城轨车辆用牵引电机分析报告.docx
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城轨车辆用牵引电机分析报告
城轨车辆用牵引电机分析
学院：
电气工程学院
班级：
磁浮01
学号：
20121485
：
孟振强
城轨车辆牵引—永磁同步电机
1．永磁同步电机的原理
在电动机的定子绕组入三相电流，在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等，所以可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。
在异步启动的研究阶段中，电动机的转速是从零开始逐渐增大的，造成上诉的主要原因是其在异步转矩、永磁发电制动转矩起的磁阻转矩和单轴转子磁路不对称,等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在这个过程中转速是振荡着上升的。
在起动过程中，只有异步转矩是驱动性,电动机就是以这个转矩来得以加速的,其他的转矩大部分以制动性质为主。
在电动机的转速由零增加到接近定子的磁场旋转转速时，在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速，进而出现转速的超调现象。
但经过一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩的作用下被牵入同步状态。
二．永磁同步电机的结构
永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。
一般来说，永磁同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常的相似，主要是区别是转子的独特的结构与其它电机形成了差别。
和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的结构，在转子上放有高质量的永磁体磁极。
由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择，所以永磁同步电机通常会被分为三大类：
嵌式、面贴式以及插入式，如图1.1所示。
永磁同步电机的运行性能是最受关注的，影响其性能的因素有很多，但是最主要的则是永磁同步电机的结构。
就面贴式、插入式和嵌入式而言，各种结构都各有其各自的优点。
面贴式的永磁同步电机在工业上是应用最广泛的，其最主要的原因是其拥有很多其他形式电机无法比拟的优点，例如其制造方便，转动惯性比较小以及结构很简单等。
并且这种类型的永磁同步电机更加容易被设计师来进行对其的优化设计，其中最主要的方法是设计成近似正弦的分布把气隙磁链的分布结构，将其分布结构改成正弦分布后能够带来很多的优势，例如它所带来的负面效应，能减小磁场的谐波以及应用以上的方法能够很好的改善电机的运行性能。
插入式结构的电机之所以能够跟面贴式的电机相比较有很大的改善是因为它充分的利用了它设计出的磁链的结构有着不对称性所生成的独特的磁阻转矩能大大的提高了电机的功率密度，并且在也能很方便的制造出来，所以永磁同步电机的这种结构被比较多的应用于在传动系统中，但是其缺点也是很突出的，例如制作成本和漏磁系数与面贴式的相比较都要大的多。
嵌入式的永磁同步电机中的永磁体是被安置在转子的部，相比较而言其结构虽然比较复杂，但却有几个很明显的优点是毋庸置疑的，因为有以高气隙的磁通密度，所很明显的它跟面贴式的电机相比较就会产生很大的转矩；因为在转子永磁体的安装方式是选择嵌入式的，所以永磁体在被去磁后所带来的一系列的危险的可能性就会很小，因此电机能够在更高的旋转速度下运行但是并不需要考虑转子中永磁体是否会因为离心力过大而被破坏。
为了体现永磁同步电机的优越性能，与传统异步电机来进行比较，永磁同步电机特别是最常用的稀土式的永磁同步电机具有结构简单，运行可靠性很高；体积非常的小，质量特别的轻；损耗也相对较少，效率也比较高；电机的形状以及大小可以灵活多样的变化等比较明显的优点。
正是因为其拥有这么多的优势所以其应用围非常的广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业的生产和日常生活等的各个领域。
永磁同步电动机与感应电动机相比，可以考虑不输入无功励磁电流，因此可以非常明显的提高其功率因数，进而减少了定子上的电流以及定子上电阻的损耗，而且在稳定运行的时候没有转子电阻上的损耗，进而可以因总损耗的降低而减小风扇（小容量的电机甚至可以不用风扇）以及相应的风磨损耗，从而与同规格的感应电动机相比较其效率可以提高2-8个百分点。
3．永磁同步电机的数学特性
为了简化和求解数学模型方程，运用坐标变换理论,通过对同步电动机定子三相静止坐标轴系的基本方程进行线性变换，实现电机数学模型的解耦。
：
定子电压：
定子三相静止坐标系
：
定子电流：
定子两相静止坐标系
：
定子磁链矢量：
转子两相坐标系
：
转子磁链矢量
：
转子角位置
：
电机转矩角
假设：
1）忽略电动机铁心的饱和；
2）不计电动机中的涡流和磁滞损耗；
3）转子无阻尼绕组。
永磁同步电动机在三相定子参考坐标系中的数学模型可以表达如
下：
定子电压：
定子磁链：
电磁转矩：
永磁同步电动机在坐标系中的数学模型可
以表达如下：
定子电流：
定子磁链：
电磁转矩：
永磁同步电动机在转子旋转坐标系d-q中的数学模
型可以表达如下：
定子电压：
定子磁链：
电磁转矩：
四．永磁同步电机相比交流异步电机优势
1、效率高、更加省电：
a、由于永磁同步电机的磁场是由永磁体产生的，从而避免通过励磁电流来产生磁场而导致的励磁损耗（铜耗）；
b、永磁同步电机的外特性效率曲线相比异步电机，其在轻载时效率值要高很多，这是永磁同步电机在节能方面，相比异步电机最大的一个优势。
因为通常电机在驱动负载时，很少情况是在满功率运行，这是因为：
一方面用户在电机选型时，一般是依据负载的极限工况来确定电机功率，而极限工况出现的机会是很少的，同时，为防止在异常工况时烧损电机，用户也会进一步给电机的功率留裕量；另一方面，设计者在设计电机时，为保证电机的可靠性，通常会在用户要求的功率基础上，进一步留一定的功率裕量，这样导致在实际运行的电机90%以上是工作在额定功率的70%以下，特别是在驱动风机或泵类负载，这样就导致电机通常工作在轻载区。
对异步电机来讲，其在轻载时效率很低，而永磁同步电机在轻载区，仍能保持较高的效率，其效率要高于异步电机20%以上。
c、由于永磁同步电机功率因数高，这样相比异步电机其电机电流更小，相应地电机的定子铜耗更小，效率也更高。
d、系统效率高：
永磁电机参数，特别是功率因数，不受电机极数的影响，因此便于设计成多极电机（如可以100极以上），这样对于传统需要通过减速箱来驱动负载电机，可以做成直接用永磁同步电机驱动的直驱系统，从而省去了减速箱，提高了传动效率。
2、功率因数高：
由于永磁同步电机在设计时，其功率因数可以调节，甚至可以设计成功率因数等于1，且与电机极数无关。
而异步电机随着极数的增加，由于异步电机本身的励磁特点，必然导致功率因数越来越低，如极数为8极电机，其功率因数通常为0.85左右，极数越多，相应功率因数越低。
即使是功率因数最高的2极电机，其功率因数也难以达到0.95。
电机的功率因数高有以下几个好处：
a、功率因数高，电机电流小，电机定子铜耗降低，更节能；
b、功率因数高，电机配套的电源，如逆变器，变压器等，容量可以更低，同时其他辅助配套设施如开关，电缆等规格可以更小，相应系统成本更低；
c、由于永磁同步电机功率因数高低不受电机极数的限制，在电机配套系统允许的情况下，可以将电机的极数设计的更高，相应电机的体积可以做得更小，电机的直接材料成本更低。
3、电机结构简单灵活：
a、由于异步电机转子上需要安装导条、端环或转子绕组，大大限制了异步电机结构的灵活性，而永磁同步电机转子结构设计更为灵活，如对铁路牵引电机，可以将电机转子的磁钢可直接安装在机车轮对的转轴上，从而省去了减速齿轮箱，结构大为简化；又如永磁风力发电机，电机做成外转子直驱结构，电机的转子与叶轮做成一个整体，随叶轮一起转动，而定子固定在支撑塔上。
b、由于永磁同步变频调速电机参数不受电机极数的限制，便于实现电机直接驱动负载，省去噪音大，故障率高的减速箱，增加了机械传动系统设计的灵活性。
4、可靠性高：
从电机本体来对比，永磁同步变频调速电机与异步电机的可靠性相当，但由于永磁同步电机结构的灵活性，便于实现直接驱动负载，省去可靠性不高的减速箱；在某些负载条件下甚至可以将电机设计在其驱动装置的部，如风力发电直驱装置，石油钻机的绞车驱动装置，从而可以省去传统电机故障率高的轴承：
大大提高了传动系统的可靠性。
5、体积小，功率密度大：
永磁同步变频调速电机体积小，功率密度大的优势，集中体现在驱动低速大扭矩的负载时，一个是电机的极数的增多，电机体积可以缩小。
还有就是：
电机效率的增高，相应地损耗降低，电机温升减小，则在采用相同绝缘等级的情况下，电机的体积可以设计的更小；电机结构的灵活性，可以省去电机许多无效部分，如绕组端部，转子端环等，相应体积可以更小。
6、起动力矩大、噪音小、温升低：
a、永磁同步电机在低频的时候仍能保持良好的工作状态，低频时的输出力矩较异步电机大，运行时的噪音小；
b、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、同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%。
五．永磁同步电机在轨道交通方面的应用及特点
城轨车辆牵引系统直接决定着车辆运行性能,关系到车的安全性、运行质量及对能源的消耗。
与一般交通工具相比,城轨车辆具有客运量大、站间距离短、行车密度大等特点。
早期城轨车辆常采用直流电机来实现牵引系统。
随着电力电子技术的进步,VVVF逆变器控制的异步电机牵引系统得到了广泛应用,替代了直流电机牵引系统。
与直流电机相比,异步电机没有换向器,维修减少,同时可做到小型轻量化。
近年来随着永磁材料成本的降低和性能的提高,永磁同步电机（PMSM）凭借其高效率和高功率密度的特点,引起了轨道车辆牵引系统开发者的密切关注日本已经将PMSM应用于低地板电动车、独立车轮式电动车和可变轨距电动车,德国和法国也在高速动车组和低地板电动车上采用了永磁同步牵引电机。
PMSM在城轨车辆牵引系统的应用主要表现为:
一是取消齿轮箱,实现城轨车辆的直接传动;另一方面实现了将牵引电机做成全封闭电机。
1.PMSM作为直接传动电机
使用齿轮传动装置会带来传递损耗、噪声和维修等问题。
如采用异步电机作为直接传动电机,牵引电机的体积会加大,从而导致簧下重量增加,对轨道冲击加大,对牵引电机的冲击也随之增大。
因此,在重量和尺寸受到严格限制的车体地板下采用异步电机作为直接传动电机很困难。
PMSM与过去的直流电机和异步电机相比,具有极对数多,转矩密度高的特点,因此其体积和重量可大幅减小,而且更易实现多级低速大扭矩运动,从而能在现有尺寸和重量条件下实现直接传动。
各发达国家均在积极开展PMSM的直接传动系统研究。
德国铁路公司对分别采用异步电机和PMSM的ICE3原型车进行了详细的试验对比,结果见表1。
从表1可看出采用PMSM直接驱动不仅减轻了系统重量,而且提高了效率。
表1
ICE3异步电动机与PMSM主要参数对比
主要参数
异步电动机
PMSM
额定功率/kW
500
500
传动比
1:
2.79
起动牵引力/（kN·m）
3.2
9.0
牵引电动机重量/kg
750
400
牵引电动机最大效率/（%）
94.5
96.5
传动齿轮效率/（%）
97
总效率/（%）
91.5
96.5
西门子针对未来城市轨道车辆Syntegra开发了PMSM直接传动系统。
其中噪声可降低15dB,体积减少30%,效率提高3%。
日本铁道综合技术研究所（RTRI）先后开发了RMT9、RMT11和RMT17型直接驱动式PMSM,并在103系通勤车上进行了运行试验,结果表明其效率和功率因数明显提高,噪声水平大幅降低。
东日本铁路公司ACTrain电动车组开发了直接驱动式PMSM,并与异步电机传动系统进行了对比,试验结果显示可节能10%以上,沿线噪声约可降低5dB。
法国阿尔斯通公司也将开用于单层AGV高速列车的永磁同步直接传动电动机作为
未来牵引传动先进技术的一部分。
2. PMSM作为全封闭牵引电机
由于城轨车辆牵引电机要求体积小、输出功率大,所以通常采用强迫冷却方式,而冷却风中含有尘埃,会污染牵引电机部,因此牵引电机需要定期进行解体清扫。
车辆的牵引电机多数是转子与风扇直接相连的自通风结构,高速运转时风扇的噪声很大。
如果电机为全封闭结构,灰尘就不会侵入牵引电机部,也就不需要解体电机进行清扫,同时电机里的噪声被隔离,可实现低噪声牵引电机。
但全封闭电机比通风冷却电机的冷却性能差,因此全封闭电机要做到尺寸和性能与以往电机相同,就必须采用效率高、发热小的PMSM,并研究新的冷却结构,以使各部分的温升控制在规定的限值以。
法国ALSTOM公司分别为Citadis型低地板轻轨车辆（LRV）和改进型AGV高速动车组开发了120kW和720kW全封闭永磁同步牵引电机,其简要参数如表2所示。
其中采用PMSM牵引系统的360km/hAGV高速列车已于2008年2月下线。
表2Citadis和AGV所用PMSM部分参数
主要参数
Citadis型低地板车辆
AGV高速列车
最大转速/（r·min-1）
3600
4500
牵引功率/kW
120
720
制动功率/kW
240
720
极数
8极
12极
外部尺寸
380mm×420mm
直径650mm
长度/mm
525
650
总重/kg
285
730
六．控制技术
1. PMSM矢量控制矢量控制
PMSM矢量控制矢量控制（VC）最早是在1971年由Blash-ke等人针对异步电动机提出的,其基本思想源于对直流电机的严格模拟。
在PMSMVC系统中,转子磁极的位置用来决定逆变器的触发信号,以保证逆变器输出频率始终等于转子角频率。
一般电机控制策略的选取是根据电机转矩和电流之间的线性度、控制过程中电机端电压的允许变化程度、功率因数和调速围等进行综合考虑来确定的。
在PMSMVC中,常用的控制模式有直轴电流id=0模式、功率因数cos=1模式、转矩线性模式和恒磁通模式。
其中id=0模式应用最多,该控制方式突出的优点是没有直轴电枢反应,不会引起永磁体的去磁现象,且可以实现隐极式电机最大转矩电流比控制;不足之处是电机端电压随负载增大而增大,因而要求逆变器具有较高的输出电压和较大的容量。
在PMSM控制系统的设计中,最关键、最困难的问题是如何针对变化复杂及具有不确定性的被控对象和环境作出有效的控制策略。
为提高PMSM调速系统性能,避开负载或参数变化对电机动态性能的影响,自适应控制、滑模变结构控制、神经网络、模糊控制等现代控制方法和智能控制方法也在PMSMVC系统中得到了广泛应用。
2.PMSM弱磁控制发展概况
PMSM的转子磁场由永磁体产生,因此不可能直接被减弱。
其弱磁控制是利用直轴电枢反应使电机气隙磁场减弱,从而达到等效于减弱磁场的效果。
许多学者针对以上基本思想进行了研究并提出了众多方案。
提出了六步电压法,其主要思想是:
当电机弱磁运行时,通过控制电机的功角,调整电机的输出转矩和减弱电机的磁场。
该方法可实现对逆变器直流母线电压的最大利用。
提出了基于虚拟瞬时功率的弱磁控制方法。
定义虚拟瞬时功率s=ud×iq+uq×id,通过寻找s/ωe的最优值实现PMSM的弱磁控制。
采用过调制技术,根据零电压矢量作用时间判断过调制起始点,用查表法确定调制比,提高逆变器直流母线电压利用率,实现对PMSM弱磁运行区域的扩展。
采用电流调节器,实现PMSM的弱磁控制,电流调节器包括前馈解耦环节和电压补偿环节,定子交轴电流由电机角频率给定值与实际值之间的偏差决定,定子直轴电流由每安培最大转矩控制方案决定。
为补偿直流母线电压对弱磁控制的影响,提出了将直流母线电压作为一个反馈量用于电压外环调节的改进方案,从而使系统工作在最大电压利用状态。
控制外环的电压可以确保电流调节器在任何工况下不至于饱和,从而取得较满意的控制效果。
提出了自适应弱磁控制法以克服电流调节器饱和的问题。
设计了复合转子结构的PMSM,用于提高弱磁能力。
弱磁控制可使PMSM在低速时输出恒定转矩,高速时输出恒定功率,有较宽的调速围。
较强的弱磁性能可在逆变器容量不变的情况下提高系统性能。
因此,对PMSM进行弱磁控制并拓宽弱磁围有着重要意义。
3.PMSM牵引系统效率优化方法发展概况
近年来,随着建设节约型社会的要求和对节能减排要求的日益提高,人们对能耗问题给予了充分关注。
城轨车辆牵引系统是能耗大户,因此电机牵引系统的效率优化控制技术的研究也引起了广泛关注,尤其是对异步电机牵引系统。
由于PMSM牵引系统的效率相对更高,并且PMSM牵引系统尚是一个全新的系统,使得对其效率的进一步挖掘并不迫切,因而未受到充分重视,对该问题的研究进行的也相对较少。
从目前的研究情况来看,PMSM牵引系统的效率优化可分为三种类型:
（1）定子电流最小控制策略;
（2）基于损耗模型的永磁电机最小损耗控制;（3）检测逆变器直流输入功率的变化,动态调节控制量达到降低系统损耗的目的。
最大转矩电流比可认为是PMSM牵引系统最简单的一种效率优化方式,该方法实现相对简单,但其只能保证系统的铜耗最小,而不能保证铁耗的降低,因此系统的总损耗并不一定最小。
在建立表面式PMSM损耗模型的基础上,获得了表面式PMSM电气损耗与直轴电流之间的关系,用数值计算的方法求得优化的直轴电流。
在对PMSM能量分流分析的基础上,建立了考虑铜耗、铁耗、机械损耗和杂散损耗模型,获得了去除铜耗、铁耗、机械损耗和杂散损耗的机械输出转矩,对机械输出转矩进行最大转矩电流比控制,使定子电流最小,从而使铜耗、铁耗和杂散损耗最小,保证PMSM最大效率运行。
针对输入功率最小的效率优化方法,提出了采用模糊逻辑的方法来加速系统控制变量寻优过程的收敛速度。
针对PMSM提出了自适应的最小输入功率搜索方法。
七．研究趋势
目前,国外对城轨车辆PMSM牵引系统的研究具有以下趋势:
（1）研究永磁材料的热稳定性,详尽分析各种不同磁路结构形式的抗去磁能力,为设计制造提供理论依据;
（2）改进制造装配工艺,设计专用工装与设备,保证PMSM工业化大批量生产;（3）进一步提高PMSM的弱磁控制性能,不仅从控制方法上进一步完善,更需要从电机设计上提高PMSM的弱磁性能,尤其需要提高PMSM弱磁的系统效率;（4）研究PMSM无速度和无位置传感器技术,进一步降低系统成本、提高系统可靠性;（5）分析PMSM牵引系统对电网暂态稳定性的影响,并提出相应的评价标准及控制策略;（6）研究PMSM牵引系统的参数匹配和系统优化,加快牵引系统工程化进度,提高城轨车辆PMSM牵引系统的整体性能。
八．对永磁同步电动机在城轨交通方面的发展感想
高速铁路的发展需要机车牵引电机的体积、质量进一步减小。
PMSM相对异步电机而言具有效率高、体积小的优点,将成为机车牵引电机的又一个发展方向,并且其固有的特点可满足现在能源和环保的要求。
永磁同步电机是众多高新技术和高新技术产业的基础，它与电力电子技术和微电子控制技术相结合，可以制造出许多新型的、性能优异的机电一体化产品和装备，代表了21世纪电机发展的方向。
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