稀土永磁電機(jī)在輕型軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用
駱光照，竇滿峰，范娟娟，陳哲
(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)
摘要：文章主要介紹了輕軌機(jī)車(chē)牽引用稀土永磁電機(jī)及其控制技術(shù)。根據(jù)輕型軌道交通的特點(diǎn)及應(yīng)用要求，分析了輕軌機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成及凸極式永磁同步電機(jī)作為直驅(qū)牽引電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)從電機(jī)本體設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)兩個(gè)方面對(duì)稀土永磁電機(jī)作為輕軌機(jī)車(chē)牽引電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。最后介紹了在我們?cè)擃I(lǐng)域己開(kāi)展的階段性工作。
關(guān)鍵詞：輕型軌道交通；凸極式永磁同步電機(jī)；弱磁調(diào)速；斷電重投
1輕型軌道交通的特點(diǎn)及應(yīng)用
自從1881年在德國(guó)柏林近郊建成世界上第一條有軌電車(chē)線路以來(lái)，有軌電車(chē)技術(shù)在車(chē)輛及控制系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)等方面已有了質(zhì)的飛躍[1]。20世紀(jì)60年代，在傳統(tǒng)有軌電車(chē)的基礎(chǔ)上誕生并發(fā)展起來(lái)的輕型軌道交通(Light Rail Transit，LRT)是現(xiàn)代交通領(lǐng)域的又一次飛躍。2007年6月13日，國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ/T 114，2007《城市公共交通分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布，使得輕軌的概念更加清晰準(zhǔn)確。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輕軌的定義是：輕軌系統(tǒng)是一種中運(yùn)量的軌道運(yùn)輸系統(tǒng)，采用鋼輪鋼軌體系，標(biāo)準(zhǔn)軌距為1435 mm，主要在城市地面或高架橋上運(yùn)行，線路采用地面專(zhuān)用軌道或高架軌道，遇繁華街區(qū)，也可進(jìn)入地下或與地鐵接軌[3]。從該標(biāo)準(zhǔn)可以看出，輕軌機(jī)車(chē)主要有以下四方面的特點(diǎn)：
1)輕軌是中運(yùn)量的軌道運(yùn)輸系統(tǒng)之一，這有別于地鐵的大運(yùn)量和有軌電車(chē)的低運(yùn)量；2)輕軌是采用鋼輪鋼軌體系；3)輕軌與地鐵一樣，采用地面專(zhuān)用軌道或高架軌道，而不像有軌電車(chē)那樣與其他地面車(chē)輛混行；4)輕軌線路敷設(shè)方式以地面線或高架橋?yàn)橹鳌⒁缘叵戮�為輔。
可以看出，輕軌機(jī)車(chē)主要用于城市交通運(yùn)行，采用架線直流供電或后備電池供電，以大功率直流或交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輕型電機(jī)車(chē)。由于近年稀土永磁材料的開(kāi)發(fā)以及電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，稀土永磁同步電機(jī)已經(jīng)開(kāi)始逐步取代異步電機(jī)而作為輕軌機(jī)車(chē)系統(tǒng)的牽引電機(jī)[4]。另一方面，由于作為牽引電機(jī)用的永磁電機(jī)本體及其控制方式的研究尚處初級(jí)階段，在許多方面還需要加以深入研究及完善。因此，研究牽引用永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)是當(dāng)前的迫切需要。國(guó)外的一些專(zhuān)家學(xué)者對(duì)此已經(jīng)做了一些有益的研究[5-7]，國(guó)內(nèi)目前還處于起步階段。
2輕軌機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)
輕軌機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、驅(qū)動(dòng)變流器與轉(zhuǎn)向架等構(gòu)成。常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有直流電機(jī)、異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)等[8]。
早期的輕軌機(jī)車(chē)采用直流傳動(dòng)，直流電機(jī)技術(shù)成熟，控制性好，但其使用壽命、維護(hù)成本及體積方面的弱勢(shì)使該類(lèi)電機(jī)在輕軌機(jī)車(chē)上的應(yīng)用受到了很大限制。從80年代開(kāi)始，異步電機(jī)設(shè)計(jì)、制造以及控制技術(shù)都相對(duì)成熟，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、成本及維護(hù)費(fèi)用低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，受到大多數(shù)國(guó)家的青睞。早在1986年，加拿大溫哥華市建成了異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輕軌交通系統(tǒng)，并投入了商業(yè)應(yīng)用。德國(guó)西門(mén)子的City Spdnte~高地板輕軌機(jī)車(chē)、日本川崎重工研制的Swimo型低地板輕軌車(chē)輛、ABB公司的Variotram系列輕軌車(chē)采用的都是異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。2000年4月，首批兩臺(tái)國(guó)產(chǎn)城市輕軌車(chē)在湘潭電機(jī)股份有限公司研制成功，采用的就是異步電機(jī)。目前，異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輕軌機(jī)車(chē)發(fā)展成熟，且低地板輕軌車(chē)較受歡迎。
與異步電機(jī)相比，稀土永磁同步電機(jī)具有功率密度高、效率高、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出轉(zhuǎn)矩大、可控性好、可靠性高、噪聲低等一系列優(yōu)點(diǎn)，得到電力牽****域研究人員的重視。目前，國(guó)外部分線路已經(jīng)完成了永磁同步電機(jī)牽引運(yùn)行試驗(yàn)，并取得了良好效果。2007年夏，由德國(guó)西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的采用永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的地鐵車(chē)輛開(kāi)始在慕尼黑地鐵線路上運(yùn)行[9]。2006年，法國(guó)阿爾斯通公司研制的AGV高速列車(chē)正式定型，該列車(chē)使用的就是永磁同步電機(jī)牽引[10]。數(shù)年前東日本旅客鐵道公司E954／E955型高速電動(dòng)車(chē)機(jī)組試驗(yàn)已達(dá)到預(yù)期的基本要求[11]。相比而言，國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究雖起步較晚，但目前也受到了極大重視，部分高校和科研所積極投身其中，取得了一定的成果[12-14]。
3稀土永磁電機(jī)用于輕軌交通的關(guān)鍵技術(shù)
稀土永磁電機(jī)根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝方式分表面式(隱極式)永磁同步電機(jī)(PMSM)
和內(nèi)置式(凸極式)永磁同步電機(jī)(IPMSM)。采用永磁體內(nèi)嵌的IPMSM由于交直軸電感不同
而產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩有利于提高電機(jī)的功率密度、弱磁擴(kuò)速及過(guò)載能力，能夠在逆變器容量不變的情況下提高電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的調(diào)速范圍，滿足輕軌機(jī) |
