永磁电机在铁路机车牵引领域的应用

永磁电机在铁路机车牵引领域的应用

刘荣强,周国聘,姬春霞

(永济新时速电机电器有限责任公司技术开发部,山西永济044502)

摘要:对永磁同步牵引电机和异步牵引电机进行了技术比较,介绍了国内外有关研发直接驱

动式和全封闭式永磁电动机的概况,分析了永磁同步电机在铁路牵引应用中的发展前景及面临的主要问题。

关键词:永磁电机;机车;牵引;应用

中图分类号:U260.13+3 文献标识码:B 文章编号:100321820(2008)0520019204

收修回稿日期:2008201204

作者简介:刘荣强(1974—

),男,山西永济人,高级工程师;周国聘(1957—

),男,湖南浏阳人,

高级工程师;姬春霞(1970—),女,山西永济人,高级工程师。

1　引言

近年来,随着稀土永磁材料特别是钕、铁、硼等性

能的不断提高和完善,以及价格的逐步降低,永磁电机研究开发逐步成熟,使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得了越来越广泛的应用。

同时,人类对地球环境保护、能源问题的社会意识及要求越来越高,人们对节省能源、成本更低、体积更小、重量更轻化的新一代绿色节能铁路机车牵引永磁同步电动机的呼声逐渐强烈起来。一些发达国家的知名企业,如法国阿尔斯通、日本东芝、德国ST ARNBE NG 等,已经迅速着手研制并开发出新一代的铁路机车牵引永磁同步电动机,目前正在各个领域进行着评价试验。

2　永磁同步电机结构及特点

2.1　永磁同步电机结构

永磁同步电机是靠装在转子上的永久磁铁产生磁场的电动机,它也由定子、转子和端盖等部件构成。定子结构与普通异步电动机(或普通同步电动机)基本相同,由硅钢片叠压构成的定子铁心和嵌在定子铁心槽内的定于线圈组成,定子线圈的连接使三相交流电产生旋转磁场;转子由转子铁心和

永磁体构成,这是永磁电机与其他电机的主要区

别,转子磁路结构是永磁电机的关键技术所在。转子磁路结构不同,则电动机的运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合也不同。

图1　永磁电机转子结构

1—永磁材料;2—铁心;3—转轴。

图1(a )、

(b )、(c )、(d )是4种典型永磁电机转子磁路结构的横截面图。其中图(a )、

(b )所示为永磁体固定在转子表面的表面式磁路结构,图(a )中的电机铁心横截面没有凸起,产生永磁转矩,但没有磁阻转矩;而图(b )所示的电机由于铁心的凸起不对称性结构,产生了磁阻转矩,提高了电机的功

率密度,动态性能也较图(a )有所改善。图(c )、(d )所示为内置式永磁电机磁路结构,内置式永磁电机

第5期(总第411期)

内燃机车

2008年5月

转子内的永磁体受到保护,其转子磁路结构的不对

称性产生的磁阻转矩,也有助于提高电机的过载能力和功率密度,且易于“弱磁”扩速。因此,可以说内置式永磁电机适宜用作铁路机车的牵引电机。2.2　永磁同步电动机特点

永磁同步电动机具有结构简单、损耗小、功率因数高、效率高、功率密度高等显著特点。

(1)功率因数高、效率高

与感应电动机相比,永磁同步电动机不需要无功励磁电流,可以显著提高功率因数(可达到

1甚至容性),减少了定子电流和定子电阻损耗,而且在稳定运行时没有转子电阻损耗,减小或去掉冷却风扇,使相应的风磨损耗减小,从而使效率比同规格的感应电机提高2～8个百分点。同时功率因数、效率的提高,可减少系统、线路的容量,减少系统成本。永磁电机与感应电机损耗计算结果比较,以及负载特性比较见图2、图3。

图2　永磁电机与感应电机损耗计算结果比较

(2)起动力矩大

在需要大起动转矩的设备中,可以用较小容量的永磁电机替代较大容量的感应电机,较好地解决了“大马拉小车”的现象,节省了设备的投入费用,提高了系统的运行效能。

(3)

力能指标好

感应电机在60%的负荷下工作时,效率下降15%,功率因数下降30%,力能指标下降40%。而

永磁电机在25%～120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数,当只有20%负荷时,其力能指标仍为满负荷的80%以上,使轻载运行时的节能效果更为显著。

(4)温升低、功率密度高

转子无电阻损耗,定子绕组几乎不存在无功电

流,因而电机温升低,同体积、重量的永磁电机功率

可提高30%左右;同功率容量的永磁电机体积、重量、所用材料可减少30%左右,使永磁电机的成本优势显著。

图3　永磁电机与感应电机负载特性比较

2.3　永磁同步电机与异步电机的比较

永磁同步电机与异步电机的比较见表1。

表1　永磁同步电机与异步电机比较

参数

永磁同步电机异步电机

连续额定功率/kW 80(86A ,630V ,

1480r/min ,74H z )

80(73A ,930V ,

1480r/min ,7615H z ,

s =314%)

定子外径/mm 324275定子铁心长/mm

145250外形/mm <400×485<500×585质量/kg

260395定子温升计算值/K 130130效率(计算值)/%939015功率因数(计算值)

01910176

3　永磁电机在铁路机车领域的应用

3.1　采用永磁同步电机的无齿轮箱直接传动系统

高效稀土永磁电机与直流电机和异步电机相

比,体积和质量都可以大幅度减小,功率密度可大幅度提升,而且更易实现多极低速大扭矩传动,从而能在现有尺寸和质量条件下实现直接传动。无传动齿轮箱的直接传动系统可避免齿轮箱带来的费

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内燃机车

2008年