稀土永磁电机在轻型轨道交通领域的应用

骆光照，窦满峰，范娟娟，陈哲

(西北工业大学，陕西西安710072)

    摘要：文章主要介绍了轻轨机车牵引用稀土永磁电机及其控制技术。根据轻型轨道交通的特点及应用要求，分析了轻轨机车驱动系统的组成及凸极式永磁同步电机作为直驱牵引电机的优势，重点从电机本体设计及驱动控制技术两个方面对稀土永磁电机作为轻轨机车牵引电机的关键技术进行了阐述。最后介绍了在我们该领域己开展的阶段性工作。

    关键词：轻型轨道交通；凸极式永磁同步电机；弱磁调速；断电重投

1轻型轨道交通的特点及应用

    自从1881年在德国柏林近郊建成世界上第一条有轨电车线路以来，有轨电车技术在车辆及控制系统、轨道系统等方面已有了质的飞跃^[1]。20世纪60年代，在传统有轨电车的基础上诞生并发展起来的轻型轨道交通(Light Rail Transit，LRT)是现代交通领域的又一次飞跃。2007年6月13日，国家行业标准CJJ/T 114，2007《城市公共交通分类标准》的发布，使得轻轨的概念更加清晰准确。该标准对轻轨的定义是：轻轨系统是一种中运量的轨道运输系统，采用钢轮钢轨体系，标准轨距为1435 mm，主要在城市地面或高架桥上运行，线路采用地面专用轨道或高架轨道，遇繁华街区，也可进入地下或与地铁接轨^[3]。从该标准可以看出，轻轨机车主要有以下四方面的特点：

1)轻轨是中运量的轨道运输系统之一，这有别于地铁的大运量和有轨电车的低运量；2)轻轨是采用钢轮钢轨体系；3)轻轨与地铁一样，采用地面专用轨道或高架轨道，而不像有轨电车那样与其他地面车辆混行；4)轻轨线路敷设方式以地面线或高架桥为主、以地下线为辅。

    可以看出，轻轨机车主要用于城市交通运行，采用架线直流供电或后备电池供电，以大功率直流或交流电机驱动的轻型电机车。由于近年稀土永磁材料的开发以及电力电子技术的不断发展，稀土永磁同步电机已经开始逐步取代异步电机而作为轻轨机车系统的牵引电机^[4]。另一方面，由于作为牵引电机用的永磁电机本体及其控制方式的研究尚处初级阶段，在许多方面还需要加以深入研究及完善。因此，研究牵引用永磁同步电机的控制系统是当前的迫切需要。国外的一些专家学者对此已经做了一些有益的研究^[5-7]，国内目前还处于起步阶段。

2轻轨机车驱动系统的组成及特点

    轻轨机车驱动系统由电机、驱动变流器与转向架等构成。常用的驱动电机有直流电机、异步电机、永磁同步电机等^[8]。

    早期的轻轨机车采用直流传动，直流电机技术成熟，控制性好，但其使用寿命、维护成本及体积方面的弱势使该类电机在轻轨机车上的应用受到了很大限制。从80年代开始，异步电机设计、制造以及控制技术都相对成熟，且具有结构简单、制造容易、成本及维护费用低、可靠性高等优点，受到大多数国家的青睐。早在1986年，加拿大温哥华市建成了异步电机驱动的轻轨交通系统，并投入了商业应用。德国西门子的City Spdnte~高地板轻轨机车、日本川崎重工研制的Swimo型低地板轻轨车辆、ABB公司的Variotram系列轻轨车采用的都是异步电机驱动。2000年4月，首批两台国产城市轻轨车在湘潭电机股份有限公司研制成功，采用的就是异步电机。目前，异步电机驱动的轻轨机车发展成熟，且低地板轻轨车较受欢迎。

    与异步电机相比，稀土永磁同步电机具有功率密度高、效率高、体积小、结构简单、输出转矩大、可控性好、可靠性高、噪声低等一系列优点，得到电力牵****域研究人员的重视。目前，国外部分线路已经完成了永磁同步电机牵引运行试验，并取得了良好效果。2007年夏，由德国西门子公司开发的采用永磁同步电机直接驱动的地铁车辆开始在慕尼黑地铁线路上运行^[9]。2006年，法国阿尔斯通公司研制的AGV高速列车正式定型，该列车使用的就是永磁同步电机牵引^[10]。数年前东日本旅客铁道公司E954／E955型高速电动车机组试验已达到预期的基本要求^[11]。相比而言，国内相关领域的研究虽起步较晚，但目前也受到了极大重视，部分高校和科研所积极投身其中，取得了一定的成果^[12-14]。

3稀土永磁电机用于轻轨交通的关键技术

    稀土永磁电机根据永磁体在转子上的安装方式分表面式(隐极式)永磁同步电机(PMSM)

和内置式(凸极式)永磁同步电机(IPMSM)。采用永磁体内嵌的IPMSM由于交直轴电感不同

而产生的磁阻转矩有利于提高电机的功率密度、弱磁扩速及过载能力，能够在逆变器容量不变的情况下提高电驱动车辆的调速范围，满足轻轨机