稀土永磁電機在輕型軌道交通領(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車牽引用稀土永磁電機及其控制技術(shù)。根據(jù)輕型軌道交通的特點及應(yīng)用要求，分析了輕軌機車驅(qū)動系統(tǒng)的組成及凸極式永磁同步電機作為直驅(qū)牽引電機的優(yōu)勢，重點從電機本體設(shè)計及驅(qū)動控制技術(shù)兩個方面對稀土永磁電機作為輕軌機車牽引電機的關(guān)鍵技術(shù)進行了闡述。最后介紹了在我們該領(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；弱磁調(diào)速；斷電重投
1輕型軌道交通的特點及應(yīng)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(shù)在車輛及控制系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)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)對輕軌的定義是：輕軌系統(tǒng)是一種中運量的軌道運輸系統(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)，也可進入地下或與地鐵接軌[3]。從該標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)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(shè)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(qū)動的輕型電機車。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，稀土永磁同步電機已經(jīng)開始逐步取代異步電機而作為輕軌機車系統(tǒng)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(tǒng)是當(dāng)前的迫切需要。國外的一些專家學(xué)者對此已經(jīng)做了一些有益的研究[5-7]，國內(nèi)目前還處于起步階段。
2輕軌機車驅(qū)動系統(tǒng)的組成及特點
輕軌機車驅(qū)動系統(tǒng)由電機、驅(qū)動變流器與轉(zhuǎn)向架等構(gòu)成。常用的驅(qū)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(shù)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(yīng)用受到了很大限制。從80年代開始，異步電機設(shè)計、制造以及控制技術(shù)都相對成熟，且具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本及維護費用低、可靠性高等優(yōu)點，受到大多數(shù)國家的青睞。早在1986年，加拿大溫哥華市建成了異步電機驅(qū)動的輕軌交通系統(tǒng)，并投入了商業(yè)應(yīng)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(qū)動。2000年4月，首批兩臺國產(chǎn)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(qū)動的輕軌機車發(fā)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(jié)構(gòu)簡單、輸出轉(zhuǎn)矩大、可控性好、可靠性高、噪聲低等一系列優(yōu)點，得到電力牽****域研究人員的重視。目前，國外部分線路已經(jīng)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(fā)的采用永磁同步電機直接驅(qū)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(shù)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(yù)期的基本要求[11]。相比而言，國內(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稀土永磁電機用于輕軌交通的關(guān)鍵技術(shù)
稀土永磁電機根據(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(PMSM)
和內(nèi)置式(凸極式)永磁同步電機(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(qū)動車輛的調(diào)速范圍，滿足輕軌機 |
