牵引电动机能耗的比较

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牵引电动机能耗的比较
变流技术与电力牵引 ６ ／ ２ ０ ０ ４
强迫通风式是由通风机把冷却空气引入电机内的 比于转速的三次方。图１表示各种冷却方式的损耗，是
冷却方式。这种方式不需要自通风的风扇，机械损耗 参考实测结果设定的。强迫通风和全封闭自冷式的机
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设计·研究
牵引电动机能耗的比较
川村 淳也 等 （日）
【摘要】 铁路运营部门正尽力改善新干线和窄轨列车的运行能耗。列车传动系统最近大多采用感应电动机
（ＩＭ ），但预计永磁同步电动机（ＰＭＳＭ）用作牵引电动机，可以降低能耗，因为 ＰＭＳＭ 转子损耗比 ＩＭ 少。即使
效率提高不多，也可明显节能，因为大量的能量消耗在列车运行中。文章通过数字仿真比较 ＰＭＳＭ 与 ＩＭ 的能耗，
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牵引电动机能耗的比较
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产生阻力，仿真时考虑了列车阻力。
在各种牵引电动机中，如果在同
一限速下进行最高速运行，装有效率
高的牵引电动机的车辆早到达车站，
则能耗有可能加大。所以，为了比较
提供相同运输服务时的能耗，应通过
驱 动 方 式 平行万向轴齿轮式挠性联轴器
在评价能耗时，还需要掌握包括惰行时铁耗的损耗特 性。
因此，对永磁同步电动机的空载损耗，根据惰行 法用空载损耗测定法进行了测定。然后用从空载损耗 中区分机械损耗和铁耗的方法，在磁铁未埋入转子的 状态下测定空载损耗（即机械损耗），以此作为机械损
比自通风式的减少了，但需要驱动风机的电力。这种 械损耗大约是自通风式的一半。此外，强迫通风和全
冷却方式用于新干线和一部分既有线车辆。
封闭自冷式中，在高速区域强迫通风式的机械损耗小
此外，永磁同步电动机使用全封闭自冷式，能获 一些。
得与自通风式感应电动机相同的输出功率。这种方式 ２．２ 空载损耗
的结构是风扇在机内与轴直接连接，通过安装在牵引
（２）运行阻力 用滚子轴承时的运行阻力按式
（１）按电动机类型比较 感应电动机和永磁同步电动机损耗对列车速度的
变化有不同的结果。在感应电动机中，铁耗和铜耗随 速度提高而下降；在永磁同步电动机中，定子铜耗随 速度提高而下降，但定子铁耗上升。
（２）按冷却方式比较 在各种电动机中，按冷却方式进行了比较。自通
列车必须在曲线、下坡道、区段确定的限速以下 的速度运行。因此，在坡道区段和曲线区段考虑了对 各速度的限值。此外，因为运行在坡道和曲线区段时
（１）求出。
Ｒ＝（１．６５＋０．０２４７ Ｖ）ｍＭ＋（０．７８＋０．００２８ Ｖ）ｍＴ＋ ９．８１［０．０２８＋０．００７８（ｎ－１）］Ｖ ２ ………………（１）
３ 仿真
３．１ 仿真条件 ３．１．１ 计算对象
仿真对象为既有线典型直流电动车组。计算对象 的运行条件如表 ２ 所示。运行条件设为通勤运输和近 郊运输。这是为了研究最高速度的不同和停车站数多 少对能耗有什么样的影响。如上所述，冷却方式有自 通风式及强迫通风式的感应电动机和全封闭式及强迫 通风式的永磁同步电动机，但对强迫通风假定在运行 中常常开启冷却用风机。
计算等效电路常数的等效电路模型，感应电动机 按 ＪＥＣ，永磁同步电动机使用基于 ＳＶ 法导出的电路方 程描述的等效电路。
此外，本文的目的是比较不同类型的牵引电动机 能耗，所以在计算各种牵引电动机的能耗时，也求出 了能耗最少的电流和电压组合。 ２．４ 牵引电动机损耗与列车速度的关系
图 ３ 是牵引电动机损耗与列车速度的关系。
铁耗是穿过定子铁心的交变磁场变化时产生的涡 流损耗和磁滞损耗。涡流损耗正比于转速二次方，磁 滞损耗正比于转速。永磁同步电动机是永久磁铁埋入 转子的结构，所以，虽然不从外部供给电源，但永久 磁铁会产生穿过定子铁心的磁通。因此，惰行时，永 久磁铁的磁通也产生铁耗。 ２．１．３ 机械损耗
机械损耗分为轴承部分摩擦损耗和伴随冷却风扇 旋转产生的风损耗。牵引电动机的轴承使用球轴承和 滚子轴承，与风损耗相比，摩擦损耗很小，所以机械 损耗主要是冷却风扇引起的风损耗。这种机械损耗正
Ｓ ——坡度，‰；
ｍＲ ——编组中动车总质量产生的负载，ｋＮ。 此外，驱动方式为平行万向轴方式，所以，减速齿
轮装置会产生动力传递损失。传动效率按ＪＩＳ规定计算。
３．２ 能耗计算流程图
表２ 运行条件
参数 编组 乘坐率 ／（％） 列车重量／ｔ 传动比 轮径 ／ ｍ ｍ 启动加速度 ／ｍ·ｓ－２ 制动减速度 ／ｍ·ｓ－２ 最高速度 ／ｋｍ·ｈ－１ 运行距离 ／ｋｍ 车站数 运行时间 ／ｈ
式中：Ｒ ——运行阻力，Ｎ；
Ｖ ——电动车组速度，ｋｍ／ｈ；
ｍＭ ——一编组中动车总质量产生的负载，ｋＮ； ｍＴ ——编组中控制车及拖车的总质量产生的负 载，ｋＮ；
ｎ ——编组车辆数。
（３）坡道阻力
坡道阻力由式（２）求出。
Ｒｓ＝ＳｍＲ …………………………………………（２） 式中：Ｒｓ ——坡道阻力，Ｎ；
调节最高速度来使运行时间一定。这
次仿真没有考虑车站停车时间。此外，
在冷却方式不同的同类牵引电动机中，
定子和转子的设计相同。
３．１．２ 列车阻力
列车阻力公式按ＪＩＳ规定如下。但
是，为简化计算，对曲线阻力不予考
虑。
（１）启动阻力
每单位质量的启动阻力在滚子轴
承静止状态下规定为２９．４２Ｎ。
图３ 牵引电动机损耗与列车速度的关系
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ； ｃｏｏｌｉｎｇ ； ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ； ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ； ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ
０ 引言
在新干线和既有线电动车组中，通过车体轻量化 和采用再生制动与 ＶＶＶＦ逆变器，正在不断使用降低能 耗的“节能车辆”。这些车辆的牵引电动机采用高效率 的感应电动机。另一方面，近年来，由于以 Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系 为代表的高性能稀土类磁铁的出现，有可能利用这种 材料设计出高效率的永磁同步电动机，作为继感应电 动机之后的下一代牵引电动机正受到关注。为降低噪 声，减少维修等，日本铁道综研为既有线电动车组开 发的全封闭式牵引电动机就采用永磁同步电动机。为 此，随着损耗降低，效率提高（感应电动机效率为９２％， 而永磁同步电动机为 ９７％），可望能耗也降低。
表１ 作为计算对象的牵引电动机类型和冷却方式
牵引电动机类型
感应电动机
永磁同步电动机
自通风式
全封闭自冷式
冷却方式
强迫通风式 强迫通风式
小时额定功率 ／ ｋ Ｗ ２００
风式感应电动机，在高速区是机械损耗为主。所以，从 ７０ ｋｍ／ｈ 附近开始，铜耗和铁耗下降，但与机械损耗增 加量相比，其降低量还是小，所以总损耗（各损耗之 和）随着速度提高而增加。另一方面，强迫通风时，与 铜耗和铁耗的下降量相比，机械损耗的增加量少，故 总损耗增加量很少。在永磁同步电动机中，全封闭自 冷式和强迫通风式的机械损耗变化不太大，所以总损 耗的变化小。
１ 牵引电动机的类型
１．１ 牵引电动机类型 我们计算的牵引电动机是感应电动机和永磁同步
电动机。假定感应电动机与铁道综研开发的永磁同步 电动机有相同的外形尺寸和输出功率。 １．２ 冷却方式
现在，一般异步电动机的冷却方式是自通风式和 强迫通风式。自通风式是通过与转子直接连接的风扇， 把外界空气引入电机内的一种冷却方式。这种方式广 泛用于既有线车辆。
图１ 机械损耗
图２ 空载损耗和机械损耗的测定结果
２．３ 损耗计算 为计算能耗量，在进行各工作点（由牵引电动机
转速和转矩确定的工作点）的损耗计算时，将牵引电 动机用等效电路来表示较方便。
于是，根据感应电动机和永磁同步电动机实机试 验结果计算等效电路常数，再算出运行时各工作点的 损耗。永磁同步电动机使用铁道综研开发样机的试验 结果；感应电动机使用与试制的永磁同步电动机有同 样外形尺寸和输出功率的典型感应电动机的试验结果。
现在，既有线上大多使用自通风感应电动机，运 行时通过风扇来冷却产生的热量。风扇采用与转子直 接连接的结构。风扇在旋转时产生与转速 ３ 次方成正 比的损耗，这成为一种运行阻力。这种损耗占电动机 机械损耗的大部分。近年来，为提高运能，正在进行 高速化和车体轻量化。高速运行时，机械损耗占牵引 电动机损耗的比例很高。这个机械损耗随着有无风扇
如上所述，永磁同步电动机在惰行时即空载时，
电动机上部的循环管路能使机内空气循环，产生的热 不仅有机械损耗，还有永久磁铁磁通引起的铁耗。因
量从机壳表面散发出去。
此，与感应电动机相比，惰行时的损耗有可能增加。不
我们对表 １ 所示的 ４ 种牵引电动机作了计算。
能说额定点的效率高，总的能耗就比异步电动机小。
耗。铁耗则由空载损耗和机械损耗之差求得。根据惰
２ 牵引电动机损耗
行法测定空载损耗和机械损耗的结果示于图 ２。
２．１ 损耗的种类 ２．１．１ 铜耗
铜耗是由运行时的电流通过定子绕组的电阻产生 的损耗。感应电动机转子铜耗是在端环和导条上流过 电流时的损耗。永磁同步电动机的转子是将永久磁铁 埋入铁心的结构，原理上不发生损耗。 ２．１．２ 铁耗
通勤运输 ３Ｍ４Ｔ １００ ２７０
７．０７（９９：１４） ８２０（计算值 ）
０．６９７ ０．８３ １１０ 约 １００ ４５ １．５４
近郊运输 ３Ｍ５Ｔ １００ ３２７
６．５３（９８：１５） ８２０（计算值）
和Fra Baidu bibliotek动机类型的不同而变化很大。 铁道机车车辆在运行中消耗大量的电能。虽然感
应电动机效率较高，但与其他主电路设备和齿轮传动 装置相比还是低的。所以，通过降低牵引电动机损耗， 即使牵引电动机效率提高几个百分点，降低能耗的效 果也是很大的。这样，牵引电动机的类型和冷却方式 对能耗的影响是不小的。因此，对不同类型和冷却方 式的牵引电动机的损耗和能耗进行了计算和对比研究。 现报导其结果。
证实 Ｐ Ｍ Ｓ Ｍ 的能耗低。
关键词：牵引电动机；冷却方式；永磁同步电动机；能耗；节能
中图分类号：Ｕ２６４．１
文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－８４１０（２００４）０５－００１３－０５
Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｒａｃｔｉｏｎ Ｍｏｔｏｒｓ
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｒａｉｌｗａｙ ｏｐｅｒａｔｏｒｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｍａｋｉｎｇ ｅｆｆｏｒｔｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｈｉｎｋａｎｓｅｎ ａｎｄ ｎａｒｒｏｗ－ｇａｕｇｅ ｔｒａｉｎｓ． Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｓ （ＰＭＳＭｓ） ｕｓｅｄ ａｓ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒｓ ａｒｅ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈａｔ ｏｆ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒｓ （ＩＭｓ） ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｔｒａｉｎ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ， ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｏｆ ＰＭＳＭ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ＩＭ． Ｅｖｅｎ ａ ｓｍａｌｌ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｗｉｌｌ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ， ｓｉｎｃｅ ａ ｌａｒｇｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｉｓ ｃｏｎｓｕｍｅｄ ｉｎ ｔｒａｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｗｅ ｃｏｍｐａｒｅ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ＰＭＳＭｓ ｗｉｔｈ ｔｈａｔ ｏｆ ＩＭｓ ｂｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｅｆｆｃｅｔ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ＰＭＳＭｓ．