永磁同步电机在城市轨道交通的应用研究与市场发展

于泳

中车大连机车有限公司 辽宁大连 116000

1 永磁同步电机的技术特点

永磁同步电机的技术特点包括[2]：（1）高效率与高功率因数。永磁同步电机与感应电机不同，无需定子绕组的无功励磁电流，励磁由转子上的永磁体产生。因此获得更高的功率因数。（2）小体积，轻重量，低噪声。随着高性能永磁材料的普及应用，永磁同步电机的功率密度得到很大的提高，其体积和重量都有大幅度的减小。同时采用全封闭水冷结构，可大幅降低其噪声。（3）高可靠性。在结构上与电励磁同步电机相比较为精简，可靠性相对得以提高。

2 国内外永磁同步电机的两种研究与发展方向

对于永磁同步电机的研究与使用，目前业内主要围绕以下两种不同的技术路线进行探索：齿轮传动方式，直接驱动方式。

2.1 永磁同步电机齿轮传动方式的发展与应用

（1）欧美。阿尔斯通公司对永磁同步电机的牵引系统研发起步较早，2004年装有该系统的低地板车辆Citadis已投入商业运营。2011年装配永磁同步电机的AGV高速列车在意大利投入商业运营，在能耗、效率、噪声等方面得到明显提高。

（2）日本。东芝开发的TMT908x型轻量永磁牵引电机的连续功率为305kW，质量为276kg，与同系列感应电机相比，质量/功率降到了0.9kg/kW，实现了牵引电机轻量化。

2.2 永磁同步电机直接驱动方式的发展与应用

（1）欧洲。西门子公司采用水冷方式全封闭结构的永磁电机，搭配最新的永磁直驱转向架Syntegra研发的新一代城轨车辆，其额定功率为150kW，与同功率的感应牵引电机相比噪声可降低15dB，体积减少30%，效率提高3%。

（2）日本。日本对永磁直驱式牵引电机的研究起步于20世纪90年代，至今已完成多次试制。RMT11 永磁直驱结构作为东日本铁路公司下一代通勤电动车组（AC Train）的驱动系统。2002年已完成20km 的运行试验，试验结果显示可以节能10%以上，沿线噪声约可降低5dB。

（3）中国。与欧美、日本等发达国家相比，我国对永磁同步电机技术的相关研究起步略晚，但是发展势头比较迅猛。2013年中车青岛四方车辆研究所与斯柯达公司合作生产的SkodaForcity型轻轨列车，该车首次采用永磁电机直接驱动、铰接转向架，在安全环保，节能低噪以及曲线通过能力方面有显著提高。

中车永济电机公司成功研制出一款功率为1200kW的永磁直驱电机，是迄今世界上最大功率的永磁直驱电机（图1），试验数据与传统齿轮传动相比较，综合效率提高4%，噪声有效降低。2018年研制1200kW大功率直驱永磁系统已应用于中车大同公司生产的六轴电力机车上。

3 市场化面临问题

图1 1200kW直驱永磁电机与轮对

与传统感应电机相比，永磁同步电机在其技术特点上有很多优势，国内外近年来针对永磁同步电机在城市轨道交通领域的研究与市场化推广进程中也发现诸多问题[3]：

（1）永磁体具有失磁风险，在冲击电流、高温、震动、腐蚀、氧化等多方面因素综合影响下，永磁材料会产生失磁现象。永磁体失磁将直接影响电机性能及可靠性。

（2）永磁同步电机的制造工艺复杂，与已形成产业化的异步电机相比，其制造工艺复杂，成本较高，维修及拆卸与传统异步电机方式不同，难度高。需要进一步完善制造与维护工艺。

（3）永磁同步电机只能采用轴控方式，每个电机配有独立的逆变器，系统复杂度增高，产生故障的可能性也随之增高。

（4）稀土材料的成本与储量问题制约永磁同步电机的市场推广，稀土作为我国的战略资源被国家加大管控，稀土的价格波动将极大影响永磁同步电机的制造成本。我国虽然稀土储量丰富，但欧美、日本等国家稀土相对匮乏，制约了国际市场永磁同步电机的发展与市场推广。

4 结语

世界各大轨道交通制造厂商都已投入到永磁同步电机研究与应用的浪潮之中，现已取得了一定的成果，但是永磁同步电机市场化所面临的诸多问题，将是制约其发展速度与规模的重要因素。随着新一代高性价比永磁材料的出现以及制造、维护工艺的不断发展，永磁同步电机的合理使用必将成为未来城市轨道交通行业发展的重要方向。