永磁牽引系統

永磁牽引傳動系統關鍵在於永磁電機，它的勵磁磁場是由永磁體產生的，而異步電機需要從定子側吸收無功電流來建立磁場，用於勵磁的無功電流導致了損耗的增加，降低了電機效率和功率因數，所以永磁電機比異步電機要節能。是軌道交通車輛裝備的實現機電能量轉換的“心臟”單元，其性能在某種程度上決定了軌道交通車輛的動力品質、能耗和控制特性，因而是軌道交通車輛節能升級的關鍵。永磁同步電機具有能量密度高、過載能力強等優點。

簡介

永磁牽引系統是列車的動力系統，由變流器和電機兩大部分組成，其中變流器相當於列車的心臟，電機好比是列車的肌肉，電機主要負責傳達動力，完成電能到機械能轉變，帶動列車平穩行駛。牽引傳動系統在業內被稱為“列車之心”，其性能在某種程度上決定了列車的動力品質、能耗和控制特性，也影響著列車的經濟性、舒適性與可靠性，是節能升級的關鍵。 永磁電機與異步電機的最大區別在於它的勵磁磁場是由永磁體產生的。異步電機，需要從定子側吸收無功電流來建立磁場，用於勵磁的無功電流導致了損耗的增加，降低了電機效率和功率因數，所以永磁電機比異步電機要節能。世界軌道交通車輛牽引系統技術，經歷了直流系統、交流系統、永磁系統三大階段。永磁同步牽引系統因其高效率、高功率等顯著優勢，正逐步取代傳統牽引系統，將成為下一代列車牽引系統主流研製方向。

項目研究

軌道交通的不斷發展對牽引電機提出了更高的要求：體積小、重量輕、輸出功率大，能在機車啟動時輸出大的啟動轉矩，並能在很寬的速度範圍內平滑調速，以便實現對機車的轉矩控制。
隨著大功率電力電子元器件的發展以及永磁材料的開發，永磁同步電機以其功率密度大、效率高、結構簡單、可靠性高等優點而得到了廣泛的套用。本項目就是針對永磁電機在軌道交通上的套用問題來進行研究。
本項目根據永磁電機牽引傳動系統設計方案，通過理論推導、仿真計算、實驗測試等方法，對採用不同設計方案的牽引系統進行科學的比較分析，評估該系統與高速列車牽引性能的匹配性，並提出最佳化設計方案。主要研究內容包括：
1)永磁牽引電機電磁方案的分析
2)永磁牽引電機與變流器匹配分析
3)採用永磁牽引傳動系統的高速列車性能評估
4)永磁牽引同步電機可靠性研究
5)永磁電機高反電勢問題的研究
6)永磁同步電機的弱磁控制方法
7)永磁同步電動機的無速度感測器控制和帶速重投

優勢

一、高速列車採用永磁同步牽引系統，一方面可以充分利用永磁電機高功率密度的特點，降低列車的動拖比(指一列固定編組的列車中，動力車與無動力車的比例)。比如一輛原來需要6動2拖的列車，在裝備了永磁電機後，只需要採用4動4拖就可以，其節省的2輛動車的牽引系統成本會使得安裝永磁電機的整列車牽引系統成本反而降低20%。二、通過提高列車牽引效率，可節省大量電能，降低列車的全壽命周期成本。經測算，目前捷運運營統計的數據是一列車平均每公里耗能為13度，按一列車每天平均跑250公里，一條線按20列車進行計算，則一條線一天耗能為65000度，如果電費按照0.85元/度電進行計算，如果2015年全國規劃建設的96條軌道交通線路全部採用永磁同步牽引系統，那么每年新線運營能耗將節約1.92億元。三、永磁高鐵電機全封閉，噪音低維護少。由於永磁牽引電機結構和電磁方面的特點，其在捷運現場套用過程中在低速時系統噪音明顯比異步電機低。整個系統噪音大概降低了3分貝左右。沒有濾網清潔這樣繁瑣的工作，系統的壽命周期成本也大大地降低了。由於牽引系統是機車的核心技術，雖然法、德、日等國家都在進行永磁牽引系統的研製，但一直對華實現技術封鎖，中國永磁在軌道交通上的研發雖然起步較晚，但目前已經逐漸追趕上國外先進水平。株洲所此次永磁高鐵的下線，標誌著我國成為世界上少數幾個掌握高鐵永磁牽引系統技術的國家。

專家點評

中國工程院院士劉友梅：永磁同步牽引系統是我國高鐵技術升級的典範世界軌道交通車輛的電力牽引系統技術在經歷了“直流傳動牽引系統”向“交流傳動牽引系統”發展後，目前正在由“感應異步傳動”朝“永磁同步傳動”發展。永磁同步牽引系統因其高效率、高功率密度的顯著優勢，代表了當前提倡節能減排、綠色環保的技術發展趨勢，成為各大已開發國家競相研究的技術熱點，是花錢也買不到的核心技術。中國中車株洲電力機車研究所成功自主開發了高速列車永磁同步牽引系統，使我國成為世界上少數幾個掌握高鐵永磁牽引系統技術的國家之一。該永磁同步牽引系統的電機額定效率達到了98%以上，將電機損耗降低至原來的三分之一，顯著降低了高速列車的牽引能耗。在我國能源日益緊張，社會迫切需求“綠色交通”的大背景下，永磁同步牽引系統成為了我國高速鐵路技術升級的一個典範。為了早日趕上已開發國家技術水平，我們在研製時主動提高了目標。株洲電力機車研究所有限公司副總經理馮江華：技術創新是企業賴以生存的支柱和持久發展的動力。2003年，我們即著手開展永磁同步牽引系統的基礎研究。當時永磁技術在國外尚處於起步階段，技術完全保密，對外嚴格封鎖技術轉讓。我們只能從零起步，摸著石頭過河，開展了大量理論分析、仿真研究和三維虛擬設計等，經歷不下百萬次的地面試驗，積累了數百G的硬碟數據，於2011年成功研製了我國首套軌道交通永磁同步牽引系統，並且在瀋陽捷運2號線列車上成功實現裝車試驗，這也是永磁系統在國內軌道交通領域的首次套用。瀋陽試驗的同一年，我們接到了國家“863計畫項目”開發高速動車組用600kW永磁同步牽引系統的任務。為了早日趕上已開發國家的技術水平，在接到任務後，我們內部將研製的目標提高到了690kW。三年的堅守與付出，最終換來成功的喜悅。牽引系統性能的優劣決定了列車的技術水準。此次我們開發的高速動車組690kW永磁同步牽引系統使我國高速鐵路擁有了世界上最先進的牽引技術，有力地提升了我國高速鐵路的技術水平，再次向世界表明我國高速鐵路完全具備自主創新的技術能力。更加關鍵的是，永磁驅動技術不僅在軌道交通領域引發了技術革命，而且還是新能源汽車、超高速永磁驅動離心商用空調、風力發電等領域的核心技術，是我們高端裝備技術進步的基石。

前景

永磁牽引成為下一代列車主流研究方向世界軌道交通車輛牽引系統技術，經歷了直流系統、異步系統、永磁系統三大階段。永磁同步牽引系統因其高效率、高功率等顯著優勢，正逐步取代傳統牽引系統，成為下一代列車牽引系統主流研製方向。南車株洲所推出的高速列車永磁同步牽引系統，包含牽引變流器、網路控制系統、永磁同步牽引電動機等，其中最具亮點的就屬該公司自主研發的JD188型大功率永磁同步牽引電動機。該電機額定功率達到了690千瓦，是目前國內軌道交通領域最大功率的永磁同步牽引電動機。與傳統的異步電動機相比，該電機具有轉速穩、效率高、體積小、重量輕、噪聲低、可靠性高等諸多特點，採用永磁驅動的同步牽引電機與傳統的異步電機驅動系統相比，節能可達10%以上。