城軌車(chē)輛用牽引電機(jī)分析

1、城軌車(chē)輛用牽引電機(jī)分析學(xué)院：電氣工程學(xué)院班級(jí)：磁浮01學(xué)號(hào)：20121485姓名：孟振強(qiáng)城軌車(chē)輛牽引一永磁同步電機(jī)一.永磁同步電機(jī)的原理在電動(dòng)機(jī)的定子繞組中通入三相電流， 在通入電流后就會(huì)在電動(dòng) 機(jī)的定子繞組中形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，由于在轉(zhuǎn)子上安裝了永磁體，永磁體 的磁極是固定的，根據(jù)磁極的同性相吸異性相斥的原理， 在定子中產(chǎn) 生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，最終達(dá)到轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與定子 中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁極的轉(zhuǎn)速相等，所以可以把永磁同步電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程 看成是由異步啟動(dòng)階段和牽入同步階段組成的。 在異步啟動(dòng)的研究階 段中，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是從零開(kāi)始逐漸增大的， 造成上訴的主要原因是 其在異步轉(zhuǎn)矩、永磁發(fā)電制動(dòng)

2、轉(zhuǎn)矩起的磁阻轉(zhuǎn)矩和單軸轉(zhuǎn)子磁路不對(duì) 稱(chēng)，等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在這個(gè)過(guò)程中轉(zhuǎn)速是 振蕩著上升的。在起動(dòng)過(guò)程中，只有異步轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)性 ，電動(dòng)機(jī)就是 以這個(gè)轉(zhuǎn)矩來(lái)得以加速的，其他的轉(zhuǎn)矩大部分以制動(dòng)性質(zhì)為主。在 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由零增加到接近定子的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速時(shí)， 在永磁體脈振 轉(zhuǎn)矩的影響下永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速有可能會(huì)超過(guò)同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而出現(xiàn)轉(zhuǎn)速的超調(diào)現(xiàn)象。但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的轉(zhuǎn)速振蕩后，最終在同步轉(zhuǎn)矩的 作用下被牽入同步狀態(tài)。二.永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)主要是由轉(zhuǎn)子、端蓋、及定子等各部件組成的。 一般來(lái)說(shuō)，永磁同步電機(jī)的最大的特點(diǎn)是它的定子結(jié)構(gòu)與普通的感應(yīng) 電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常的相似，主要是區(qū)

3、別是轉(zhuǎn)子的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與其它電機(jī) 形成了差別。和常用的異步電機(jī)的最大不同則是轉(zhuǎn)子的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子上放有高質(zhì)量的永磁體磁極。由于在轉(zhuǎn)子上安放永磁體的位置 有很多選擇，所以永磁同步電機(jī)通常會(huì)被分為三大類(lèi)：內(nèi)嵌式、面貼 式以及插入式，如圖1.1所示。永磁同步電機(jī)的運(yùn)行性能是最受關(guān)注 的，影響其性能的因素有很多，但是最主要的則是永磁同步電機(jī)的結(jié) 構(gòu)。就面貼式、插入式和嵌入式而言，各種結(jié)構(gòu)都各有其各自的優(yōu)點(diǎn)。凸裝式應(yīng):入式（C）內(nèi)城式圖I 永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)面貼式的永磁同步電機(jī)在工業(yè)上是應(yīng)用最廣泛的， 其最主要的原因是 其擁有很多其他形式電機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)， 例如其制造方便，轉(zhuǎn)動(dòng)慣 性比較小以及結(jié)

4、構(gòu)很簡(jiǎn)單等。并且這種類(lèi)型的永磁同步電機(jī)更加容易 被設(shè)計(jì)師來(lái)進(jìn)行對(duì)其的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中最主要的方法是設(shè)計(jì)成近似正 弦的分布把氣隙磁鏈的分布結(jié)構(gòu)，將其分布結(jié)構(gòu)改成正弦分布后能夠 帶來(lái)很多的優(yōu)勢(shì)，例如它所帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)，能減小磁場(chǎng)的諧波以及 應(yīng)用以上的方法能夠很好的改善電機(jī)的運(yùn)行性能。 插入式結(jié)構(gòu)的電機(jī) 之所以能夠跟面貼式的電機(jī)相比較有很大的改善是因?yàn)樗浞值睦?用了它設(shè)計(jì)出的磁鏈的結(jié)構(gòu)有著不對(duì)稱(chēng)性所生成的獨(dú)特的磁阻轉(zhuǎn)矩 能大大的提高了電機(jī)的功率密度，并且在也能很方便的制造出來(lái)，所以永磁同步電機(jī)的這種結(jié)構(gòu)被比較多的應(yīng)用于在傳動(dòng)系統(tǒng)中，但是其缺點(diǎn)也是很突出的，例如制作成本和漏磁系數(shù)與面貼式的相比較都要

5、大的多。嵌入式的永磁同步電機(jī)中的永磁體是被安置在轉(zhuǎn)子的內(nèi)部， 相比較而言其結(jié)構(gòu)雖然比較復(fù)雜，但卻有幾個(gè)很明顯的優(yōu)點(diǎn)是毋庸置 疑的，因?yàn)橛幸愿邭庀兜拇磐芏?，所很明顯的它跟面貼式的電機(jī)相 比較就會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩；因?yàn)樵谵D(zhuǎn)子永磁體的安裝方式是選擇嵌入 式的，所以永磁體在被去磁后所帶來(lái)的一系列的危險(xiǎn)的可能性就會(huì)很 小，因此電機(jī)能夠在更高的旋轉(zhuǎn)速度下運(yùn)行但是并不需要考慮轉(zhuǎn)子中 永磁體是否會(huì)因?yàn)殡x心力過(guò)大而被破壞。為了體現(xiàn)永磁同步電機(jī)的優(yōu)越性能，與傳統(tǒng)異步電機(jī)來(lái)進(jìn)行比 較，永磁同步電機(jī)特別是最常用的稀土式的永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，運(yùn)行可靠性很高；體積非常的小，質(zhì)量特別的輕；損耗也相對(duì)較 少，效率也比

6、較高；電機(jī)的形狀以及大小可以靈活多樣的變化等比較 明顯的優(yōu)點(diǎn)。正是因?yàn)槠鋼碛羞@么多的優(yōu)勢(shì)所以其應(yīng)用范圍非常的廣 泛，幾乎遍及航空航天、國(guó)防、工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和日常生活等的各個(gè)領(lǐng) 域。永磁同步電動(dòng)機(jī)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比， 可以考慮不輸入無(wú)功勵(lì)磁電 流，因此可以非常明顯的提高其功率因數(shù)， 進(jìn)而減少了定子上的電流 以及定子上電阻的損耗，而且在穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)候沒(méi)有轉(zhuǎn)子電阻上的損 耗，進(jìn)而可以因總損耗的降低而減小風(fēng)扇 （小容量的電機(jī)甚至可以不 用風(fēng)扇）以及相應(yīng)的風(fēng)磨損耗，從而與同規(guī)格的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比較其 效率可以提高2-8個(gè)百分點(diǎn)。三.永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)特性為了簡(jiǎn)化和求解數(shù)學(xué)模型方程，運(yùn)用坐標(biāo)變換理論 ，通過(guò)對(duì)同

7、步電動(dòng)機(jī)定子三相靜止坐標(biāo)軸系的基本方程進(jìn)行線(xiàn)性變換，實(shí)現(xiàn)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的解耦。qcis:Cdcsdsr0UsisqisfUs issfr6:定子電壓:定子電流:定子磁鏈?zhǔn)噶?轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶浚恨D(zhuǎn)子角位置：電機(jī)轉(zhuǎn)矩角A、B、C ：定子三相靜止坐標(biāo)系 口 、 P :定子兩相靜止坐標(biāo)系 d、 q ：轉(zhuǎn)子兩相坐標(biāo)系假設(shè)：1）忽略電動(dòng)機(jī)鐵心的飽和；2）不計(jì)電動(dòng)機(jī)中的渦流和磁滯損耗;3）轉(zhuǎn)子無(wú)阻尼繞組。永磁同步電動(dòng)機(jī)在三相定子參考坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)如下:定子電壓：uQsdt定子磁鏈:Lsisf“電磁轉(zhuǎn)矩:Te永磁同步電動(dòng)機(jī)在p坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)如下:定子電流： jsis ji s定子磁鏈:電磁轉(zhuǎn)

8、矩:s：s iss is永磁同步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q中的數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)如下：定子電壓：u u dLq)ididid_一s1 dr qdtd，n11= R i + 川、w q 1xs1qr d定子磁鏈：Jdt 中 =| i +中d Ld i d f二 L iq q飛電磁轉(zhuǎn)矩:3 一“Te = 2 Pn * fiq + (Ld四.永磁同步電機(jī)相比交流異步電機(jī)優(yōu)勢(shì)1、效率高、更加省電: a、由于永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的，從而避免通過(guò)勵(lì)磁 電流來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)而導(dǎo)致的勵(lì)磁損耗（銅耗）；b、永磁同步電機(jī)的外特性效率曲線(xiàn)相比異步電機(jī)，其在輕載時(shí)效率 值要高很多，這是永磁同步電機(jī)在節(jié)能方面，相

9、比異步電機(jī)最大的一 個(gè)優(yōu)勢(shì)。因?yàn)橥ǔｋ姍C(jī)在驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，很少情況是在滿(mǎn)功率運(yùn)行，這 是因?yàn)椋阂环矫嬗脩?hù)在電機(jī)選型時(shí)，一般是依據(jù)負(fù)載的極限工況來(lái)確 定電機(jī)功率，而極限工況出現(xiàn)的機(jī)會(huì)是很少的，同時(shí)，為防止在異常 工況時(shí)燒損電機(jī)，用戶(hù)也會(huì)進(jìn)一步給電機(jī)的功率留裕量；另一方面，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，為保證電機(jī)的可靠性，通常會(huì)在用戶(hù)要求的功 率基礎(chǔ)上，進(jìn)一步留一定的功率裕量，這樣導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)行的電機(jī) 90姒上是工作在額定功率的70%Z下，特別是在驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)或泵類(lèi)負(fù) 載，這樣就導(dǎo)致電機(jī)通常工作在輕載區(qū)。對(duì)異步電機(jī)來(lái)講，其在輕載 時(shí)效率很低，而永磁同步電機(jī)在輕載區(qū)，仍能保持較高的效率，其效 率要高于異步電機(jī)20%U

10、上。c、由于永磁同步電機(jī)功率因數(shù)高，這樣相比異步電機(jī)其電機(jī)電流更 小，相應(yīng)地電機(jī)的定子銅耗更小，效率也更高。d、系統(tǒng)效率高：永磁電機(jī)參數(shù)，特別是功率因數(shù)，不受電機(jī)極數(shù)的 影響，因此便于設(shè)計(jì)成多極電機(jī)（如可以 100極以上），這樣對(duì)于傳 統(tǒng)需要通過(guò)減速箱來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載電機(jī)，可以做成直接用永磁同步電機(jī)驅(qū) 動(dòng)的直驅(qū)系統(tǒng)，從而省去了減速箱，提高了傳動(dòng)效率。2、功率因數(shù)高：由于永磁同步電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，其功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，甚至可以設(shè) 計(jì)成功率因數(shù)等于1,且與電機(jī)極數(shù)無(wú)關(guān)。而異步電機(jī)隨著極數(shù)的增 加，由于異步電機(jī)本身的勵(lì)磁特點(diǎn)，必然導(dǎo)致功率因數(shù)越來(lái)越低，如 極數(shù)為8極電機(jī)，其功率因數(shù)通常為0.85左右，極數(shù)越多，

11、相應(yīng)功 率因數(shù)越低。即使是功率因數(shù)最高的2極電機(jī)，具功率因數(shù)也難以達(dá) 到0.95。電機(jī)的功率因數(shù)高有以下幾個(gè)好處：a、功率因數(shù)高，電機(jī)電流小，電機(jī)定子銅耗降低，更節(jié)能；b、功率因數(shù)高，電機(jī)配套的電源，如逆變器，變壓器等，容量可以更低，同時(shí)其他輔助配套設(shè)施如開(kāi)關(guān)，電纜等規(guī)格可以更小，相應(yīng)系統(tǒng)成本更低；c、由于永磁同步電機(jī)功率因數(shù)高低不受電機(jī)極數(shù)的限制，在電機(jī)配 套系統(tǒng)允許的情況下，可以將電機(jī)的極數(shù)設(shè)計(jì)的更高，相應(yīng)電機(jī)的體 積可以做得更小，電機(jī)的直接材料成本更低。3、電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活：a、由于異步電機(jī)轉(zhuǎn)子上需要安裝導(dǎo)條、端環(huán)或轉(zhuǎn)子繞組， 大大限制了異步電機(jī)結(jié)構(gòu)的靈活性，而永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)

12、更為靈活，如對(duì)鐵路牽引電機(jī)，可以將電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁 鋼可直接安裝在機(jī)車(chē)輪對(duì)的轉(zhuǎn)軸上，從而省去了減速齒輪 箱，結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化；又如永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，電機(jī)做成外轉(zhuǎn)子 直驅(qū)結(jié)構(gòu)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子與葉輪做成一個(gè)整體，隨葉輪一起轉(zhuǎn) 動(dòng)，而定子固定在支撐塔上。b、由于永磁同步變頻調(diào)速電機(jī)參數(shù)不受電機(jī)極數(shù)的限制， 便于實(shí)現(xiàn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，省去噪音大，故障率高的減速 箱，增加了機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。4、可靠性高：從電機(jī)本體來(lái)對(duì)比，永磁同步變頻調(diào)速電機(jī)與異步電機(jī)的可靠性 相當(dāng)，但由于永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)的靈活性，便于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載， 省去可靠性不高的減速箱；在某些負(fù)載條件下甚至可以將電機(jī)設(shè)計(jì)在 其驅(qū)動(dòng)裝置的內(nèi)部，如風(fēng)力發(fā)

13、電直驅(qū)裝置，石油鉆機(jī)的絞車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置， 從而可以省去傳統(tǒng)電機(jī)故障率高的軸承： 大大提高了傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠 性。5、體積小，功率密度大：永磁同步變頻調(diào)速電機(jī)體積小，功率密度大的優(yōu)勢(shì)，集中體現(xiàn)在 驅(qū)動(dòng)低速大扭矩的負(fù)載時(shí)，一個(gè)是電機(jī)的極數(shù)的增多，電機(jī)體積可以 縮小。還有就是：電機(jī)效率的增高，相應(yīng)地?fù)p耗降低，電機(jī)溫升減小， 則在采用相同絕緣等級(jí)的情況下， 電機(jī)的體積可以設(shè)計(jì)的更小；電機(jī) 結(jié)構(gòu)的靈活性，可以省去電機(jī)內(nèi)許多無(wú)效部分，如繞組端部，轉(zhuǎn)子端 環(huán)等，相應(yīng)體積可以更小。6、起動(dòng)力矩大、噪音小、溫升低 ：a、永磁同步電機(jī)在低頻的時(shí)候仍能保持良好的工作狀態(tài)，低頻時(shí)的 輸出力矩較異步電機(jī)大，運(yùn)行時(shí)的噪音??；b

14、、轉(zhuǎn)子無(wú)電阻損耗，定子繞組幾乎不存在無(wú)功電流，因而電機(jī)溫升 低，同體積、同重量的永磁電機(jī)功率可提高 30%fc右；同功率容量的 永磁電機(jī)體積、重量、所用材料可減少 30%五.永磁同步電機(jī)在軌道交通方面的應(yīng)用及特點(diǎn)城軌車(chē)輛牽引系統(tǒng)直接決定著車(chē)輛運(yùn)行性能，關(guān)系到車(chē)的安全 性、運(yùn)行質(zhì)量及對(duì)能源的消耗。與一般交通工具相比，城軌車(chē)輛具有 客運(yùn)量大、站間距離短、行車(chē)密度大等特點(diǎn)。早期城軌車(chē)輛常采用 直流電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)牽引系統(tǒng)。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，V V V F 逆變器控制的異步電機(jī)牽引系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，替代了直流電機(jī)牽 引系統(tǒng)。與直流電機(jī)相比，異步電機(jī)沒(méi)有換向器，維修減少，同時(shí)可 做到小型輕量化。近年來(lái)

15、隨著永磁材料成本的降低和性能的提高，永磁同步電機(jī)（P M S M ）憑借其高效率和高功率密度的特點(diǎn)，引 起了軌道車(chē)輛牽引系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者的密切關(guān)注日本已經(jīng)將PMSM應(yīng)用于低地板電動(dòng)車(chē)、獨(dú)立車(chē)輪式電動(dòng)車(chē)和可變軌距電動(dòng)車(chē) ，德國(guó)和法國(guó)也 在高速動(dòng)車(chē)組和低地板電動(dòng)車(chē)上采用了永磁同步牽引電機(jī)。PMSM在城軌車(chē)輛牽引系統(tǒng)的應(yīng)用主要表現(xiàn)為：一是取消齒輪箱， 實(shí)現(xiàn)城軌車(chē)輛的直接傳動(dòng)；另一方面實(shí)現(xiàn)了將牽引電機(jī)做成全封閉電 機(jī)。1 .P MS M作為直接傳動(dòng)電機(jī)使用齒輪傳動(dòng)裝置會(huì)帶來(lái)傳遞損耗、噪聲和維修等問(wèn)題。如采用異步電機(jī)作為直接傳動(dòng)電機(jī)，牽引電機(jī)的體積會(huì)加大，從而導(dǎo)致 簧下重量增加，對(duì)軌道沖擊加大，對(duì)牽引電機(jī)的沖

16、擊也隨之增大 。 因此，在重量和尺寸受到嚴(yán)格限制的車(chē)體地板下采用異步電機(jī)作為直 接傳動(dòng)電機(jī)很困難。P M S M與過(guò)去的直流電機(jī)和異步電機(jī)相比，具 有極對(duì)數(shù)多，轉(zhuǎn)矩密度高的特點(diǎn)，因此其體積和重量可大幅減小，而且更易實(shí)現(xiàn)多級(jí)低速大扭矩運(yùn)動(dòng)，從而能在現(xiàn)有尺寸和重量條件下實(shí)現(xiàn)直接傳動(dòng)。各發(fā)達(dá)國(guó)家均在積極開(kāi)展 P M S M的直接傳動(dòng)系統(tǒng)研究。德國(guó)鐵路公司對(duì)分別采用異步電機(jī)和 P M S M的IC E 3 原 型車(chē)進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可看出采用P MSM直接驅(qū)動(dòng)不僅減輕了系統(tǒng)重量，而且提高了效率。表1I C E3異步電動(dòng)機(jī)與P MS M主要參數(shù)對(duì)比主要參數(shù)異步電動(dòng)機(jī)PMSM額定功率

17、/kW500500傳動(dòng)比1:2.79起動(dòng)牽引力/(kN m)3.29.0牽引電動(dòng)機(jī)重量/kg750400牽引電動(dòng)機(jī)最大效率/(%)94.596.5傳動(dòng)齒輪效率/(%)97總效率/(%)91.596.5西門(mén)子針對(duì)未來(lái)城市軌道車(chē)輛 S y n t e g r a 開(kāi)發(fā)了 P M S M 直接傳動(dòng)系統(tǒng)。其中噪聲可降低 15d B ,體積減少30%,效率提高3%日本鐵道綜合技術(shù) 研究所（R T R I ） 先后開(kāi) 發(fā)了 R M T 9、 R M T 11和R M T 17型直接驅(qū)動(dòng)式P M S M ,并在103系通勤車(chē) 上進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明其效率和功率因數(shù)明顯提高，噪聲水 平大幅降低。東日本鐵路

18、公司 A CT r a i n電動(dòng)車(chē)組開(kāi)發(fā)了直接驅(qū)動(dòng)式PMSM,并與異步電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果顯示 可節(jié)能10%以上，沿線(xiàn)噪聲約可降低5d B。法國(guó)阿爾斯通公司也將 開(kāi)用于單層A G V高速列車(chē)的永磁同步直接傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)作為 未來(lái)牽引傳動(dòng)先進(jìn)技術(shù)的一部分。2 .P MS M作為全封閉牽引電機(jī)由于城軌車(chē)輛牽引電機(jī)要求體積小、輸出功率大，所以通常采用 強(qiáng)迫冷卻方式，而冷卻風(fēng)中含有塵埃，會(huì)污染牽引電機(jī)內(nèi)部，因此牽 引電機(jī)需要定期進(jìn)行解體清掃。車(chē)輛的牽引電機(jī)多數(shù)是轉(zhuǎn)子與風(fēng)扇直 接相連的自通風(fēng)結(jié)構(gòu)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)扇的噪聲很大 。如果電機(jī)為全 封閉結(jié)構(gòu)，灰塵就不會(huì)侵入牽引電機(jī)內(nèi)部，也就不需要解體電機(jī)

19、進(jìn) 行清掃，同時(shí)電機(jī)里的噪聲被隔離，可實(shí)現(xiàn)低噪聲牽引電機(jī)。但全 封閉電機(jī)比通風(fēng)冷卻電機(jī)的冷卻性能差，因此全封閉電機(jī)要做到尺 寸和性能與以往電機(jī)相同，就必須采用效率高、發(fā)熱小的P M S M, 并研究新的冷卻結(jié)構(gòu)，以使各部分的溫升控制在規(guī)定的限值以?xún)?nèi)。法國(guó)AL STO M公司分別為C i t ad is型低地板輕軌車(chē)輛（LR V ）和改進(jìn)型A G V高速動(dòng)車(chē)組開(kāi)發(fā)了 120 k W和720 k W 全封 閉永磁同步牽引電機(jī)，其簡(jiǎn)要參數(shù)如表2所示。其中采用P M S M牽引系統(tǒng)的360 k m/hA G V 高速列車(chē)已于2008年2月下線(xiàn)。表2 Citadis和AGV所用PMSM部分參數(shù)主要參數(shù)C

20、itadis型低地板車(chē)輛AGV（速列車(chē)最大轉(zhuǎn)速/(r - min -1 )3 6004 500牽引功率/kW120720制動(dòng)功率/kW240720極數(shù)8極12極外部尺寸380 mnK 420 mm直徑650 mm長(zhǎng)度/mm525650總重/kg285730六.控制技術(shù)1. P MS M矢量控制矢量控制P MS M 矢量控制矢量控制（V C ） 最早是在1971年由B l a sh -k e等人針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)提出的，其基本思想源于對(duì)直流電機(jī)的嚴(yán)格模擬。在P M S M V C系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁極的位置用來(lái)決定逆變器的觸發(fā)信號(hào)，以保證逆變器輸出頻率始終等于轉(zhuǎn)子角頻率。一般電 機(jī)控制策略的選取是根據(jù)電機(jī)

21、轉(zhuǎn)矩和電流之間的線(xiàn)性度、控制過(guò)程中電機(jī)端電壓的允許變化程度、功率因數(shù)和調(diào)速范圍等進(jìn)行綜合考慮 來(lái)確定的。在P M S MV C中，常用的控制模式有直軸電流id= 0 模式、功率因數(shù)c o s =1 模式、轉(zhuǎn)矩線(xiàn)性模式和恒磁通模式。 其中id= 0模式應(yīng)用最多，該控制方式突出的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有直軸電樞 反應(yīng)，不會(huì)引起永磁體的去磁現(xiàn)象，且可以實(shí)現(xiàn)隱極式電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩 電流比控制；不足之處是電機(jī)端電壓隨負(fù)載增大而增大，因而要求 逆變器具有較高的輸出電壓和較大的容量。在PMSM控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，最關(guān)鍵、最困難的問(wèn)題是如何針對(duì)變化復(fù)雜及具有不確定 性的被控對(duì)象和環(huán)境作出有效的控制策略。為提高P M S M調(diào)速系

22、統(tǒng)性能，避開(kāi)負(fù)載或參數(shù)變化對(duì)電機(jī)動(dòng)態(tài)性能的影響 ，自適應(yīng)控 制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等現(xiàn)代控制方法和 智能控制方法也在P M S MVC系統(tǒng)中得到 了廣泛應(yīng)用。2. P MS M弱磁控制發(fā)展概況P M S M 的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生，因此不可能直接被減弱。 其弱磁控制是利用直軸電樞反應(yīng)使電機(jī)氣隙磁場(chǎng)減弱，從而達(dá)到等 效于減弱磁場(chǎng)的效果。許多學(xué)者針對(duì)以上基本思想進(jìn)行了研究并提 出了眾多方案。提出了六步電壓法，其主要思想是：當(dāng)電機(jī)弱磁運(yùn)行 時(shí),通過(guò)控制電機(jī)的功角，調(diào)整電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和減弱電機(jī)的磁 場(chǎng)。該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器直流母線(xiàn)電壓的最大利用。提出了基于虛擬瞬時(shí)功率的弱磁控制方法。定

23、義虛擬瞬時(shí)功率s = ud x iq+uqx id , 通過(guò)尋找s / 3 e的最優(yōu)值實(shí)現(xiàn)P M S M的弱磁控制。采 用過(guò)調(diào)制技術(shù)，根據(jù)零電壓矢量作用時(shí)間判斷過(guò)調(diào)制起始點(diǎn)，用查表法確定調(diào)制比，提高逆變器直流母線(xiàn)電壓利用率，實(shí)現(xiàn)對(duì)P M S M 弱磁運(yùn)行區(qū)域的擴(kuò)展。采用電流調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)P M S M的弱磁控制， 電流調(diào)節(jié)器包括前饋解耦環(huán)節(jié)和電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié) ，定子交軸電流由電 機(jī)角頻率給定值與實(shí)際值之間的偏差決定，定子直軸電流由每安培最 大轉(zhuǎn)矩控制方案決定。為補(bǔ)償直流母線(xiàn)電壓對(duì)弱磁控制的影響，提出了將直流母線(xiàn)電壓作為一個(gè)反饋量用于電壓外環(huán)調(diào)節(jié)的改進(jìn)方案，從而使系統(tǒng)工作在最大電壓利用狀態(tài)?？刂仆猸h(huán)的

24、電壓可以確保電流 調(diào)節(jié)器在任何工況下不至于飽和，從而取得較滿(mǎn)意的控制效果。提出 了自適應(yīng)弱磁控制法以克服電流調(diào)節(jié)器飽和的問(wèn)題。設(shè)計(jì)了復(fù)合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的P M S M,用于提高弱磁能力。弱磁控制可使P M S M在 低速時(shí)輸出恒定轉(zhuǎn)矩，高速時(shí)輸出恒定功率，有較寬的調(diào)速范圍。較 強(qiáng)的弱磁性能可在逆變器容量不變的情況下提高系統(tǒng)性能。因此 ， 對(duì)P M S M進(jìn)行弱磁控制并拓寬弱磁范圍有著重要意義。3. P MS M牽引系統(tǒng)效率優(yōu)化方法發(fā)展概況近年來(lái)，隨著建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的要求和對(duì)節(jié)能減排要求的日益 提高，人們對(duì)能耗問(wèn)題給予了充分關(guān)注。城軌車(chē)輛牽引系統(tǒng)是能耗大 戶(hù)，因此電機(jī)牽引系統(tǒng)的效率優(yōu)化控制技術(shù)的研究也

25、引起了廣泛關(guān) 注，尤其是對(duì)異步電機(jī)牽引系統(tǒng)。由于 P M S M牽引系統(tǒng)的效率相對(duì) 更高，并且P M S M牽引系統(tǒng)尚是一個(gè)全新的系統(tǒng)，使得對(duì)其效率 的進(jìn)一步挖掘并不迫切，因而未受到充分重視，對(duì)該問(wèn)題的研究進(jìn)行 的也相對(duì)較少。從目前的研究情況來(lái)看，P MSM牽引系統(tǒng)的效率優(yōu)化可分為三 種類(lèi)型：（1）定子電流最小控制策略；（2） 基于損耗模型的永磁電機(jī)最小損耗控制；（3） 檢測(cè)逆變器直流輸入功率的變化，動(dòng)態(tài)調(diào) 節(jié)控制量達(dá)到降低系統(tǒng)損耗的目的。最大轉(zhuǎn)矩電流比可認(rèn)為是P MSM牽引系統(tǒng)最簡(jiǎn)單的一種效率優(yōu)化方式，該方法實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，但其 只能保證系統(tǒng)的銅耗最小，而不能保證鐵耗的降低，因此系統(tǒng)的總損 耗并不一定最小。在建立表面式