天津地铁车辆永磁电机应用研究

天津地铁车辆永磁电机应用研究

吴涛

天津市地铁下铁道运营有限公司天津300000

摘要：文章介绍了永磁电机在天津地铁6号线车辆应用情况，对技术方案、安全性及性能验证、节能效果进行了详细论述，并提出了后续运用中需要注意的问题。

关健词：地铁车辆；永磁电机；永磁传动系统

1、引言

在轨道交通领域，永磁牵引系统以其体积小、重量轻、效率高、功率密度高的特点，近年来发展迅速。从世界范围来看，阿尔斯通、庞巴迪等车辆厂生产的轨道交通永磁同步牵引列车已在法国、日本、瑞典、土耳其等国家轨道交通中获得成功运用，国内沈阳地铁2号线、长沙市轨道交通1号线也已开展相关试验工作。为进一步实现绿色地铁、节能减排的目标，天津地铁6号线车辆开展了永磁牵引装车试验，目前已成功实现正线载客运营。

2可行性及经济性分析

性能上，相比目前大量运用的异步电机牵引系统，永磁电机牵引系统无须励磁电流，相同空间和重量情况下，永磁同步电机比普通交流异步电机功率更大、效率更高，且发热较小，可实现全封闭设计（降低噪声，较少维护），并可实现电机直接驱动轮轴的直驱系统，具体对比如表2-1所示。

表2-1永磁牵引系统技术特点及优势

经济性上，由于永磁材料成本的问题，永磁同步牵引系统的初期采购成本较高。但在后续运用过程中，根据技术测算及以往项目经验，在实现同等牵引性能条件下，车辆运营能耗较现有异步牵引系统综合节能10％以上。具体对比如表2-2所示。

表2-2永磁牵引系统经济性分析

3方案设计

此次试验为既有车改造，将6号线645车原有异步传动系统改造为采用VVVF逆变器-永磁同步牵引电动机构成的交流电传动系统。各动车直流侧采用架控方式，电机侧采用轴控方式。牵引主电路采用两电平电压型直—交逆变电路。经受电弓输入的DC1500V直流电由VVVF逆变器变换成频率、电压均可调的三相交流电，向永磁同步牵引电动机供电。VVVF逆变器由两个双管逆变模块单元组成，采用2个双管逆变器模块驱动4台牵引电动机的工作方式，电阻制动斩波单元与逆变模块单元集成在一起。当电网电压在1000V～1800V之间变化时，主电路能正常工作，并方便地实现牵引—制动的无接点转换。

电气牵引系统设备包括受电弓、高压电器箱、高压电器箱2、滤波电抗器箱、牵引逆变器箱、隔离接触器箱、制动电阻、永磁同步牵引电动机、接地装置以及司机控制器等设备。永磁同步牵引电机采用架承式全悬挂结构并通过联轴节与齿轮传动装置连接，传递牵引或电制动力矩，在VVVF牵引逆变器的驱动下使列车前进或制动。电气牵引系统主要设备配置如表3-1所示。

表3-1列车电气牵引系统主要部件配置

主电路设计上，列车从受电弓取流后经过高压电器箱给每个单元的高压电器箱2，通过高压电器箱2给到滤波电抗器，再给到牵引逆变器，逆变之后分别给到2个隔离接触器箱，再通过隔离接触器箱给到牵引电机，直流侧架控，逆变侧轴控。为避免永磁同步牵引系统在失控时由于永磁同步牵引电动机发电时产生的反电势对系统的影响，在牵引逆变器与永磁同步牵引电动机之间设置了隔离接触器。列车主电路如图3-1所示。

图3-1牵引主电路图

4项目验证

截至2018年11月底，6号线永磁同步牵引系统列车645车已载客运用6000km。运用情况良好。根据列车TMS能耗记录显示，645车牵引能耗较其他异步电机列车减少20％，基本取得了预期的节能效果。但在后续运用中，仍应注意以下问题。

（1）永磁体失磁风险。冲击电流、高温、腐蚀氧化、冲击震动等均可能造成永磁体的失磁，特别是如何保证永磁电机不退磁，是确保永磁电机能广泛推广应用的关键因素。

（2）故障防护。需进一步对同步电机列车的故障防护及应急措施进行研究，如永磁同步电机发生机端短路或匝间短路时，若永磁同步电机持续转动，仍会有持续的短路电流存在。当逆变器发生故障导致短路时，需要设置隔离接触器将永磁同步电机与逆变器断开，防止故障的进一步恶化。

（3）电机维护问题。相对于成熟的三相异步电机，永磁同步电机的转子结构比鼠笼型异步电机复杂。且永磁体本身具有较强的磁性，加工生产及后期维护较为复杂。

（4）成本及可靠性验证。目前地铁永磁同步牵引系统投入正式使用时间较短，尚无大规模应用，对全寿命周期内的成本及可靠性需进行进一步验证。

5、结论

在轨道交通领域，永磁同步牵引系统目前仍存在诸多挑战，但与集中控制的异步电机牵引系统相比，永磁同步牵引系统具有能耗低、噪音小的明显优势，符合绿色节能地铁的发展需求，值得进一步的研究探索。

参考文献:

[1]马颖涛，李红等．轨道交通中永磁同步牵引系统的优势与挑战[J].铁道机车车辆2015，06：66-70

[2]冯江华.轨道交通永磁同步牵引系统研究[J].机车电传动，2010，05：15-21

[3]徐强.永磁同步电机在轨道交通牵引系统中的应用及特点[J]．科技信息，2013，02：378-379

[4]唐林.永磁同步电机牵引系统在成都地铁上的应用优化方案研究[J].机车电传动2019：45-50

[5]高永军，王雷等．永磁同步电机控制技术研究及应用[J]．铁道机车与动车，2018，07：28-31