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              永磁同步電動機在鐵道機車動車上的應用

              時間:2021-01-06 07:01 點擊次數:
                 

              1前言鐵道機車車輛的牽引電念頭裝在轉向架上的空間受到限度,因此體積要??;列車的高速化又請求它分量輕、輸出功率大。而且,電念頭的轉矩特點請求在啟動時輸出很大的轉矩,并能在很寬的速度范疇內運行,以及便于轉矩把持。
                直流電念頭能滿意這些請求,故多年來牽引電念頭始終利用直流電念頭。然而,隨著電力電子技巧的進步,VVVF逆變器把持的異步電念頭也能滿意這些請求。與直流電念頭比較,異步電念頭不換向器,維修減少,同時可能做到小型輕量,因此新型電傳念頭車動車的牽引電念頭基本上全部采取異步電念頭。
                當初,永磁同步電念頭又引起了人們留神。它不僅與異步電念頭同樣存在的牽引電念頭所需的特點,而且還可能比異步電念頭的效力更高,體積跟分量更小。本文首先介紹了永磁同步電念頭的結構跟特點,而后按永磁同步電念頭實用于鐵道機車動車的觀點,從新剖析用永磁同步電念頭作為直接驅動式牽引電念頭跟全封閉牽引電念頭中獲得的結果,說明了永磁同步牽引電念頭利用的可能性。
                2永磁同步電念頭的結構跟特點2.1永磁同步電念頭的結構生磁場的同步電念頭。按磁鐵裝在轉子的方法可分為名義磁鐵型跟內埋磁鐵型兩種。永磁同步電念頭的定子與異步電念頭基本上雷同,由疊壓桂鋼片形成的定子鐵心跟嵌在定子鐵心槽內的定子線圈組成,線圈的連接是使通常的三相交換電源產生旋轉磁場。
                永磁同步電念頭的轉矩是由永恒磁鐵的磁場跟定子線圈電流樹破的磁場彼此作用產生的,轉子與采取三相交換電源供電的定子旋轉磁場同步運行并產生轉矩,這種轉矩被稱為磁鐵轉矩。此外,轉變轉子鐵心的外形,還可望得到磁阻轉矩。磁阻轉矩是由轉子磁性的凸極結構產生的,是因為在磁鐵的磁極方向(該方向的坐標軸為d軸)跟與該方向相移90.(電角度)的方向(在坐標中為q軸)上磁力線通過的難易水平不一樣而產生的轉矩。
                簡單來說,在定子線圈產生的旋轉磁場中,轉子的永恒磁鐵因為吸引跟排斥而產生的力就是磁鐵轉矩;旋轉磁場中轉子上的磁鐵被吸引而產生的轉矩就是磁阻轉矩。
                是各種典范永磁同步電念頭轉子的垂直于轉軸的剖面。(a)跟(b)稱為名義磁鐵型,顧名思義,其轉子名義固定有永恒磁鐵。通常情況下,名義磁鐵型永磁同步電念頭在轉子的外側籠罩一層非磁性的結構資料,壓住永恒磁鐵,以避免電機高速運行時名義磁鐵飛出來。(a)結構的鐵心外形不凸極性,基本上不會產生磁阻轉矩,只能產生磁鐵轉矩。(b)結構的鐵心有凸極結構,因此還可能產生磁阻轉矩。
               ?。╟)的結構是內埋磁鐵型結構。三相異步電動機轉子的轉速低于旋轉磁場的轉速,轉子繞組因與磁場間存在著相對運動而產生電動勢和電流,并與磁場相互作用產生電磁轉矩,實現能量變換。其擁有結構簡單、運行可靠、價格便宜等優點。顧名思義,其磁鐵埋在鐵心旁邊。
                內埋磁鐵型結構的鐵心通常有磁性凸極性的外形,可能產生磁阻轉矩。而且,內埋磁鐵型結構簡單,制角頻率(rad/s)永磁同步電念頭的電機常數與轉矩特點下3種情況,/m為最大電流有效值x萬。
                這種情況象征著永恒磁鐵產生的磁通比定子產生的磁通要大。因此,在高速區磁鐵產生的磁通較強,因磁通不能充分減弱,電壓會過大,故存在輸出限界速度。為此,高速區的輸出功率會呈現急劇降落。在這種電機常數關聯時,必須使輸出限界速度弘遠于最高速度。但另一方面,因電樞反應磁通小,功率因數較高,在逆變器容量雷同的情況下,可能采取較大的最大輸出功率。這是優點。
                這種情況下輸出限界速度實際上為無窮大。因此,高速區輸出功率不會降落,恒功特點可能堅持到最高速度。
                這種情況象征著磁鐵產生的磁通比定子產生的磁通小。磁鐵的磁通可能用電樞磁通來對消,因此,不存在輸出限界速度,高速區的功率降落很小。但另一方面,功率因數比較低,在逆變器容量雷同的情況下可輸出的最大功率較小。
                牽引電念頭的調速范疇請求很寬,高速時輸出功率的降落宜小。而且,因逆變器的價格跟分量是隨逆變器容量的進步而提加。所以請求同一輸出功率所需的逆變器容量要小。如后所述,在設計用作牽引電念頭的永磁同步電念頭時,因的值限度在一定的值以下,電機常數為(c)的情況較多。但在高速區,為了使一定的逆變器容量下輸出功率最大,電機常數的設計宜盡可能瀕臨(b)的特點。
                -L,的值堅持不變以使起動轉矩的值堅持一定,轉變1跟~值時,上述(a)~(c)3種情況下的轉速轉矩特點。牽引電念頭按(b)的特點設計則會有以下優點。首先,因高速時的加速力進步,可望縮短運行時光。此外,還能進步高速時利用再生制動的比率,再生制動率進步象征著可能更加節能,而且,高速時再生制動率高可能減少機械制動的累贅,從而減少維修。
                因此,永磁同步牽引電機與異步牽引電念頭比較,可永磁同步電念頭轉子剖面外形造也很輕易。脆性的磁鐵不在名義,結構很堅固。
                鐵道機車動車的牽引電念頭盼望有堅固的結構,而且盼望有效利用磁阻轉矩,這樣就可能使永恒磁鐵產生的交鏈磁通足夠?。ㄒ?.1所述)。因此,可能說內埋磁鐵型轉子結構的永磁同步電念頭是合實用作鐵道機車動車牽引電念頭的。
                2.2永磁同步電念頭的特點2.2.1效力高、體積小永磁同步電念頭最大的特點就是效力高。效力可能用(輸人功率)-(損耗)/(輸人功率)來表示。永磁同步電念頭的磁場不須要電流,從原理上講轉子不產生損耗。因此,電念頭最大損耗即銅耗(電流產生的焦耳熱)約只有異步電念頭的一半,效力比異步電念頭大大進步。效力高,電能消耗少,使鐵路比以往更加節能,同時還可望降落電費。
                此外,如后面所述,損耗越小,電念頭的體積越小。這樣,利用永磁同步電念頭可能做到體積小、功率大。因此,體積雷同時,永磁同步電念頭可能比異步電念頭的功率大;功率雷同時,永磁同步電念頭可能比異步電念頭的體積小。
                2.2.2速度牽引力特點電傳念頭車動車的速度牽弓丨力特點受牽引電念頭轉速轉矩特點的制約。異步電念頭跟直流串勵電念頭的轉矩在高速區與速度的平;5成反比減小,因此,電動車輛的速度牽引力特點通常在低速區是恒轉矩,中速區的轉矩與速度成反比減小,高速區的轉矩與速度的平方成反比減小。
                另一方面,永磁同步電念頭的基本特點可能用下面的式子來表示。
               ??;永恒磁鐵產生的交鏈磁通的最大值;Ld d軸電感;Lq q軸電感;r――轉矩;匕――端電壓;w―角頻率;――軸電流;――q軸電流。另外,不考慮定子線圈的電阻跟鐵耗。
                如所示,因永磁同步電念頭為同步機,必須由與電念頭旋轉同步的交換電源供電,因此采取1臺逆變器向1臺牽引電念頭供電的獨破把持方法。
                此外,永磁同步電念頭即便不過部供電也會產生磁通,所以惰行時牽引電念頭端子上也會產生電壓。
                故而當逆變器呈現相間短路等故障需把機車送回時,必須把逆變器與牽引電念頭斷開為此在逆變器與牽引電念頭之間設有接觸器(稱之為負載接觸器),可能斷開牽引電念頭。
                在實際利用永磁同步電念頭時‘成天職析也很重要。
                首先來考慮初始本錢。永磁同步電念頭的轉子比異步電念頭的轉子結構簡單,批量生產時價格要低。但另一方面,永磁同步電念頭必須采取獨破把持,與異步電念頭采取集中把持時比較,逆變器價格較高。而且,采取永磁同步電念頭時,逆變器與電念頭之間必須有負荷接觸器,這一局部價格也高。
                其次是運行本錢。永磁同步電念頭效力高,而且可能進步再生制動率,因此電能消耗比較少,電力本錢可能減少。在現有的尺寸跟分量前提下,全封閉式牽引電念頭或直接傳動式牽引電念頭都可能實現,這樣就可能減少各種維修,節儉人力。
                演繹起來,與集中把持的異步電念頭比較,永磁同步電念頭的初始本錢較高,但從運行成原來看,利用永磁同步電念頭可望減少各種各樣的本錢。因此,就本錢而言,異步電念頭跟永磁同步電念頭哪個較好尚不能一律而論。
                3永磁同步電念頭在鐵道機車動車上的利用3.1牽引電念頭的小型輕量化牽引電念頭在分量跟尺寸方面限度比較嚴,與個別電念頭比較小型輕量化的請求相稱高。三相異步電動機轉子的轉速低于旋轉磁場的轉速,轉子繞組因與磁場間存在著相對運動而產生電動勢和電流,并與磁場相互作用產生電磁轉矩,實現能量變換。其擁有結構簡單、運行可靠、價格便宜等優點。通常情況下,電念頭輸出功率與尺寸存在下式的關聯。
                氣隙直徑(m);―鐵心長度(m);n―轉速(r/min)。;)進步磁性資料的機能;)進步轉速;)增加極數。
                永磁同步電念頭轉子不流過電流,故轉子基本上不產生熱量,而且勵磁電流很小,銅耗也小,效力高。因此,滿意上述第(3)條,可能做到小型輕量化。
                例如,在開發與車輪一體化的牽引電念頭時,對異步電念頭跟永磁電念頭在雷同的設計前提下進行了設計剖析,結果表明永磁同步電念頭的分量約為異步電念頭的2/3,可能大幅度減重。
                3.2直接驅動式永磁同步牽引電念頭如上節所述,通過齒輪傳動裝置使牽引電念頭高速運行,可能使牽引電念頭小型輕量化。因此,通常的牽引電念頭是通過齒輪傳動裝置將能源傳遞給輪軸來驅動車輛的。然而,利用齒輪傳動裝置時,也會帶來傳遞損耗、噪聲跟維修等問題。
                采取直接驅動方法,不須要齒輪傳動裝置,這些問題就可能解決,但這時牽引電念頭的體積會加大,導致簧下分量增加,對軌道的沖擊加大,給牽引電念頭的沖擊會增大。因此,在分量跟尺寸受到嚴格。限度的車體地板下要采取直接驅動方法是很艱苦的。
                然而,永磁同步電念頭與從前的直流電念頭跟異步電念頭比較,其體積跟分量可能大幅度減小,從而可能在現有尺寸跟分量前提下實現直接驅動。
                因此,咱們始終在開發直接驅動式永磁同步牽引電念頭。直接驅動式牽引電念頭的特點如表1所示。
                表1直接服動式電念頭的特點優點不需維修的齒輪傳動裝置不要裝置齒輪傳動裝置的空間不能源傳遞損耗(效力高)噪聲小毛病給牽引電念頭的沖擊大總的來說轉速較小,分量較大轉向架簧下分量增大轉矩脈動直接傳給車輪對擬用于既有線通勤電動車組的樣機進行了裝車實驗,對車地板下牽引電念頭鄰近的噪聲進行了測定,在速度64km/h時可降落14dB,大幅度降落了噪聲。此外,利用直接驅動式牽引電念頭結構簡單的特點,除了可用于既有線通勤電動車組,還可用到軌距可變電動車組()跟低地板輕軌車輛上,今后盼望在這方面也發展研究。
                3.3全封閉式永磁同步牽引電念頭鐵道機車動車牽引電念頭請求體積小、功率大,通常采取通風冷卻方法。但冷卻風中含有塵埃,會沾染牽引電念頭內部,因此牽引電念頭須要按期進行瓦解掃除。而且,既有線車輛牽引電念頭多數是轉子與風扇直接相連的結構(自通風結構),高速運行時風扇的噪聲很大。
                假如采取全封閉式結構,塵埃不能進入牽引電念頭里面,也就不須要瓦解電機進行掃除。同時,電機里面的噪聲被隔離,低噪聲牽引電念頭的實現便有了可能。為此,對全封閉式牽引電念頭進行了開發。但全封閉電機比通風冷卻電機的冷卻機能差。
                因此全封閉電機要做到尺寸跟機能與以往的電機雷同,就必須采取發熱較少的電機,并研究新的冷卻結構,以使各局部的溫升把持在劃定的限值以內。
                采取效力高、發熱少的永磁同步電念頭可能降落溫升。但全封閉牽引電念頭是電機整體溫度升高,而軸承局部的溫升限值較低,因此必須避免該局部溫升過高。為此,咱們對軸承四周的冷卻結構進行了研究,試制了采取新軸承冷卻結構的全封閉永磁同步電念頭(),對軸承冷卻結構的后果跟降噪后果進行了實驗確認。
                全封閉牽引電念頭樣機縱剖面結果表明,在與以往自通風異步牽引電念頭雷同的體積下,可能實現同樣功率的全封閉牽引電念頭,高速運行時全封閉電機的噪聲比往降落10dB左右。而且,這種全封閉牽引電念頭與以前的電念頭比較,輕量化跟高效力同時得到了滿意。
                4永磁同步電念頭的有關問題4.1空載感應電壓即便外部不供給電源,永磁同步電念頭的永恒磁鐵也能使定子線圈產生交鏈磁通,惰性時牽引電念頭端子上也能產生電壓。這種電壓被稱為空載感應電壓。由通常的電壓型逆變器驅動永磁同步電動永磁同步電念頭在鐵道機車動車上的利用變流技巧與電力牽引1/2003機時,空載感應電壓可能會帶來以下問題逆變器呈現相間短路等故障時,電念頭向故障點供電,產生短路電流,可能會擴大故障影響;)空載感應電壓的峰值若超過逆變器材元件的耐壓就會破壞元件;)假如空載感應電壓的峰值高于逆變器直流側電壓,則惰行時因與逆變器開關元件反并聯的二極管起整流回路的作用,就會產生再生制動。
                就第(1)點而言,按2.2.3所述在牽引電念頭跟逆變器之間設置負載接觸器,故障時可將牽引電念頭跟逆變器斷開。
                就第(2)點而言,可能利用耐壓相稱高的元件,但這樣會使逆變器價格進步。也可能采取在牽引電念頭中流過減弱磁場電流的方法,以使惰行時產生的電壓不太高,或者在惰行時用負載接觸器隔離牽引電念頭。為確保十分堅固,必須使負載感應電壓比元件的耐壓足夠低。因此,永磁同步電念頭在設計時必須使磁鐵產生的交鏈磁通盡可能小,由此而降落的磁鐵轉矩則用磁阻轉矩來彌補,這是最事實的解決辦法。)點也與第(2)點一樣,要使永恒磁鐵產生的交鏈磁通盡可能小,不足的轉矩用磁阻轉矩來彌補,就可能解決問題。此外,隋行時也可能通過把持牽引電念頭來使其不產生制動轉矩。
                4.2層間短路層間短路是電機的故障之一。它是指定子線圈內的絕緣層因發熱等起因此破壞,導致線圈內的銅線間短路的景象。層間短路在異步電念頭也會產生,但永磁同步電念頭在產生層間短路后,當斷開故障電機回送運行時,永恒磁鐵的磁通還能使線圈產生電動勢。由此會在層間短路的線圈上產生短路電流。
                必須先弄明白這種情況下的短路電流對牽引電念頭的影響。
                筆者特地使永磁同步電念頭層間短路并進行了實驗,對層間短路時呈現的景象進行了考察,得出了以下論斷。)因層間短路而引起的電念頭轉矩變更很小,約為額定轉矩的5%左右。
               ?。?)在層間短路狀況下回送運行時,在一定速度(相稱于70km/h)以下,層間短路引起的傷害不會發展、不會冒煙。電機廠家通過上述分析可以總結出電動機工作原理為:當電動機的三相定子繞組(各相差120度電角度),通入三相對稱交流電后,將產生一個旋轉磁場,該旋轉磁場切割轉子繞組,從而在轉子繞組中產生感應電流(轉子繞組是閉合通路),載流的轉子導體在定子旋轉磁場作用下將產生電磁力,從而在電機轉軸上形成電磁轉矩,驅動電動機旋轉,并且電機旋轉方向與旋轉磁場方向相同。但在一定速度以上,則短路時光內會熔斷。
                因此,回送時為使電機不冒煙,列車速度必須克制在一定的速度以下?;蛘吲c軸承粘逝世時一樣,用搬運車回送。這種層間短路故障實際上是十分常見的景象,但在實際利用中必須理解上述方法,以便呈現層間短路時進行處理。
                4.3鐵粉的吸附永恒磁鐵吸附鐵粉是家喻戶曉的景象。永磁同步電念頭內部的磁力線通過方法與異步電念頭基本雷同,但始終能產生磁通這一點與異步電念頭不同。
                因此,鐵粉進入到永磁同步電念頭里面后,有可能被吸附在牽引電念頭里面。
                為了剖析鐵粉吸附后對電念頭機能的影響,筆者利用強迫通風冷卻的外轉子永磁同步電念頭,將鐵粉有意投進牽引電念頭里面,在考察鐵粉吸附狀況的同時對牽引電念頭機能的變更做了剖析。
                結果表明,鐵粉重要被吸附在轉子鐵心的端部(如所示)。被吸附的鐵粉可能減小永恒磁鐵的有效交鏈磁通,但在電念頭機能實驗中,不發明鐵粉吸附前后的電念頭機能有大的變更,可確認雖有鐵粉附著,但對電念頭機能的影響不大。
                牽引電念頭轉子內鐵粉附著點5結語鐵道機車動車的牽引電念頭始終都尋求小型輕量化。永磁同步電念頭實質上是一種高效力的電機,又能做到小型輕量化,因此它無疑合實用作鐵道機車車輛的牽引電念頭。不僅如此,實質上高效力的永磁同步電念頭,在能源跟環境問題廣受關注的今天也是一種適應時代請求的電機。

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