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

關鍵詞：永磁同步牽引電機；特點；軌道交通

中圖分類號： TM3 文獻標識碼：A

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

1 永磁同步電機的結構特點

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

永磁同步電機的轉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在轉子的外側覆蓋一層非磁性的結構材料，壓住*磁鐵，以防止電機高速運轉時表面磁鐵飛出。且高速運行時永磁體的安裝工藝要求較高。

埋入磁石型是*磁鐵在轉子鐵心內部，鐵心通常有磁性凸極性的形狀，可以產生磁阻轉矩，永磁磁鏈可以設計的較低，從而使得電機的弱磁擴速能力增大。同時，降低電機反電勢，防止高速惰性時電機反電勢對驅動電機的變流器的損害。埋入磁石型同步電機適合鐵道車輛驅動用。

2 永磁同步電動機的技術特點

2.1率、高功率因數(shù)

與感應電機相比，永磁同步電機的勵磁由轉子上的*磁鐵產生，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在穩(wěn)態(tài)運行時沒有轉子銅耗，從而可以因總損耗降低而減小冷卻風扇容量甚至去掉冷卻風扇。它的效率比同規(guī)格的異步電動機可提高2% ～7%，IM一般約為90-92%，PMSM可達96-97%。

2.2體積小，重量輕。

隨著高性能永磁材料的不斷應用，永磁同步電機的功率密度得到很大的提高，比起同容量的直流電機和異步電動機，其體積和質量都有較大的減少。而且由于電機損耗小，可省卻龐大的通風冷卻系統(tǒng)，使其在相同功率下，永磁同步電機一般要輕1/3左右。異步電機一般約為1.2-1.5kg/kW，永磁同步電機可達在1.0kg/kW以下，AGV的只有0.96kg/kW。

2.3噪聲低、少維護；

永磁同步電機的轉子，因為沒有感應電機上能看到的轉子端部的導體突出及短路環(huán)，所以不會產生由此帶來的氣動噪聲。

永磁同步電機可作為全封閉牽引電機。永磁同步電機因轉子無電產生，發(fā)熱很小，較容易采取全封閉自冷方式，這樣電機內部的噪聲被隔離。

采用全封閉式結構，灰塵不能進入牽引電機內部，從而不需要對電機進行定期解體清掃，減少維護量。

與感應電機相比，噪聲降低可達15%。

2.4空載感應電壓

永磁體的存在使永磁同步電機在斷電的情況下惰行時定子繞組產生空載感應電壓，并且隨著轉速的升高反電勢亦升高。當永磁同步電機作為鐵道車輛牽引電機時，由于鐵道車輛*的惰行工況，必須解決永磁同步電機在鐵道車輛惰行時的高反電勢，以及由此帶來的重投困難。電機在高速惰行時一方面產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電壓進行控制。

控制空載感應電壓兩個主要措施：

（1）控制磁通以降低空載感應電勢

永磁電機氣隙磁場由轉子的*磁鐵和定子的電樞電流合成產生。*磁鐵磁通恒定不能控制，只能控制定子直軸電流。在電機高速運行時施加直軸負向電流，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向電流將帶來惰行的銅耗，降低電機的效率，因此施加直軸負向電流是有限度的。

（2）合理設計電機結構，控制空載反電動勢

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

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

這樣，永磁磁鏈不能設計的太大。如果單靠永磁鏈產生的電磁轉矩是不能滿足鐵道車輛zui大輸出轉矩的要求的。根據永磁同步電動機的轉矩公式

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大輸出轉矩的要求，只能通過選擇交直軸電感來增大磁阻轉矩-增加凸極率（Lq / Ld ），從而獲得足夠大的輸出轉矩。

有多種方法通過對轉子的磁路結構進行合理設計增加凸極率，國外在這方面的研究與應用上已取得了可喜的成果，內埋型雙層磁路結構永磁電機，其交軸電感Lq是單層磁路結構的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子磁路結構新型永磁電機，這種電機大大增大凸極率，而且與同體積和重量的切向轉子磁路結永磁電機相比，磁性材料用量減少25%，轉矩增加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，轉折轉速高，使電動機能夠高速運行，降低了對電動機弱磁擴速能力的要求，甚至電機不需弱磁控制就能達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，使達到zui高速度時電機反電勢達到zui大可緩解電流增加幅度。

2.5永磁電機轉子旋轉頻率與定子電流頻率相同

永磁電機轉速n與電流頻率f1關系為： n=60f1/p。其中p為電機極對數(shù)。

在機車車輛中，由于輪徑不一樣，每個輪子（即電機轉速）不一樣，要求給電機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。

結語

永磁同步電機相對異步電機而言具有效率高、功率因數(shù)高、體積小、重量輕、可實現(xiàn)全封閉結構、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又一個新的發(fā)展方向。