稀土永磁電機在輕型軌道交通領域的應用

駱光照，竇滿峰，范娟娟，陳哲

(西北工業大學，陜西西安710072)

    摘要：文章主要介紹了輕軌機車牽引用稀土永磁電機及其控制技術。根據輕型軌道交通的特點及應用要求，分析了輕軌機車驅動系統的組成及凸極式永磁同步電機作為直驅牽引電機的優勢，重點從電機本體設計及驅動控制技術兩個方面對稀土永磁電機作為輕軌機車牽引電機的關鍵技術進行了闡述。最后介紹了在我們該領域己開展的階段性工作。

    關鍵詞：輕型軌道交通；凸極式永磁同步電機；弱磁調速；斷電重投

1輕型軌道交通的特點及應用

    自從1881年在德國柏林近郊建成世界上第一條有軌電車線路以來，有軌電車技術在車輛及控制系統、軌道系統等方面已有了質的飛躍^[1]。20世紀60年代，在傳統有軌電車的基礎上誕生并發展起來的輕型軌道交通(Light Rail Transit，LRT)是現代交通領域的又一次飛躍。2007年6月13日，國家行業標準CJJ/T 114，2007《城市公共交通分類標準》的發布，使得輕軌的概念更加清晰準確。該標準對輕軌的定義是：輕軌系統是一種中運量的軌道運輸系統，采用鋼輪鋼軌體系，標準軌距為1435 mm，主要在城市地面或高架橋上運行，線路采用地面專用軌道或高架軌道，遇繁華街區，也可進入地下或與地鐵接軌^[3]。從該標準可以看出，輕軌機車主要有以下四方面的特點：

1)輕軌是中運量的軌道運輸系統之一，這有別于地鐵的大運量和有軌電車的低運量；2)輕軌是采用鋼輪鋼軌體系；3)輕軌與地鐵一樣，采用地面專用軌道或高架軌道，而不像有軌電車那樣與其他地面車輛混行；4)輕軌線路敷設方式以地面線或高架橋為主、以地下線為輔。

    可以看出，輕軌機車主要用于城市交通運行，采用架線直流供電或后備電池供電，以大功率直流或交流電機驅動的輕型電機車。由于近年稀土永磁材料的開發以及電力電子技術的不斷發展，稀土永磁同步電機已經開始逐步取代異步電機而作為輕軌機車系統的牽引電機^[4]。另一方面，由于作為牽引電機用的永磁電機本體及其控制方式的研究尚處初級階段，在許多方面還需要加以深入研究及完善。因此，研究牽引用永磁同步電機的控制系統是當前的迫切需要。國外的一些專家學者對此已經做了一些有益的研究^[5-7]，國內目前還處于起步階段。

2輕軌機車驅動系統的組成及特點

    輕軌機車驅動系統由電機、驅動變流器與轉向架等構成。常用的驅動電機有直流電機、異步電機、永磁同步電機等^[8]。

    早期的輕軌機車采用直流傳動，直流電機技術成熟，控制性好，但其使用壽命、維護成本及體積方面的弱勢使該類電機在輕軌機車上的應用受到了很大限制。從80年代開始，異步電機設計、制造以及控制技術都相對成熟，且具有結構簡單、制造容易、成本及維護費用低、可靠性高等優點，受到大多數國家的青睞。早在1986年，加拿大溫哥華市建成了異步電機驅動的輕軌交通系統，并投入了商業應用。德國西門子的City Spdnte~高地板輕軌機車、日本川崎重工研制的Swimo型低地板輕軌車輛、ABB公司的Variotram系列輕軌車采用的都是異步電機驅動。2000年4月，首批兩臺國產城市輕軌車在湘潭電機股份有限公司研制成功，采用的就是異步電機。目前，異步電機驅動的輕軌機車發展成熟，且低地板輕軌車較受歡迎。

    與異步電機相比，稀土永磁同步電機具有功率密度高、效率高、體積小、結構簡單、輸出轉矩大、可控性好、可靠性高、噪聲低等一系列優點，得到電力牽****域研究人員的重視。目前，國外部分線路已經完成了永磁同步電機牽引運行試驗，并取得了良好效果。2007年夏，由德國西門子公司開發的采用永磁同步電機直接驅動的地鐵車輛開始在慕尼黑地鐵線路上運行^[9]。2006年，法國阿爾斯通公司研制的AGV高速列車正式定型，該列車使用的就是永磁同步電機牽引^[10]。數年前東日本旅客鐵道公司E954／E955型高速電動車機組試驗已達到預期的基本要求^[11]。相比而言，國內相關領域的研究雖起步較晚，但目前也受到了極大重視，部分高校和科研所積極投身其中，取得了一定的成果^[12-14]。

3稀土永磁電機用于輕軌交通的關鍵技術

    稀土永磁電機根據永磁體在轉子上的安裝方式分表面式(隱極式)永磁同步電機(PMSM)

和內置式(凸極式)永磁同步電機(IPMSM)。采用永磁體內嵌的IPMSM由于交直軸電感不同

而產生的磁阻轉矩有利于提高電機的功率密度、弱磁擴速及過載能力，能夠在逆變器容量不變的情況下提高電驅動車輛的調速范圍，滿足輕軌機