稀土永磁電機(jī)在輕型軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用

1、稀土永磁電機(jī)在輕型軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用駱光照，竇滿峰，范娟娟，陳哲（西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072）摘要：文章主要介紹了輕軌機(jī)車牽引用稀土永磁電機(jī)及其控制技術(shù)。根據(jù)輕型軌道交通的特點(diǎn)及應(yīng)用要 求，分析了輕軌機(jī)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成及凸極式永磁同步電機(jī)作為直驅(qū)牽引電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)從電機(jī)本體設(shè) 計(jì)及驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)兩個(gè)方面對(duì)稀土永磁電機(jī)作為輕軌機(jī)車牽引電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。最后介紹了在 我們?cè)擃I(lǐng)域己開展的階段性工作。關(guān)鍵詞：輕型軌道交通；凸極式永磁同步電機(jī)；弱磁調(diào)速；斷電重投1輕型軌道交通的特點(diǎn)及應(yīng)用自從1881年在德國(guó)柏林近郊建成世界上第一條有軌電車線路以來(lái)，有軌電車技術(shù)在車輛及控制系統(tǒng)、 軌道系統(tǒng)

2、等方面已有了質(zhì)的飛躍1。20世紀(jì)60年代，在傳統(tǒng)有軌電車的基礎(chǔ)上誕生并發(fā)展起來(lái)的輕型軌道 交通（Light Rail Transit，LRT）是現(xiàn)代交通領(lǐng)域的又一次飛躍。2007年6月13日，國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ/T 114, 2007城市公共交通分類標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，使得輕軌的概念更加清晰準(zhǔn)確。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輕軌的定義是：輕軌系 統(tǒng)是一種中運(yùn)量的軌道運(yùn)輸系統(tǒng)，采用鋼輪鋼軌體系，標(biāo)準(zhǔn)軌距為1435 mm，主要在城市地面或高架橋上 運(yùn)行，線路采用地面專用軌道或高架軌道，遇繁華街區(qū)，也可進(jìn)入地下或與地鐵接軌。從該標(biāo)準(zhǔn)可以看 出，輕軌機(jī)車主要有以下四方面的特點(diǎn)：1）輕軌是中運(yùn)量的軌道運(yùn)輸系統(tǒng)之一，這有別于地鐵的大

3、運(yùn)量和有軌電車的低運(yùn)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(shè)方式以地面線或高架橋?yàn)橹?、以地下線為輔。可以看出，輕軌機(jī)車主要用于城市交通運(yùn)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(jī)驅(qū)動(dòng)的輕型電機(jī)車。由于近年稀土永磁材料的開發(fā)以及電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，稀土永磁同步電機(jī) 已經(jīng)開始逐步取代異步電機(jī)而作為輕軌機(jī)車系統(tǒng)的牽引電機(jī)囹。另一方面，由于作為牽引電機(jī)用的永磁電 機(jī)本體及其控制方式的研究尚處初級(jí)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(jī)的控制系統(tǒng)是當(dāng)前的

4、迫切需要。國(guó)外的一些專家學(xué)者對(duì)此已經(jīng)做了一些有益的研究5-7，國(guó)內(nèi)目 前還處于起步階段。2輕軌機(jī)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)輕軌機(jī)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、驅(qū)動(dòng)變流器與轉(zhuǎn)向架等構(gòu)成。常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有直流電機(jī)、異步電機(jī)、永磁 同步電機(jī)等8。早期的輕軌機(jī)車采用直流傳動(dòng)，直流電機(jī)技術(shù)成熟，控制性好，但其使用壽命、維護(hù)成本及體積方面的 弱勢(shì)使該類電機(jī)在輕軌機(jī)車上的應(yīng)用受到了很大限制。從80年代開始，異步電機(jī)設(shè)計(jì)、制造以及控制技術(shù) 都相對(duì)成熟，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、成本及維護(hù)費(fèi)用低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，受到大多數(shù)國(guó)家的青睞。 早在1986年，加拿大溫哥華市建成了異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輕軌交通系統(tǒng)，并投入了商業(yè)應(yīng)用。德國(guó)西門子

5、的 City Spdnte高地板輕軌機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)。2000年4月，首批兩臺(tái)國(guó)產(chǎn)城市輕軌車在湘潭電機(jī)股份有限公司研制成 功，采用的就是異步電機(jī)。目前，異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輕軌機(jī)車發(fā)展成熟，且低地板輕軌車較受歡迎。與異步電機(jī)相比，稀土永磁同步電機(jī)具有功率密度高、效率高、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出轉(zhuǎn)矩大、可控 性好、可靠性高、噪聲低等一系列優(yōu)點(diǎn)，得到電力牽引領(lǐng)域研究人員的重視。目前，國(guó)外部分線路已經(jīng)完 成了永磁同步電機(jī)牽引運(yùn)行試驗(yàn)，并取得了良好效果。2007年夏，由德國(guó)西門子公司開發(fā)的采用永磁同步 電機(jī)直接

6、驅(qū)動(dòng)的地鐵車輛開始在慕尼黑地鐵線路上運(yùn)行9。2006年，法國(guó)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(jī)牽引10。數(shù)年前東日本旅客鐵道公司E954 / E955型高速 電動(dòng)車機(jī)組試驗(yàn)已達(dá)到預(yù)期的基本要求11。相比而言，國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)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(jī)用于輕軌交通的關(guān)鍵技術(shù)稀土永磁電機(jī)根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝方式分表面式(隱極式)永磁同步電機(jī)(PMSM)和內(nèi)置式(凸極式)永磁同步電機(jī)(IPMSM)。采用永磁體內(nèi)嵌的IPMSM由于交直軸電感不同而產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩有利于提高電機(jī)的

7、功率密度、弱磁擴(kuò)速及過(guò)載能力，能夠在逆變器容量不變的情況下提 高電驅(qū)動(dòng)車輛的調(diào)速范圍，滿足輕軌機(jī)車牽引電機(jī)期望的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)、大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩及直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，因此 更適合做輕軌機(jī)車的牽引電機(jī)，并且也已經(jīng)成為牽引驅(qū)動(dòng)的研究熱點(diǎn)15-16。從目前研究的狀況看，要使得 稀土永磁電機(jī)能夠在輕軌機(jī)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，還必須解決以下幾方面的問(wèn)題。31電機(jī)本體設(shè)計(jì)適合軌道交通的新型凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)牽引電機(jī)來(lái)說(shuō)，需要有堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)并希望能有效利用磁阻轉(zhuǎn)矩，同時(shí)為了更好地保護(hù)主電路，也希望 永久磁鐵引起的交鏈磁通能夠充分減小。因此，牽引電機(jī)適合采用嵌入永磁體型的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，即凸極結(jié)構(gòu)。 嵌入式永磁體轉(zhuǎn)子(凸極式轉(zhuǎn)子

8、)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便，表面沒(méi)有較脆的永磁材料，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，省去了端環(huán) 和護(hù)環(huán)，可使?fàn)恳姍C(jī)輕量化；同時(shí)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)沒(méi)有轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的風(fēng)噪聲，具有噪音低的優(yōu)點(diǎn)。凸極式永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)形式多種多樣，不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其空載漏磁系數(shù)、交直軸電樞反 應(yīng)電抗等參數(shù)各不相同，電機(jī)的運(yùn)行性能、控制性能、制造工藝和應(yīng)用場(chǎng)合也不同。為了在有限的空間內(nèi) 放置足夠的永磁體，還要保證適宜的漏磁系數(shù)和電抗參數(shù)及其比值，需要對(duì)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究 17。常用的高效永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有“U”型和“W”型兩種?！癠”型結(jié)合了徑向式和切向式的優(yōu)點(diǎn)，可以提 高電動(dòng)機(jī)的牽入同步能力、磁阻轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)的過(guò)載倍數(shù)，這對(duì)電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)

9、電機(jī)來(lái)講是非常重要的；同 時(shí)，該結(jié)構(gòu)提供了更多的永磁體安裝空間，從而可以減小電機(jī)的體積，提高電機(jī)的功率密度18?！癢”型轉(zhuǎn) 子在異步起動(dòng)性能上最大轉(zhuǎn)矩高于“U”型，在暫態(tài)起動(dòng)性能上也更易于牽入同步速，因此具有較高的運(yùn)行性 能，但要以增加永磁體用量作為代價(jià)19稀土永磁電機(jī)的場(chǎng)、路、熱結(jié)合的設(shè)計(jì)方法輕軌機(jī)車牽引用直驅(qū)永磁電機(jī)直接安裝在機(jī)車底部，使用環(huán)境惡劣，必須采用全密封結(jié)構(gòu)，散熱條件差， 因此電機(jī)本身的發(fā)熱及散熱是研究電機(jī)性能的關(guān)鍵技術(shù)。大功率、高壓永磁同步電機(jī)內(nèi)部電磁場(chǎng)分布非常 復(fù)雜，各部分發(fā)熱情況不均勻，散熱條件也相差懸殊，熱源之間又存在一定的熱交換，所以該類電機(jī)內(nèi)部 的熱場(chǎng)分析存在一定困難

10、。因此這方面的研究是一個(gè)難點(diǎn)。目前常用的方法是結(jié)合電磁場(chǎng)有限元分析和熱 場(chǎng)有限元分析方法對(duì)大功率、高壓永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電磁場(chǎng)一熱場(chǎng)耦合分析。首先通過(guò)電磁場(chǎng)分析得到 電機(jī)的平均損耗，并以此作為熱源對(duì)電機(jī)進(jìn)行熱場(chǎng)分析；然后在此溫升的基礎(chǔ)上進(jìn)行電磁場(chǎng)計(jì)算；通過(guò)電 磁場(chǎng)分析對(duì)電機(jī)損耗的重新計(jì)算，再轉(zhuǎn)而進(jìn)行熱場(chǎng)分析，以此循環(huán)直至電機(jī)達(dá)到熱平衡。最后，通過(guò)對(duì)電 機(jī)的溫度云圖和熱能傳遞圖的分析，研究電機(jī)的發(fā)熱情況。采用這種方法不僅可以精確計(jì)算電機(jī)內(nèi)部電磁 場(chǎng)的分布，而且可以得到電機(jī)內(nèi)部電磁場(chǎng)與熱場(chǎng)之間的能量交互過(guò)程，研究電機(jī)的發(fā)熱問(wèn)題，因此可以更 有效地對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，使電機(jī)滿足高效率、損耗匹配、發(fā)熱合理

11、等指標(biāo)。3. 2稀土永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)(1)永磁同步電機(jī)弱磁控制方法輕軌機(jī)車的應(yīng)用領(lǐng)域要求牽引電機(jī)具有低速大扭矩及盡可能寬的高速恒功驅(qū)動(dòng)能力，以擴(kuò)展輕軌機(jī)車的 行駛速度范圍。牽引用稀土永磁同步電機(jī)為凸極結(jié)構(gòu)，具有更寬的弱磁調(diào)速能力。而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高性能運(yùn) 行，先進(jìn)的控制方法必不可少。弱磁控制技術(shù)能夠在電機(jī)最大輸出功率不變的條件下提高輕軌機(jī)車的行駛 速度，能夠更加充分地利用逆變器輸出能力，從而降低逆變器的容量，因而對(duì)輕軌機(jī)車永磁電機(jī)電牽引系 統(tǒng)具有非常重要的意義和突出實(shí)用價(jià)值2Q水磁同步電機(jī)弱磁控制的思想來(lái)源于他勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)思想。對(duì)于永磁同步電機(jī)來(lái)說(shuō)，勵(lì)磁磁動(dòng) 勢(shì)由位于轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生

12、，無(wú)法像他勵(lì)直流電機(jī)一樣方便地調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，只有通過(guò)控制定子電流， 即提高d軸電流分量的去磁作用來(lái)控制氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度，以維持電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的電壓平衡，實(shí)現(xiàn)弱磁擴(kuò)速。 文獻(xiàn)21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)逆變器直流母線電壓的最大利用。文獻(xiàn)22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電壓利用率，實(shí)現(xiàn)對(duì) 永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁運(yùn)行區(qū)域的擴(kuò)展。文獻(xiàn)23提出采用電流調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)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)。另外，由于溫升和直

13、流母線電壓引起的電壓變化會(huì)導(dǎo)致電 壓補(bǔ)償器工作不正常，嚴(yán)重時(shí)可能引起整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定?；谶@一缺陷，文獻(xiàn)24提出了將直流母線電 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，從而取得較滿意的控制效果。(2)永磁同步電機(jī)斷電再投技術(shù)機(jī)車惰行或運(yùn)行過(guò)程中逆變器保護(hù)等造成輸出脈沖關(guān)斷，相當(dāng)于逆變器輸出斷電。當(dāng)需要重新牽引或從 故障狀態(tài)恢復(fù)時(shí)，逆變器應(yīng)具備在機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中(具有一定的初速度)重新投入的功能。在重新投入前，機(jī)車本身具有一定的速度。與異步機(jī)不同的是，由于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的存在，因 此電機(jī)繞組線端有

14、一個(gè)隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的、一定幅值的反電勢(shì)電壓。若投入時(shí)機(jī)不對(duì)，輕則造成系統(tǒng)沖擊、振 蕩，重則造成逆變器燒毀。因此，當(dāng)逆變器重新投入時(shí)，要保證系統(tǒng)安全、沖擊最小，必須保證逆變器輸 出電壓的相位及頻率與當(dāng)前的反電勢(shì)相位及頻率值相對(duì)應(yīng)，而且逆變器輸出電壓的施加也必須有一個(gè)逐步 調(diào)節(jié)的過(guò)程。由于這個(gè)過(guò)程涉及永磁同步電機(jī)的瞬態(tài)過(guò)程，尤其在弱磁狀況下該過(guò)程更為復(fù)雜，因此該方 面的研究是目前國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外在這方面的研究文獻(xiàn)很少，僅有的文獻(xiàn)也多從永磁電機(jī) 電樞形式方面開展研究。不過(guò)從相對(duì)成熟的異步電機(jī)的帶速度重投的一些成果可能對(duì)研究永磁同步電機(jī)帶 速度重投具有一定的啟發(fā)和借鑒意義。文獻(xiàn)25提出了針對(duì)

15、異步電機(jī)無(wú)速度傳感器的斷電重投的方法，利 用電機(jī)的Luenberger觀測(cè)器模型推導(dǎo)出自適應(yīng)辨識(shí)算法，提出了初始轉(zhuǎn)速自搜索算法。在斷電重投的時(shí)候， 利用已經(jīng)準(zhǔn)確估計(jì)的速度得到定轉(zhuǎn)子磁鏈的精確值，通過(guò)調(diào)整磁鏈控制環(huán)節(jié)保證勵(lì)磁。文獻(xiàn)26提出在重 投瞬間使得電動(dòng)機(jī)順利勵(lì)磁的方法，勵(lì)磁成功后利用自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)器進(jìn)行速度辨識(shí)。文獻(xiàn)27提出在斷 電重投時(shí)分兩種情況進(jìn)行處理：一種是變流器短時(shí)封鎖后的帶電重投，該情況下保存當(dāng)前速度值，投入時(shí) 以該速度作為當(dāng)前速度；一種是長(zhǎng)期惰性以后，速度偏差較大時(shí)利用文獻(xiàn)23介紹的速度自搜索方法。4當(dāng)前在該領(lǐng)域已開展的部分研究工作目前，西北工業(yè)大學(xué)稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所與北車集團(tuán)合作開展了蓄電池供電型輕型軌道車輛 用稀土永磁同步電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)工作。在電機(jī)設(shè)計(jì)方面，采用“場(chǎng)-路”結(jié)合的方法對(duì)凸極式徑向勵(lì) 磁結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了電磁設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)電機(jī)有關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸及性能計(jì)算時(shí)從電機(jī)基本公式出發(fā)，在 計(jì)算有關(guān)關(guān)鍵參數(shù)時(shí)利用有限元方法得到。同時(shí)，利用場(chǎng)的方法優(yōu)化設(shè)計(jì)了永磁體的磁化方向長(zhǎng)度、寬度 和傾斜角度，使永磁體工作于最佳工作點(diǎn)并滿足足夠的磁負(fù)荷；合理設(shè)計(jì)隔磁磁橋，在滿足轉(zhuǎn)子強(qiáng)度前提 F，盡量減小漏磁，提高了永磁材