. . . .城軌車輛用牽引電機分析 學院：電氣工程學院 班級：磁浮01 學號：20121485 姓名：孟振強城軌車輛牽引永磁同步電機1 永磁同步電機的原理 在電動機的定子繞組中通入三相電流，在通入電流后就會在電動機的定子繞組中形成旋轉磁場，由于在轉子上安裝了永磁體，永磁體的磁極是固定的，根據磁極的同性相吸異性相斥的原理，在定子中產生的旋轉磁場會帶動轉子進行旋轉，最終達到轉子的旋轉速度與定子中產生的旋轉磁極的轉速相等，所以可以把永磁同步電機的起動過程看成是由異步啟動階段和牽入同步階段組成的。在異步啟動的研究階段中，電動機的轉速是從零開始逐漸增大的，造成上訴的主要原因是其在異步轉矩、永磁發電制動轉矩起的磁阻轉矩和單軸轉子磁路不對稱,等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在這個過程中轉速是振蕩著上升的。在起動過程中，只有異步轉矩是驅動性,電動機就是以這個轉矩來得以加速的 , 其他的轉矩大部分以制動性質為主。在電動機的轉速由零增加到接近定子的磁場旋轉轉速時，在永磁體脈振轉矩的影響下永磁同步電機的轉速有可能會超過同步轉速，進而出現轉速的超調現象。但經過一段時間的轉速振蕩后，最終在同步轉矩的作用下被牽入同步狀態。二永磁同步電機的結構 永磁同步電機主要是由轉子、端蓋、及定子等各部件組成的。一般來說，永磁同步電機的最大的特點是它的定子結構與普通的感應電機的結構非常的相似，主要是區別是轉子的獨特的結構與其它電機形成了差別。和常用的異步電機的最大不同則是轉子的獨特的結構，在轉子上放有高質量的永磁體磁極。由于在轉子上安放永磁體的位置有很多選擇，所以永磁同步電機通常會被分為三大類：內嵌式、面貼式以及插入式，如圖1.1所示。永磁同步電機的運行性能是最受關注的，影響其性能的因素有很多，但是最主要的則是永磁同步電機的結構。就面貼式、插入式和嵌入式而言，各種結構都各有其各自的優點。面貼式的永磁同步電機在工業上是應用最廣泛的，其最主要的原因是其擁有很多其他形式電機無法比擬的優點，例如其制造方便，轉動慣性比較小以及結構很簡單等。并且這種類型的永磁同步電機更加容易被設計師來進行對其的優化設計，其中最主要的方法是設計成近似正弦的分布把氣隙磁鏈的分布結構，將其分布結構改成正弦分布后能夠帶來很多的優勢，例如它所帶來的負面效應，能減小磁場的諧波以及應用以上的方法能夠很好的改善電機的運行性能。插入式結構的電機之所以能夠跟面貼式的電機相比較有很大的改善是因為它充分的利用了它設計出的磁鏈的結構有著不對稱性所生成的獨特的磁阻轉矩能大大的提高了電機的功率密度，并且在也能很方便的制造出來，所以永磁同步電機的這種結構被比較多的應用于在傳動系統中，但是其缺點也是很突出的，例如制作成本和漏磁系數與面貼式的相比較都要大的多。嵌入式的永磁同步電機中的永磁體是被安置在轉子的內部，相比較而言其結構雖然比較復雜，但卻有幾個很明顯的優點是毋庸置疑的，因為有以高氣隙的磁通密度，所很明顯的它跟面貼式的電機相比較就會產生很大的轉矩；因為在轉子永磁體的安裝方式是選擇嵌入式的，所以永磁體在被去磁后所帶來的一系列的危險的可能性就會很小，因此電機能夠在更高的旋轉速度下運行但是并不需要考慮轉子中永磁體是否會因為離心力過大而被破壞。為了體現永磁同步電機的優越性能，與傳統異步電機來進行比較，永磁同步電機特別是最常用的稀土式的永磁同步電機具有結構簡單，運行可靠性很高；體積非常的小，質量特別的輕；損耗也相對較少，效率也比較高；電機的形狀以及大小可以靈活多樣的變化等比較明顯的優點。正是因為其擁有這么多的優勢所以其應用范圍非常的廣泛，幾乎遍及航空航天、國防、工農業的生產和日常生活等的各個領域。永磁同步電動機與感應電動機相比，可以考慮不輸入無功勵磁電流，因此可以非常明顯的提高其功率因數，進而減少了定子上的電流以及定子上電阻的損耗，而且在穩定運行的時候沒有轉子電阻上的損耗，進而可以因總損耗的降低而減小風扇（小容量的電機甚至可以不用風扇）以及相應的風磨損耗，從而與同規格的感應電動機相比較其效率可以提高2-8個百分點。3 永磁同步電機的數學特性 為了簡化和求解數學模型方程，運用坐標變換理論,通過對同步電動機定子三相靜止坐標軸系的基本方程進行線性變換，實現電機數學模型的解耦 。 ：定子電壓 ：定子三相靜止坐標系 ：定子電流 ：定子兩相靜止坐標系 ：定子磁鏈矢量 ：轉子兩相坐標系 ：轉子磁鏈矢量 ：轉子角位置 ：電機轉矩角假設： 1)忽略電動機鐵心的飽和； 2)不計電動機中的渦流和磁滯損耗； 3)轉子無阻尼繞組。 永磁同步電動機在三相定子參考坐標系中的數學模型可以表達如下：定子電壓：定子磁鏈：電磁轉矩： 永磁同步電動機在 坐標系中的數學模型可以表達如下：定子電流：定子磁鏈：電磁轉矩：永磁同步電動機在轉子旋轉坐標系d-q中的數學模型可以表達如下：定子電壓：定子磁鏈：電磁轉矩：四永磁同步電機相比交流異步電機優勢1、效率高、更加省電：a、由于永磁同步電機的磁場是由永磁體產生的，從而避免通過勵磁電流來產生磁場而導致的勵磁損耗（銅耗）；b、永磁同步電機的外特性效率曲線相比異步電機，其在輕載時效率值要高很多，這是永磁同步電機在節能方面，相比異步電機最大的一個優勢。因為通常電機在驅動負載時，很少情況是在滿功率運行，這是因為：一方面用戶在電機選型時，一般是依據負載的極限工況來確定電機功率，而極限工況出現的機會是很少的，同時，為防止在異常工況時燒損電機，用戶也會進一步給電機的功率留裕量；另一方面，設計者在設計電機時，為保證電機的可靠性，通常會在用戶要求的功率基礎上，進一步留一定的功率裕量，這樣導致在實際運行的電機90%以上是工作在額定功率的70%以下，特別是在驅動風機或泵類負載，這樣就導致電機通常工作在輕載區。對異步電機來講，其在輕載時效率很低，而永磁同步電機在輕載區，仍能保持較高的效率，其效率要高于異步電機20%以上。c、由于永磁同步電機功率因數高，這樣相比異步電機其電機電流更小，相應地電機的定子銅耗更小，效率也更高。d、系統效率高：永磁電機參數，特別是功率因數，不受電機極數的影響，因此便于設計成多極電機（如可以100極以上），這樣對于傳統需要通過減速箱來驅動負載電機，可以做成直接用永磁同步電機驅動的直驅系統，從而省去了減速箱，提高了傳動效率。2、功率因數高： 由于永磁同步電機在設計時，其功率因數可以調節，甚至可以設計成功率因數等于1，且與電機極數無關。而異步電機隨著極數的增加，由于異步電機本身的勵磁特點，必然導致功率因數越來越低，如極數為8極電機，其功率因數通常為0.85左右，極數越多，相應功率因數越低。即使是功率因數最高的2極電機，其功率因數也難以達到0.95。電機的功率因數高有以下幾個好處：a、功率因數高，電機電流小，電機定子銅耗降低，更節能；b、功率因數高，電機配套的電源，如逆變器，變壓器等，容量可以更低，同時其他輔助配套設施如開關，電纜等規格可以更小，相應系統成本更低；c、由于永磁同步電機功率因數高低不受電機極數的限制，在電機配套系統允許的情況下，可以將電機的極數設計的更高，相應電機的體積可以做得更小，電機的直接材料成本更低。3、電機結構簡單靈活：a、由于異步電機轉子上需要安裝導條、端環或轉子繞組，大大限制了異步電機結構的靈活性，而永磁同步電機轉子結構設計更為靈活，如對鐵路牽引電機，可以將電機轉子的磁鋼可直接安裝在機車輪對的轉軸上，從而省去了減速齒輪箱，結構大為簡化；又如永磁風力發電機，電機做成外轉子直驅結構，電機的轉子與葉輪做成一個整體，隨葉輪一起轉動，而定子固定在支撐塔上。b、由于永磁同步變頻調速電機參數不受電機極數的限制，便于實現電機直接驅動負載，省去噪音大，故障率高的減速箱，增加了機械傳動系統設計的靈活性。4、可靠性高： 從電機本體來對比，永磁同步變頻調速電機與異步電機的可靠性相當，但由于永磁同步電機結構的靈活性，便于實現直接驅動負載，省去可靠性不高的減速箱；在某些負載條件下甚至可以將電機設計在其驅動裝置的內部，如風力發電直驅裝置，石油鉆機的絞車驅動裝置，從而可以省去傳統電機故障率高的軸承：大大提高了傳動系統的可靠性。5、體積小，功率密度大： 永磁同步變頻調速電機體積小，功率密度大的優勢，集中體現在驅動低速大扭矩的負載時，一個是電機的極數的增多，電機體積可以縮小。還有就是：電機效率的增高，相應地損耗降低，電機溫升減小，則在采用相同絕緣等級的情況下，電機的體積可以設計的更小；電機結構的靈活性，可以省去電機內許多無效部分，如繞組端部，轉子端環等，相應體積可以更小。6、起動力矩大、噪音小、溫升低 ：a、永磁同步電機在低頻的時候仍能保持良好的工作狀態，低頻時的輸出力矩較異步電機大，運行時的噪音小；b、轉子無電阻損耗，定子繞組幾乎不存在無功電流，因而電機溫升低，同體積、同重量的永磁電機功率可提高30%左右；同功率容量的永磁電機體積、重量、所用材料可減少30%。五永磁同步電機在軌道交通方面的應用及特點城軌車輛牽引系統直接決定著車輛運行性能,關系到車的安全性、運行質量及對能源的消耗。與一般交通工具相比, 城軌車輛具有客運量大 、 站間距離短、行車密度大等特點。早期城軌車輛常采用直流電機來實現牽引系統。隨著電力電子技術的進步 , V V V F 逆變器控制的異步電機牽引系統得到了廣泛應用, 替代了直流電機牽引系統 。 與直流電機相比,異步電機沒有換向器,維修減少,同時可做到小型輕量化。近年來隨著永磁材料成本的降低和性能的提高 , 永磁同步電機( P M S M ) 憑借其高效率和高功率密度的特點 , 引起了軌道車輛牽引系統開發者的密切關注日本已經將P M S M應用于低地板電動車、獨立車輪式電動車和可變軌距電動車,德國和法國也在高速動車組和低地板電動車上采用了永磁同步牽引電機。 PM S M在城軌車輛牽引系統的應用主要表現為 : 一是取消齒輪箱, 實現城軌車輛的直接傳動;另一方面實現了將牽引電機做成全封閉電機。1.P MS M作為直接傳動電機 使用齒輪傳動裝置會帶來傳遞損耗、噪聲和維修等問題 。如采用異步電機作為直接傳動電機 ,牽引電機的體積會加大 ,從而導致簧下重量增加 ,對軌道沖擊加大, 對牽引電機的沖擊也隨之增大 。因此,在重量和尺寸受到嚴格限制的車體地板下采用異步電機作為直接傳動電機很困難。P M S M與過去的直流電機和異步電機相比,具有極對數多,轉矩密度高的特點,因此其體積和重量可大幅減小 ,而且更易實現多級低速大扭矩運動, 從而能在現有尺寸和重量條件下實現直接傳動。各發達國家均在積極開展 P M S M的直接傳動系統研究。德國鐵路公司對分別采用異步電機和 P M S M 的 I C E 3原型車進行了詳細的試驗對比 ,結果見表 1。從表 1可看出采用 P M S M直接驅動不僅減輕了系統重量,而且提高了效率 。表 1I C E3異步電動機與 P MS M主要參數對比主要參數異步電動機PMSM額定功率/kW500500傳動比1:2.79起動牽引力 /(kN m)3.29.0牽引電動機重量 /kg750400牽引電動機最大效率 /(%)94.596.5傳動齒輪效率 /(%)97總效率 /(%)91.596.5 西門子針對未來城市軌道車輛 S y n t e g r a 開發了 P M S M直接傳動系統。其中噪聲可降低 15d B ,體積減少 30%, 效率提高 3%。日本鐵道綜合技術 研究所 ( R T R I ) 先后開 發了 R M T 9、R M T 11和 R M T 17型直接驅動式 P M S M ,并在 103系通勤車上進行了運行試驗, 結果表明其效率和功率因數明顯提高, 噪聲水平大幅降低。東日本鐵路公司 A CT r a i n 電動車組開發了直接驅動式P M S M , 并與異步電機傳動系統進行了對比, 試驗結果顯示可節能 10%以上, 沿線噪聲約可降低 5d B。法國阿爾斯通公司也將開用于單層A G V 高速列車的永磁同步直接傳動電動機作為未來牽引傳動先進技術的一部分。 2.P MS M作為全封閉牽引電機 由于城軌車輛牽引電機要求體積小、輸出功率大, 所以通常采用強迫冷卻方式,而冷卻風中含有塵埃 ,會污染牽引電機內部, 因此牽引電機需要定期進行解體清掃。車輛的牽引電機多數是轉子與風扇直接相連的自通風結構, 高速運轉時風扇的噪聲很大 。如果電機為全封閉結構 ,灰塵就不會侵入牽引電機內部 ,也就不需要解體電機進行清掃, 同時電機里的噪聲被隔離 ,可實現低噪聲牽引電機 。但全封閉電機比通風冷卻電機的冷卻性能差, 因此全封閉電機要做到尺寸和性能與以往電機相同, 就必須采用效率高、發熱小的 P M S M ,并研究新的冷卻結構 ,以使各部分的溫升控制在規定的限值以內 。法國 A L S T O M公司分別為 C i t a d i s 型低地板輕軌車輛( L R V ) 和改進型 A G V 高速動車組開發了 120 k W和 720 k W全封閉永磁同步牽引電機,其簡要參數如表 2所示 。其中采用 P M S M牽引系統的 360 k m/hA G V 高速列車已于 2008年 2月下線。表 2 Citadis和 AGV所用 PMSM部分參數主要參數Citadis型低地板車輛AGV高速列車最大轉速 /(r min-1 )3 6004 500牽引功率 /kW120720制動功率 /kW240720極數8 極12 極外部尺寸380 mm420 mm直徑 650 mm長度 /mm525650總重/kg285730六控制技術1.P MS M矢量控制矢量控制 P MS M矢量控制矢量控制 ( V C ) 最早是在 1971年由 B l a s h -k e等人針對異步電動機提出的 ,其基本思想源于對直流電機的嚴格模擬 。在 P M S M V C 系統中 ,轉子磁極的位置用來決定逆變器的觸發信號,以保證逆變器輸出頻率始終等于轉子角頻率。一般電機控制策略的選取是根據電機轉矩和電流之間的線性度 、 控制過程中電機端電壓的允許變化程度、功率因數和調速范圍等進行綜合考慮來確定的。在 P M S MV C 中, 常用的控制模式有直軸電流 id= 0模式、功率因數 c o s = 1模式 、 轉矩線性模式和恒磁通模式。其中 id= 0模式應用最多 ,該控制方式突出的優點是沒有直軸電樞反應,不會引起永磁體的去磁現象, 且可以實現隱極式電機最大轉矩電流比控制; 不足之處是電機端電壓隨負載增大而增大, 因而要求逆變器具有較高的輸出電壓和較大的容量 。在 P M S M控制系統的設計中 , 最關鍵、最困難的問題是如何針對變化復雜及具有不確定性的被控對象和環境作出有效的控制策略 。為提高P M S M調速系統性能 , 避開負載或參數變化對電機動態性能的影響 , 自適應控制 、滑模變結構控制 、 神經網絡 、 模糊控制等現代控制方法和智能控制方法也在 P M S M V C系統中得到 了廣泛應用。2. P MS M弱磁控制發展概況 P M S M的轉子磁場由永磁體產生 , 因此不可能直接被減弱。其弱磁控制是利用直軸電樞反應使電機氣隙磁場減弱, 從而達到等效于減弱磁場的效果 。許多學者針對以上基本思想進行了研究并提出了眾多方案。提出了六步電壓法 ,其主要思想是: 當電機弱磁運行時 , 通過控制電機的功角 ,調整電機的輸出轉矩和減弱電機的磁場。該方法可實現對逆變器直流母線電壓的最大利用 。提出了基于虛擬瞬時功率的弱磁控制方法。定義虛擬瞬時功率 s = udiq+uq id , 通過尋找 s / e的最優值實現 P M S M的弱磁控制 。采用過調制技術, 根據零電壓矢量作用時間判斷過調制起始點 , 用查表法確定調制比 ,提高逆變器直流母線電壓利用率 ,實現對P M S M弱磁運行區域的擴展。采用電流調節器, 實現 P M S M的弱磁控制, 電流調節器包括前饋解耦環節和電壓補償環節 , 定子交軸電流由電機角頻率給定值與實際值之間的偏差決定,定子直軸電流由每安培最大轉矩控制方案決定。為補償直流母線電壓對弱磁控制的影響,提出了將直流母線電壓作為一個反饋量用于電壓外環調節的改進方案, 從而使系統工作在最大電壓利用狀態。控制外環的電壓可以確保電流調節器在任何工況下不至于飽和 ,從而取得較滿意的控制效果。提出了自適應弱磁控制法以克服電流調節器飽和的問題 。設計了復合轉子結構的 P M S M,用于提高弱磁能力 。弱磁控制可使 P M S M在低速時輸出恒定轉矩 ,高速時輸出恒定功率, 有較寬的調速范圍。較強的弱磁性能可在逆變器容量不變的情況下提高系統性能。因此 ,對 P M S M進行弱磁控制并拓寬弱磁范圍有著重要意義。3. P MS M牽引系統效率優化方法發展概況 近年來 ,隨著建設節約型社會的要求和對節能減排要求的日益提高, 人們對能耗問題給予了充分關注。城軌車輛牽引系統是能耗大戶, 因此電機牽引系統的效率優化控制技術的研究也引起了廣泛關注 ,尤其是對異步電機牽引系統。由于P M S M牽引系統的效率相對更高 , 并且 P M S M牽引系統尚是一個全新的系統, 使得對其效率的進一步挖掘并不迫切,因而未受到充分重視 ,對該問題的研究進行的也相對較少。 從目前的研究情況來看, P M S M牽引系統的效率優化可分為三種類型 : ( 1) 定子電流最小控制策略 ; ( 2) 基于損耗模型的永磁電機最小損耗控制; ( 3) 檢測逆變器直流輸入功率的變化 ,動態調節控制量達到降低系統損耗的目的。最大轉矩電流比可認為是 P M S M牽引系統最簡單的一種效率優化方式,該方法實現相對簡單 ,但其只能保證系統的銅耗最小,而不能保證鐵耗的降低,因此系統的總損耗并不一定最小。在建立表面式 P M S M損耗模型的基礎上 , 獲得了表面式P M S M電氣損耗與直軸電流之間的關系 , 用數值計算的方法求得優化的直軸電流。在對 P M S M能量分流分析的基礎上 , 建立了考慮銅耗 、 鐵耗、機械損耗和雜散損耗模型, 獲得了去除銅耗、鐵耗、機械損耗和雜散損耗的機械輸出轉矩 ,對機械輸出轉矩進行最大轉矩電流比控制 ,使定子電流最小 , 從而使銅耗、鐵耗和雜散損耗最小 ,保證 P M S M最大效率運行 。針對輸入功率最小的效率優化方法,提出了采用模糊邏輯的方法來加速系統控制變量尋優過程的收斂速度 。針對 P M S M提出了自適應的最小輸入功率搜索方法。七研究趨勢 目前, 國內外對城軌