稀土永磁電機在輕型軌道交通領域的應用
駱光照，竇滿峰，范娟娟，陳哲
(西北工業大學，陜西西安710072)
摘要：文章主要介紹了輕軌機車牽引用稀土永磁電機及其控制技術。根據輕型軌道交通的特點及應用要求，分析了輕軌機車驅動系統的組成及凸極式永磁同步電機作為直驅牽引電機的優勢，重點從電機本體設計及驅動控制技術兩個方面對稀土永磁電機作為輕軌機車牽引電機的關鍵技術進行了闡述。最后介紹了在我們該領域己開展的階段性工作。
關鍵詞：輕型軌道交通；凸極式永磁同步電機；弱磁調速；斷電重投
1輕型軌道交通的特點及應用
自從1881年在德國柏林近郊建成世界上第一條有軌電車線路以來，有軌電車技術在車輛及控制系統、軌道系統等方面已有了質的飛躍[1]。20世紀60年代，在傳統有軌電車的基礎上誕生并發展起來的輕型軌道交通(Light Rail Transit，LRT)是現代交通領域的又一次飛躍。2007年6月13日，國家行業標準CJJ/T 114，2007《城市公共交通分類標準》的發布，使得輕軌的概念更加清晰準確。該標準對輕軌的定義是：輕軌系統是一種中運量的軌道運輸系統，采用鋼輪鋼軌體系，標準軌距為1435 mm，主要在城市地面或高架橋上運行，線路采用地面專用軌道或高架軌道，遇繁華街區，也可進入地下或與地鐵接軌[3]。從該標準可以看出，輕軌機車主要有以下四方面的特點：
1)輕軌是中運量的軌道運輸系統之一，這有別于地鐵的大運量和有軌電車的低運量；2)輕軌是采用鋼輪鋼軌體系；3)輕軌與地鐵一樣，采用地面專用軌道或高架軌道，而不像有軌電車那樣與其他地面車輛混行；4)輕軌線路敷設方式以地面線或高架橋為主、以地下線為輔。
可以看出，輕軌機車主要用于城市交通運行，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驅動的輕型電機車。由于近年稀土永磁材料的開發以及電力電子技術的不斷發展，稀土永磁同步電機已經開始逐步取代異步電機而作為輕軌機車系統的牽引電機[4]。另一方面，由于作為牽引電機用的永磁電機本體及其控制方式的研究尚處初級階段，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的控制系統是當前的迫切需要。國外的一些專家學者對此已經做了一些有益的研究[5-7]，國內目前還處于起步階段。
2輕軌機車驅動系統的組成及特點
輕軌機車驅動系統由電機、驅動變流器與轉向架等構成。常用的驅動電機有直流電機、異步電機、永磁同步電機等[8]。
早期的輕軌機車采用直流傳動，直流電機技術成熟，控制性好，但其使用壽命、維護成本及體積方面的弱勢使該類電機在輕軌機車上的應用受到了很大限制。從80年代開始，異步電機設計、制造以及控制技術都相對成熟，且具有結構簡單、制造容易、成本及維護費用低、可靠性高等優點，受到大多數國家的青睞。早在1986年，加拿大溫哥華市建成了異步電機驅動的輕軌交通系統，并投入了商業應用。德國西門子的City Spdnte~高地板輕軌機車、日本川崎重工研制的Swimo型低地板輕軌車輛、ABB公司的Variotram系列輕軌車采用的都是異步電機驅動。2000年4月，首批兩臺國產城市輕軌車在湘潭電機股份有限公司研制成功，采用的就是異步電機。目前，異步電機驅動的輕軌機車發展成熟，且低地板輕軌車較受歡迎。
與異步電機相比，稀土永磁同步電機具有功率密度高、效率高、體積小、結構簡單、輸出轉矩大、可控性好、可靠性高、噪聲低等一系列優點，得到電力牽****域研究人員的重視。目前，國外部分線路已經完成了永磁同步電機牽引運行試驗，并取得了良好效果。2007年夏，由德國西門子公司開發的采用永磁同步電機直接驅動的地鐵車輛開始在慕尼黑地鐵線路上運行[9]。2006年，法國阿爾斯通公司研制的AGV高速列車正式定型，該列車使用的就是永磁同步電機牽引[10]。數年前東日本旅客鐵道公司E954／E955型高速電動車機組試驗已達到預期的基本要求[11]。相比而言，國內相關領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稀土永磁電機用于輕軌交通的關鍵技術
稀土永磁電機根據永磁體在轉子上的安裝方式分表面式(隱極式)永磁同步電機(PMSM)
和內置式(凸極式)永磁同步電機(IPMSM)。采用永磁體內嵌的IPMSM由于交直軸電感不同
而產生的磁阻轉矩有利于提高電機的功率密度、弱磁擴速及過載能力，能夠在逆變器容量不變的情況下提高電驅動車輛的調速范圍，滿足輕軌機車牽引電機期望的堅固結構、大啟動轉矩及直接驅動等特點，因此更適合做輕軌機車的牽引電機，并且也已經成為牽引驅動的研究熱點[15-16]。從目前研究的狀況看，要使得稀土永磁電機能夠在輕軌機車驅動系統得到廣泛應用，還必須解決以下幾方面的問題。
3 1電機本體設計
(1)適合軌道交通的新型凸極式轉子結構設計
對牽引電機來說，需要有堅固的結構并希望能有效利用磁阻轉矩，同時為了更好地保護主電路，也希望****磁鐵引起的交鏈磁通能夠充分減小。因此，牽引電機適合采用嵌入永磁體型的轉子結構，即凸極結構。嵌入式永磁體轉子(凸極式轉子)結構簡單、加工方便，表面沒有較脆的永磁材料，結構堅固，省去了端環和護環，可使牽引電機輕量化；同時電機在運轉時沒有轉子導體的風噪聲，具有噪音低的優點。
凸極式永磁同步電動機轉子磁路結構形式多種多樣，不同的轉子結構，其空載漏磁系數、交直軸電樞反應電抗等參數各不相同，電機的運行性能、控制性能、制造工藝和應用場合也不同。為了在有限的空間內放置足夠的永磁體，還要保證適宜的漏磁系數和電抗參數及其比值，需要對轉子磁路結構進行分析研究[17]。常用的高效永磁電機轉子結構有“U”型和“W”型兩種。“U”型結合了徑向式和切向式的優點，可以提高電動機的牽入同步能力、磁阻轉矩和電動機的過載倍數，這對電動車用驅動電機來講是非常重要的；同時，該結構提供了更多的永磁體安裝空間，從而可以減小電機的體積，提高電機的功率密度[18]。“W”型轉子在異步起動性能上****轉矩高于“U”型，在暫態起動性能上也更易于牽入同步速，因此具有較高的運行性能， 但要以增加永磁體用量作為代價[19]。
(2)稀土永磁電機的場、路、熱結合的設計方法
輕軌機車牽引用直驅永磁電機直接安裝在機車底部，使用環境惡劣，必須采用全密封結構，散熱條件差，因此電機本身的發熱及散熱是研究電機性能的關鍵技術。大功率、高壓永磁同步電機內部電磁場分布非常復雜，各部分發熱情況不均勻，散熱條件也相差懸殊，熱源之間又存在一定的熱交換，所以該類電機內部的熱場分析存在一定困難。因此這方面的研究是一個難點。目前常用的方法是結合電磁場有限元分析和熱場有限元分析方法對大功率、高壓永磁同步電動機進行電磁場一熱場耦合分析。首先通過電磁場分析得到電機的平均損耗，并以此作為熱源對電機進行熱場分析；然后在此溫升的基礎上進行電磁場計算；通過電磁場分析對電機損耗的重新計算，再轉而進行熱場分析，以此循環直至電機達到熱平衡。最后，通過對電機的溫度云圖和熱能傳遞圖的分析，研究電機的發熱情況。采用這種方法不僅可以精確計算電機內部電磁場的分布，而且可以得到電機內部電磁場與熱場之間的能量交互過程，研究電機的發熱問題，因此可以更有效地對電機進行優化，使電機滿足高效率、損耗匹配、發熱合理等指標。
3．2稀土永磁電機驅動控制技術
(1)永磁同步電機弱磁控制方法
輕軌機車的應用領域要求牽引電機具有低速大扭矩及盡可能寬的高速恒功驅動能力，以擴展輕軌機車的行駛速度范圍。牽引用稀土永磁同步電機為凸極結構，具有更寬的弱磁調速能力。而實現電機的高性能運行，先進的控制方法必不可少。弱磁控制技術能夠在電機****輸出功率不變的條件下提高輕軌機車的行駛速度，能夠更加充分地利用逆變器輸出能力，從而降低逆變器的容量，因而對輕軌機車永磁電機電牽引系統具有非常重要的意義和突出實用價值[20]。
水磁同步電機弱磁控制的思想來源于他勵直流電機的勵磁調節思想。對于永磁同步電機來說，勵磁磁動勢由位于轉子上的永磁體產生，無法像他勵直流電機一樣方便地調節勵磁電流，只有通過控制定子電流，即提高d軸電流分量的去磁作用來控制氣隙磁場強度，以維持電機高速運行時的電壓平衡，實現弱磁擴速。文獻[21]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****利用。文獻[22]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，實現對永磁同步電動機弱磁運行區域的擴展。文獻[23]提出采用電流調節器，實現永磁同步電動機的弱磁控制，電流調節器包括前饋解耦環節和電壓補償環節。另外，由于溫升和直流母線電壓引起的電壓變化會導致電壓補償器工作不正常，嚴重時可能引起整個系統的不穩定。基于這一缺陷，文獻[24]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****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。
(2)永磁同步電機斷電再投技術
機車惰行或運行過程中逆變器保護等造成輸出脈沖關斷，相當于逆變器輸出斷電。當需要重新牽引或從故障狀態恢復時，逆變器應具備在機車運行過程中(具有一定的初速度)重新投入的功能。
在重新投入前，機車本身具有一定的速度。與異步機不同的是，由于永磁同步電機轉子磁場的存在，因此電機繞組線端有一個隨轉子旋轉的、一定幅值的反電勢電壓。若投入時機不對，輕則造成系統沖擊、振蕩，重則造成逆變器燒毀。因此，當逆變器重新投入時，要保證系統安全、沖擊最小，必須保證逆變器輸出電壓的相位及頻率與當前的反電勢相位及頻率值相對應，而且逆變器輸出電壓的施加也必須有一個逐步調節的過程。由于這個過程涉及永磁同步電機的瞬態過程，尤其在弱磁狀況下該過程更為復雜，因此該方面的研究是目前國內外該領域的一個難點，國內外在這方面的研究文獻很少，僅有的文獻也多從永磁電機電樞形式方面開展研究。不過從相對成熟的異步電機的帶速度重投的一些成果可能對研究永磁同步電機帶速度重投具有一定的啟發和借鑒意義。文獻[25]提出了針對異步電機無速度傳感器的斷電重投的方法，利用電機的Luenberger觀測器模型推導出自適應辨識算法，提出了初始轉速自搜索算法。在斷電重投的時候，利用已經準確估計的速度得到定轉子磁鏈的精確值，通過調整磁鏈控制環節保證勵磁。文獻[26]提出在重投瞬間使得電動機順利勵磁的方法，勵磁成功后利用自適應狀態觀測器進行速度辨識。文獻[27]提出在斷電重投時分兩種情況進行處理：一種是變流器短時封鎖后的帶電重投，該情況下保存當前速度值，投入時以該速度作為當前速度；一種是長期惰性以后，速度偏差較大時利用文獻[23]介紹的速度自搜索方法。
4當前在該領域已開展的部分研究工作
目前，西北工業大學稀土永磁電機及控制技術研究所與北車集團合作開展了蓄電池供電型輕型軌道車輛用稀土永磁同步電機及其驅動系統的研發工作。在電機設計方面，采用“場-路”結合的方法對凸極式徑向勵磁結構永磁同步電動機進行了電磁設計，在設計電機有關結構尺寸及性能計算時從電機基本公式出發，在計算有關關鍵參數時利用有限元方法得到。同時，利用場的方法優化設計了永磁體的磁化方向長度、寬度和傾斜角度，使永磁體工作于****工作點并滿足足夠的磁負荷；合理設計隔磁磁橋，在滿足轉子強度前提F，盡量減小漏磁，提高了永磁材料的利用率。利用該方法，設計制造了額定功率150KW、額定電壓380V、調速范圍O～2250r／nlin的凸極式稀土永磁同步電機。同時研發了額定直流母線電壓540V、額定功率220KVA、具有弱磁調速功能的矢量控制逆變器。目前，已完成系統的硬件調試及部分臺架實驗，并在此基礎上做了相關的優化設計。同時，由于永磁同步電機到有勵磁及嚴格同步的特性，其斷電再投難度較大，目前正在進行相關研究及實驗驗證。初步實驗結果表明，重投及切換到正常運行狀態時電流沖擊仍然較大，仍需進一步完善重投機制及程序。
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