摘 要：由于体积小、重量轻、效率高、功率密度高的特点，永磁同步电机近年来受到轨道交通行业的密切关注。阐述了永磁同步电机的发展应用概况、结构特点及技术特点，为永磁同步牵引系统的研究应用提供参考，以积极推动我国永磁同步牵引系统的技术发展。关键词：永磁同步牵引电机；特点；轨道交通中图分类号： TM3 文献标识码：A永磁同步电机由于其高效率、高功率因数，体积小，重量轻、高功率密度、启动转矩大和更好的动态性能，永磁电机在轨道交通牵引系统的研究与应用日益广泛。1 永磁同步电机的结构特点永磁同步电机是靠装在转子上的永久磁铁产生磁场的同步电动机。它也由定子、转子等部件构成。定子与普通异步电动机基本相同，是由叠压硅钢片构成的定子铁心和嵌在定子铁心槽内的定子线圈组成。转子的基本结构分转子铁芯，轴，永磁体。转子永磁体结构是永磁同步电动机与其他电机主要的区别。永磁同步电机的转子大致分为表面磁石型和埋入磁石型。表面磁铁型永磁同步电动机在转子的外侧覆盖一层非磁性的结构材料，压住永久磁铁，以防止电机高速运转时表面磁铁飞出。且高速运行时永磁体的安装工艺要求较高。埋入磁石型是永久磁铁在转子铁心内部，铁心通常有磁性凸极性的形状，可以产生磁阻转矩，永磁磁链可以设计的较低，从而使得电机的弱磁扩速能力增大。同时，降低电机反电势，防止高速惰性时电机反电势对驱动电机的变流器的损害。埋入磁石型同步电机适合铁道车辆驱动用。2 永磁同步电动机的技术特点2.1高效率、高功率因数与感应电机相比，永磁同步电机的励磁由转子上的永久磁铁产生，不需要定子绕组的无功励磁电流，所以可以得到更高的功率因数。进而得到相对较小的定子电流和定子铜耗；并且由于永磁同步电机在稳态运行时没有转子铜耗，从而可以因总损耗降低而减小冷却风扇容量甚至去掉冷却风扇。它的效率比同规格的异步电动机可提高2% ～7%，IM一般约为90-92%，PMSM可达96-97%。2.2体积小，重量轻。随着高性能永磁材料的不断应用，永磁同步电机的功率密度得到很大的提高，比起同容量的直流电机和异步电动机，其体积和质量都有较大的减少。而且由于电机损耗小，可省却庞大的通风冷却系统，使其在相同功率下，永磁同步电机一般要轻1/3左右。异步电机一般约为1.2-1.5kg/kW，永磁同步电机可达在1.0kg/kW以下，AGV的只有0.96kg/kW。2.3噪声低、少维护；永磁同步电机的转子，因为没有感应电机上能看到的转子端部的导体突出及短路环，所以不会产生由此带来的气动噪声。永磁同步电机可作为全封闭牵引电机。永磁同步电机因转子无电流产生，发热很小，较容易采取全封闭自冷方式，这样电机内部的噪声被隔离。采用全封闭式结构，灰尘不能进入牵引电机内部，从而不需要对电机进行定期解体清扫，减少维护量。与感应电机相比，噪声降低可达15%。2.4空载感应电压永磁体的存在使永磁同步电机在断电的情况下惰行时定子绕组产生空载感应电压，并且随着转速的升高反电势亦升高。当永磁同步电机作为铁道车辆牵引电机时，由于铁道车辆特有的惰行工况，必须解决永磁同步电机在铁道车辆惰行时的高反电势，以及由此带来的重投困难。电机在高速惰行时一方面产生较高的反电势有可能造成制动的情况，另一方面，空载感应电压的峰值若超过逆变器的耐压就会损坏逆变器。因此有必要对空载感应电压进行控制。控制空载感应电压两个主要措施：（1）控制磁通以降低空载感应电势永磁电机气隙磁场由转子的永久磁铁和定子的电枢电流合成产生。永久磁铁磁通恒定不能控制，只能控制定子直轴电流。在电机高速运行时施加直轴负向电流，从而减弱合成气隙磁场，以降低反电势。在惰行时施加直轴负向电流将带来惰行的铜耗，降低电机的效率，因此施加直轴负向电流是有限度的。（2）合理设计电机结构，控制空载反电动势在牵引系统设计时，为了保证永磁同步电机在运行中可能产生的最大反电势小于直流母线电压值，应满足：Emax=PωmaxΨf 式中，Emax 为电机产生的最大反电势；P 为电机极对数；Ψf为永磁体产生磁链，ωmax 为电机运行过程中最高角速度；Ud为直流母线电压。这样，永磁磁链不能设计的太大。如果单靠永磁链产生的电磁转矩是不能满足铁道车辆最大输出转矩的要求的。根据永磁同步电动机的转矩公式M=1.5P [Ψfiq + （Ld —Lq）iqid。] （2）其中，Ld 为直轴同步电感；Lq为交轴同步电感。为了满足铁道车辆最大输出转矩的要求，只能通过选择交直轴电感来增大磁阻转矩-增加凸极率（Lq / Ld ），从而获得足够大的输出转矩。有多种方法通过对转子的磁路结构进行合理设计增加凸极率，国外在这方面的研究与应用上已取得了可喜的成果，内埋型双层磁路结构永磁电机，其交轴电感Lq是单层磁路结构的1.35倍，直轴电感Ld不变，由此凸极率大大增加。一种切向和径向混合型转子磁路结构新型永磁电机，这种电机大大增大凸极率，而且与同体积和重量的切向转子磁路结永磁电机相比，磁性材料用量减少25%，转矩增加50%定子绕组串并联的方法解决高速时高空载反电势又能使电机在整个速度运行范围都能获得较好的性能。绕组串并联是指在低速运行时采用绕组串联的形式，在电机高速运行时采用绕组并联的方式，绕组并联运行时，绕组串联匝数减少，反电动势低，转折转速高，使电动机能够高速运行，降低了对电动机弱磁扩速能力的要求，甚至电机不需弱磁控制就能达到既高速空载反电势又不高的要求。绕组串并联方案存在最大的缺点就是在绕组换接后电机电流增加幅度较大大，对逆变器功率器件要求较高，合理选择绕组换接速度点，使达到最高速度时电机反电势达到最大可缓解电流增加幅度。2.5永磁电机转子旋转频率与定子电流频率相同永磁电机转速n与电流频率f1关系为： n=60f1/p。其中p为电机极对数。在机车车辆中，由于轮径不一样，每个轮子（即电机转速）不一样，要求给电机供电的逆变器的频率不一样。所以只能采用一个逆变器控制一台永磁电机。结语永磁同步电机相对异步电机而言具有效率高、功率因数高、体积小、重量轻、可实现全封闭结构、噪音低、维修量小等的优点，已成为高速铁路和城市轨道车辆牵引电机又一个新的发展方向。参考文献[1]冯江华.铁道车辆牵引系统用永磁同步电机比较[J].铁道学报， 2 0 0 7 ，29（5）：111-116.[2]刘荣强.永磁同步电机在铁路机车牵引系统的应用[J].内燃机车， 2 0 08 ，411（5）：19-22.