持牵引系统性能指标不变的前提下降低 电机的最大功率， 从而降低逆变器的容量。 因此对永 磁同步电机牵引传动系统进行弱磁控制并且拓宽弱磁 范围， 对提高永磁同步电机牵引传动系统性能有重要 而现实的意义， 这一点与异步电机牵引系统的原则是 一致的。 3 . 4 . 2 . 2 永磁同步电机的弱磁控制 与异步电机弱磁控制时直接减小励磁电流的思想 不同， 永磁同步电机的励磁磁场是由永磁体产生的， 无法调节， 由于永磁体产生的磁场是恒定的， 所以不 能像他励直流电机一样通过调节励磁电流来直接减弱 磁场。 当电压等于最大电压时， 要想继续升高转速只有靠 增加电机直轴去磁电流分量和减小交轴电流分量来达到 削弱主磁场， 从而获得弱磁升速的效果。 永磁同步电机稳态运行时， 端电压u s要受到限制， 不能超出极限值u s m a x， 当电机转速 时， 电机运行 在恒转矩区域， 采用最大转矩电流比控制可使永磁同 步电机获得最大的电磁转矩T e ma x。 当电机转速 时， 电机进入恒功率运行区域， 需要采用弱磁控制， 适 当控制电流i d和iq， 输出转矩减小， 输出功率P 保持不 变。 转速、 功率及转矩之间的关系示意图如图1 4 所示。 3 . 5 永磁同步牵引系统运用维护技术 虽然已经对异步牵引系统的应用和维护积累了丰 富的经验， 但是仍需要对永磁同步牵引 系统的可用性、 可维护性进行研究， 为 未来永磁同步牵引系统的应用积累经 验。 对永磁体防护技术进行研究。 由 于永磁体受温度、 振动等影响， 针对轨 道交通运行环境下合理选择永磁材料， 在设计过程保证足够大的抗去磁能力， 在运行过程中有效避免电机运行在具有 失磁危险的工况； 系统故障模式的处理。 针对永磁 同步电机的特点， 研究当控制系统、 逆 变器以及电机发生故障时保证系统的安 全， 不至于故障的扩大， 以及方便检修。 永磁电机的装配工艺。 一方面是在电机生产过 程中保证永磁体的可靠安装及定转子的顺利装配， 另 一方面当电机发生故障时， 需要能对电机和永磁体进 行方便的解体。 4 展望 在世界范围内， 永磁同步牵引系统技术正在迅速 成熟， 其市场前景和核心竞争力巨大， 业内各跨国公 机 车 电 传 动2 0 1 0 年 图 1 2恒转矩曲线对应的交直轴电流分布示意图 图 1 3恒转矩区永磁同步电机矢量控制框图 图 1 4弱磁过程中各功率、转矩、电压变化示意图 2 1 司倾注力量寻求突破。 要实现该新型系统技术的自主 化， 唯一出路是自主创新。 通过自主创新， 研发具有自 主知识产权的基于永磁电机的高速列车牵引传动系 统， 使企业在牵引传动技术迈上一个新台阶。 通过自 主创新， 将切实增强企业的竞争能力， 实现重点跨越。 通过自主创新， 永磁同步牵引传动技术的突破， 将使 我国轨道交通牵引传动技术与国际先进水平的差距大 大缩小， 提高产业的自主发展能力和整体技术水平。 4 . 1 永磁同步牵引系统在轨道交通的应用突破 目前永磁同步牵引系统发展的态势与上世纪七、 八十年代异步牵引系统的发展极为相似， 永磁同步牵 引系统在不久的将来极有可能在某些场合成为主要的 牵引传动方式。 目前国内外从事轨道运输装备的公司， 都已着手这方面的研发工作。 在基本完成基础应用技 术研究的基础上， 大都正在进行或基本完成样机、 样 车的试验验证工作， 并将在未来的1 2 年时间进入工 程和商业运作阶段。 考虑到转向架动力学方面的问题， 经研究在速度 低于1 6 0k m/ h 的城市轨道交通、 城际轨道交通以及低 地板车辆， 采用直接传动的永磁同步牵引电机无论是 在动力学方面还是在牵引系统性能方面都具有无与伦 比的优越性， 因此具有广阔的发展前景。 针对高速轨道交通采用永磁同步电机直接替换异 步电机具有实现方便的特点， 但在实现的过程中必须 由现在的车控和架控模式改为轴控， 初期成本会有所 增加， 但从生命周期成本进行分析， 其优越的性能将 促使用户接受这种全新的牵引系统。 4 . 2 永磁同步牵引系统的产业化 在船舶推进、 流程工业传动系统、 钻机顶部驱动 系统等领域与轨道交通牵引传动系统具有非常类同的 系统需求， 如传动特性、 复杂的运行工况、 苛刻的运行 条件等。 基于永磁同步电机的电气传动系统将在这些 领域发挥其独特优势， 实现技术的延伸应用， 实现产 业的同心多元化发展， 创造新的价值， 打造技术领先 的民族品牌。 4 . 3 永磁同步牵引系统技术的持续进步 鉴于永磁同步牵引系统技术的成熟性， 在未来的 技术创新中将关注： 针对永磁同步电机在工作过程中不断变化的状 态参数、 性能指标， 尤其是永磁材料的不稳定性带来 的系统特性变化， 采用适用的现代控制理论， 自我诊 断、 自行修正控制参数或控制作用以适应环境和对象 本身的动态变化， 保证系统始终在最优或次最优的工 作状态下。 追求永磁同步牵引系统完美的性能， 是其发展 的动力。 目前该系统的性能与需求密切关联， 难以实现 标准、 简统的平台化产品。 通过更先进的控制策略、 主 电路参数匹配技术、 永磁电机技术的突破和协同发展， 建立柔性的一体化的永磁同步牵引系统是奋斗目标。 新材料、 新结构、 新器件、 新理论将为永磁同步 牵引系统注入更多的活力。 在未来相当长时间基础技 术研究作用和影响深远。 5 结语 永磁同步牵引系统符合国家节能低碳经济发展需 要和实现快速绿色交通的目标， 为推进我国轨道运输 装备的发展， 实现牵引传动系统的研发从 “跟随创新” （跟随世界先进技术模式、 采取消化吸收技术路线、 攻 关关键理论和工程化技术、 实现系统和核心技术自主 化） 方式， 转型为 “并肩创新”（起点无优劣、 技术模式 尚未完全定型、 共同竞争领导者地位） 。 我们需要加快 永磁同步牵引传动系统的开发， 尽快转化为市场竞争 优势， 并带动相关行业的技术进步， 为我国新兴战略 产业的整体发展做出积极贡献。 参考文献： 1 唐任远.现代永磁电机理论与设计 M .北京：机械 工业出版社， 1 9 9 7 . 2 冯江华.城轨车辆用永磁同步电机驱动系统控制策略研究 D . 长沙：中南大学， 2 0 0 8 . 3 冯江华， 桂卫华， 符敏利， 许峻峰.铁道车辆牵引系统用永 磁同步电机比较 J . 铁道学报， 2 0 0 7 ， 2 9 （5 ） ：1 1 1 - 1 1 6 . 4 K e i i c h i r o u K o n d o u , K o u i c h i Ma t s u o k a . P e r ma n e n t ma g n e t s y n c h r o n o u s mo t o r c o n t r o l s y s t e m f o r r a i l w a y v e h i c l e t r a c t i o n a n d i t s a d v a n t a g eC . J a p a n ：P o w e r C o n v e r s i o n C o n f e r e n c e , 1 9 9 7 . 5 Ko e r n e rO. 市郊列车永磁同步牵引电动机成组驱动的可行 性 J . 变流技术与电力牵引， 2 0 0 5 ( 4 ) . 6 J o e c k e l A . 无传动齿轮箱的机车交流传动 J . 变流技术与 电力牵引， 2 0 0 3 ( 5 ) . 7 Kl o c k o wT . 永久磁铁励磁的牵引电动机 J . 变流技术与电 力牵引， 2 0 0 3 ( 4 ) . 8 Ge r mi s h u i z e n J , J o e c k e l A . S y n t e g r a T M- Ne x t Ge n e r a t i o n T r a c t i o n Dr i v e S y s t e m, T o t a l I n t e g r a t i o n o f T r a c t i o n , B o g i e a n d B r a