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永磁同步电动机在铁道机车动车上的应用

时间:2021-01-06 07:01 点击次数:
   

1前言铁道机车车辆的牵引电念头装在转向架上的空间受到限度,因此体积要小;列车的高速化又请求它分量轻、输出功率大。而且,电念头的转矩特点请求在启动时输出很大的转矩,并能在很宽的速度范畴内运行,以及便于转矩把持。
  直流电念头能满意这些请求,故多年来牵引电念头始终利用直流电念头。然而,随着电力电子技巧的进步,VVVF逆变器把持的异步电念头也能满意这些请求。与直流电念头比较,异步电念头不换向器,维修减少,同时可能做到小型轻量,因此新型电传念头车动车的牵引电念头基本上全部采取异步电念头。
  当初,永磁同步电念头又引起了人们留神。它不仅与异步电念头同样存在的牵引电念头所需的特点,而且还可能比异步电念头的效力更高,体积跟分量更小。本文首先先容了永磁同步电念头的结构跟特点,而后按永磁同步电念头实用于铁道机车动车的观点,从新剖析用永磁同步电念头作为直接驱动式牵引电念头跟全封闭牵引电念头中获得的结果,说明了永磁同步牵引电念头利用的可能性。
  2永磁同步电念头的结构跟特点2.1永磁同步电念头的结构生磁场的同步电念头。按磁铁装在转子的方法可分为名义磁铁型跟内埋磁铁型两种。永磁同步电念头的定子与异步电念头基本上雷同,由叠压桂钢片形成的定子铁心跟嵌在定子铁心槽内的定子线圈组成,线圈的连接是使通常的三相交换电源产生旋转磁场。
  永磁同步电念头的转矩是由永恒磁铁的磁场跟定子线圈电流树破的磁场彼此作用产生的,转子与采取三相交换电源供电的定子旋转磁场同步运行并产生转矩,这种转矩被称为磁铁转矩。此外,转变转子铁心的外形,还可望得到磁阻转矩。磁阻转矩是由转子磁性的凸极结构产生的,是因为在磁铁的磁极方向(该方向的坐标轴为d轴)跟与该方向相移90.(电角度)的方向(在坐标中为q轴)上磁力线通过的难易水平不一样而产生的转矩。
  简单来说,在定子线圈产生的旋转磁场中,转子的永恒磁铁因为吸引跟排斥而产生的力就是磁铁转矩;旋转磁场中转子上的磁铁被吸引而产生的转矩就是磁阻转矩。
  是各种典范永磁同步电念头转子的垂直于转轴的剖面。(a)跟(b)称为名义磁铁型,顾名思义,其转子名义固定有永恒磁铁。通常情况下,名义磁铁型永磁同步电念头在转子的外侧笼罩一层非磁性的结构资料,压住永恒磁铁,以避免电机高速运行时名义磁铁飞出来。(a)结构的铁心外形不凸极性,基本上不会产生磁阻转矩,只能产生磁铁转矩。(b)结构的铁心有凸极结构,因此还可能产生磁阻转矩。
  (c)的结构是内埋磁铁型结构。三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速,转子绕组因与磁场间存在着相对运动而产生电动势和电流,并与磁场相互作用产生电磁转矩,实现能量变换。其拥有结构简单、运行可靠、价格便宜等优点。顾名思义,其磁铁埋在铁心旁边。
  内埋磁铁型结构的铁心通常有磁性凸极性的外形,可能产生磁阻转矩。而且,内埋磁铁型结构简单,制角频率(rad/s)永磁同步电念头的电机常数与转矩特点下3种情况,/m为最大电流有效值x万。
  这种情况象征着永恒磁铁产生的磁通比定子产生的磁通要大。因此,在高速区磁铁产生的磁通较强,因磁通不能充分减弱,电压会过大,故存在输出限界速度。为此,高速区的输出功率会呈现急剧降落。在这种电机常数关联时,必须使输出限界速度弘远于最高速度。但另一方面,因电枢反应磁通小,功率因数较高,在逆变器容量雷同的情况下,可能采取较大的最大输出功率。这是优点。
  这种情况下输出限界速度实际上为无穷大。因此,高速区输出功率不会降落,恒功特点可能坚持到最高速度。
  这种情况象征着磁铁产生的磁通比定子产生的磁通小。磁铁的磁通可能用电枢磁通来对消,因此,不存在输出限界速度,高速区的功率降落很小。但另一方面,功率因数比较低,在逆变器容量雷同的情况下可输出的最大功率较小。
  牵引电念头的调速范畴请求很宽,高速时输出功率的降落宜小。而且,因逆变器的价格跟分量是随逆变器容量的进步而提加。所以请求同一输出功率所需的逆变器容量要小。如后所述,在设计用作牵引电念头的永磁同步电念头时,因的值限度在一定的值以下,电机常数为(c)的情况较多。但在高速区,为了使一定的逆变器容量下输出功率最大,电机常数的设计宜尽可能濒临(b)的特点。
  -L,的值坚持不变以使起动转矩的值坚持一定,转变1跟~值时,上述(a)~(c)3种情况下的转速转矩特点。牵引电念头按(b)的特点设计则会有以下优点。首先,因高速时的加速力进步,可望缩短运行时光。此外,还能进步高速时利用再生制动的比率,再生制动率进步象征着可能更加节能,而且,高速时再生制动率高可能减少机械制动的累赘,从而减少维修。
  因此,永磁同步牵引电机与异步牵引电念头比较,可永磁同步电念头转子剖面外形造也很轻易。脆性的磁铁不在名义,结构很坚固。
  铁道机车动车的牵引电念头盼望有坚固的结构,而且盼望有效利用磁阻转矩,这样就可能使永恒磁铁产生的交链磁通足够小(见4.1所述)。因此,可能说内埋磁铁型转子结构的永磁同步电念头是合实用作铁道机车动车牵引电念头的。
  2.2永磁同步电念头的特点2.2.1效力高、体积小永磁同步电念头最大的特点就是效力高。效力可能用(输人功率)-(损耗)/(输人功率)来表示。永磁同步电念头的磁场不须要电流,从原理上讲转子不产生损耗。因此,电念头最大损耗即铜耗(电流产生的焦耳热)约只有异步电念头的一半,效力比异步电念头大大进步。效力高,电能消耗少,使铁路比以往更加节能,同时还可望降落电费。
  此外,如后面所述,损耗越小,电念头的体积越小。这样,利用永磁同步电念头可能做到体积小、功率大。因此,体积雷同时,永磁同步电念头可能比异步电念头的功率大;功率雷同时,永磁同步电念头可能比异步电念头的体积小。
  2.2.2速度牵引力特点电传念头车动车的速度牵弓丨力特点受牵引电念头转速转矩特点的制约。异步电念头跟直流串励电念头的转矩在高速区与速度的平;5成反比减小,因此,电动车辆的速度牵引力特点通常在低速区是恒转矩,中速区的转矩与速度成反比减小,高速区的转矩与速度的平方成反比减小。
  另一方面,永磁同步电念头的基本特点可能用下面的式子来表示。
  ;永恒磁铁产生的交链磁通的最大值;Ld d轴电感;Lq q轴电感;r――转矩;匕――端电压;w―角频率;――轴电流;――q轴电流。另外,不考虑定子线圈的电阻跟铁耗。
  如所示,因永磁同步电念头为同步机,必须由与电念头旋转同步的交换电源供电,因此采取1台逆变器向1台牵引电念头供电的独破把持方法。
  此外,永磁同步电念头即便不过部供电也会产生磁通,所以惰行时牵引电念头端子上也会产生电压。
  故而当逆变器呈现相间短路等故障需把机车送回时,必须把逆变器与牵引电念头断开为此在逆变器与牵引电念头之间设有接触器(称之为负载接触器),可能断开牵引电念头。
  在实际利用永磁同步电念头时‘成天职析也很重要。
  首先来考虑初始本钱。永磁同步电念头的转子比异步电念头的转子结构简单,批量生产时价格要低。但另一方面,永磁同步电念头必须采取独破把持,与异步电念头采取集中把持时比较,逆变器价格较高。而且,采取永磁同步电念头时,逆变器与电念头之间必须有负荷接触器,这一局部价格也高。
  其次是运行本钱。永磁同步电念头效力高,而且可能进步再生制动率,因此电能消耗比较少,电力本钱可能减少。在现有的尺寸跟分量前提下,全封闭式牵引电念头或直接传动式牵引电念头都可能实现,这样就可能减少各种维修,节俭人力。
  演绎起来,与集中把持的异步电念头比较,永磁同步电念头的初始本钱较高,但从运行成原来看,利用永磁同步电念头可望减少各种各样的本钱。因此,就本钱而言,异步电念头跟永磁同步电念头哪个较好尚不能一律而论。
  3永磁同步电念头在铁道机车动车上的利用3.1牵引电念头的小型轻量化牵引电念头在分量跟尺寸方面限度比较严,与个别电念头比较小型轻量化的请求相称高。三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速,转子绕组因与磁场间存在着相对运动而产生电动势和电流,并与磁场相互作用产生电磁转矩,实现能量变换。其拥有结构简单、运行可靠、价格便宜等优点。通常情况下,电念头输出功率与尺寸存在下式的关联。
  气隙直径(m);―铁心长度(m);n―转速(r/min)。;)进步磁性资料的机能;)进步转速;)增加极数。
  永磁同步电念头转子不流过电流,故转子基本上不产生热量,而且励磁电流很小,铜耗也小,效力高。因此,满意上述第(3)条,可能做到小型轻量化。
  例如,在开发与车轮一体化的牵引电念头时,对异步电念头跟永磁电念头在雷同的设计前提下进行了设计剖析,结果表明永磁同步电念头的分量约为异步电念头的2/3,可能大幅度减重。
  3.2直接驱动式永磁同步牵引电念头如上节所述,通过齿轮传动装置使牵引电念头高速运行,可能使牵引电念头小型轻量化。因此,通常的牵引电念头是通过齿轮传动装置将能源传递给轮轴来驱动车辆的。然而,利用齿轮传动装置时,也会带来传递损耗、噪声跟维修等问题。
  采取直接驱动方法,不须要齿轮传动装置,这些问题就可能解决,但这时牵引电念头的体积会加大,导致簧下分量增加,对轨道的冲击加大,给牵引电念头的冲击会增大。因此,在分量跟尺寸受到严格。限度的车体地板下要采取直接驱动方法是很艰苦的。
  然而,永磁同步电念头与从前的直流电念头跟异步电念头比较,其体积跟分量可能大幅度减小,从而可能在现有尺寸跟分量前提下实现直接驱动。
  因此,咱们始终在开发直接驱动式永磁同步牵引电念头。直接驱动式牵引电念头的特点如表1所示。
  表1直接服动式电念头的特点优点不需维修的齿轮传动装置不要装置齿轮传动装置的空间不能源传递损耗(效力高)噪声小毛病给牵引电念头的冲击大总的来说转速较小,分量较大转向架簧下分量增大转矩脉动直接传给车轮对拟用于既有线通勤电动车组的样机进行了装车实验,对车地板下牵引电念头邻近的噪声进行了测定,在速度64km/h时可降落14dB,大幅度降落了噪声。此外,利用直接驱动式牵引电念头结构简单的特点,除了可用于既有线通勤电动车组,还可用到轨距可变电动车组()跟低地板轻轨车辆上,今后盼望在这方面也发展研究。
  3.3全封闭式永磁同步牵引电念头铁道机车动车牵引电念头请求体积小、功率大,通常采取通风冷却方法。但冷却风中含有尘埃,会沾染牵引电念头内部,因此牵引电念头须要按期进行瓦解扫除。而且,既有线车辆牵引电念头多数是转子与风扇直接相连的结构(自通风结构),高速运行时风扇的噪声很大。
  假如采取全封闭式结构,尘埃不能进入牵引电念头里面,也就不须要瓦解电机进行扫除。同时,电机里面的噪声被隔离,低噪声牵引电念头的实现便有了可能。为此,对全封闭式牵引电念头进行了开发。但全封闭电机比通风冷却电机的冷却机能差。
  因此全封闭电机要做到尺寸跟机能与以往的电机雷同,就必须采取发热较少的电机,并研究新的冷却结构,以使各局部的温升把持在划定的限值以内。
  采取效力高、发热少的永磁同步电念头可能降落温升。但全封闭牵引电念头是电机整体温度升高,而轴承局部的温升限值较低,因此必须避免该局部温升过高。为此,咱们对轴承四周的冷却结构进行了研究,试制了采取新轴承冷却结构的全封闭永磁同步电念头(),对轴承冷却结构的后果跟降噪后果进行了实验确认。
  全封闭牵引电念头样机纵剖面结果表明,在与以往自通风异步牵引电念头雷同的体积下,可能实现同样功率的全封闭牵引电念头,高速运行时全封闭电机的噪声比往降落10dB左右。而且,这种全封闭牵引电念头与以前的电念头比较,轻量化跟高效力同时得到了满意。
  4永磁同步电念头的有关问题4.1空载感应电压即便外部不供给电源,永磁同步电念头的永恒磁铁也能使定子线圈产生交链磁通,惰性时牵引电念头端子上也能产生电压。这种电压被称为空载感应电压。由通常的电压型逆变器驱动永磁同步电动永磁同步电念头在铁道机车动车上的利用变流技巧与电力牵引1/2003机时,空载感应电压可能会带来以下问题逆变器呈现相间短路等故障时,电念头向故障点供电,产生短路电流,可能会扩大故障影响;)空载感应电压的峰值若超过逆变器材元件的耐压就会破坏元件;)假如空载感应电压的峰值高于逆变器直流侧电压,则惰行时因与逆变器开关元件反并联的二极管起整流回路的作用,就会产生再生制动。
  就第(1)点而言,按2.2.3所述在牵引电念头跟逆变器之间设置负载接触器,故障时可将牵引电念头跟逆变器断开。
  就第(2)点而言,可能利用耐压相称高的元件,但这样会使逆变器价格进步。也可能采取在牵引电念头中流过减弱磁场电流的方法,以使惰行时产生的电压不太高,或者在惰行时用负载接触器隔离牵引电念头。为确保十分坚固,必须使负载感应电压比元件的耐压足够低。因此,永磁同步电念头在设计时必须使磁铁产生的交链磁通尽可能小,由此而降落的磁铁转矩则用磁阻转矩来弥补,这是最事实的解决办法。)点也与第(2)点一样,要使永恒磁铁产生的交链磁通尽可能小,不足的转矩用磁阻转矩来弥补,就可能解决问题。此外,隋行时也可能通过把持牵引电念头来使其不产生制动转矩。
  4.2层间短路层间短路是电机的故障之一。它是指定子线圈内的绝缘层因发热等起因此破坏,导致线圈内的铜线间短路的景象。层间短路在异步电念头也会产生,但永磁同步电念头在产生层间短路后,当断开故障电机回送运行时,永恒磁铁的磁通还能使线圈产生电动势。由此会在层间短路的线圈上产生短路电流。
  必须先弄明白这种情况下的短路电流对牵引电念头的影响。
  笔者特地使永磁同步电念头层间短路并进行了实验,对层间短路时呈现的景象进行了考察,得出了以下论断。)因层间短路而引起的电念头转矩变更很小,约为额定转矩的5%左右。
  (2)在层间短路状况下回送运行时,在一定速度(相称于70km/h)以下,层间短路引起的伤害不会发展、不会冒烟。电机厂家通过上述分析可以总结出电动机工作原理为:当电动机的三相定子绕组(各相差120度电角度),通入三相对称交流电后,将产生一个旋转磁场,该旋转磁场切割转子绕组,从而在转子绕组中产生感应电流(转子绕组是闭合通路),载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力,从而在电机转轴上形成电磁转矩,驱动电动机旋转,并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。但在一定速度以上,则短路时光内会熔断。
  因此,回送时为使电机不冒烟,列车速度必须克制在一定的速度以下。或者与轴承粘逝世时一样,用搬运车回送。这种层间短路故障实际上是十分常见的景象,但在实际利用中必须理解上述方法,以便呈现层间短路时进行处理。
  4.3铁粉的吸附永恒磁铁吸附铁粉是家喻户晓的景象。永磁同步电念头内部的磁力线通过方法与异步电念头基本雷同,但始终能产生磁通这一点与异步电念头不同。
  因此,铁粉进入到永磁同步电念头里面后,有可能被吸附在牵引电念头里面。
  为了剖析铁粉吸附后对电念头机能的影响,笔者利用强迫通风冷却的外转子永磁同步电念头,将铁粉有意投进牵引电念头里面,在考察铁粉吸附状况的同时对牵引电念头机能的变更做了剖析。
  结果表明,铁粉重要被吸附在转子铁心的端部(如所示)。被吸附的铁粉可能减小永恒磁铁的有效交链磁通,但在电念头机能实验中,不发明铁粉吸附前后的电念头机能有大的变更,可确认虽有铁粉附着,但对电念头机能的影响不大。
  牵引电念头转子内铁粉附着点5结语铁道机车动车的牵引电念头始终都寻求小型轻量化。永磁同步电念头实质上是一种高效力的电机,又能做到小型轻量化,因此它无疑合实用作铁道机车车辆的牵引电念头。不仅如此,实质上高效力的永磁同步电念头,在能源跟环境问题广受关注的今天也是一种适应时代请求的电机。

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