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日本铁路永磁同步电机的开发和应用

发布时间:2015-11-26 17:08来源:《R&M》 字号:TT

  东芝公司和日本铁道综研所自1992年起共同开发铁道车辆用永磁同步电机,2000年开始对通勤铁路和地铁车辆用永磁同步电机进行开发。经过多年的发展,现已成功研制了具有世界先进水平的永磁同步电机产品,在多种轨道交通车辆上投入运用。

  (1)永磁同步电机的特点和优势

  永磁同步电机具有高效率、全封闭自冷、小型轻量化、大扭矩输出、直接驱动等特点,与感应电机相比具备以下几个优势:首先,由于转子是永久磁铁,不需要转子线圈,从而减少了旋转时的铜损,总损耗可减少2/3;其次,采用永磁体、全封闭和无传感器控制的驱动方式,使得结构简单化、轻量化;第三,封闭结构保证了没有外部尘埃的侵入,能够减少部件损害,且维护简单;第四,与200kW级感应电机相比,噪声降低了12dB(A)。

  (2)永磁同步电机用逆变器

  由于逆变器不能驱动多个永磁同步电机,在电机与逆变器间要有开放的接触器,这可能会导致逆变装置的大型化。为最大限度地克服这一缺点,东芝公司开发了“四合一”逆变装置——以4个独立控制逆变器单元为1组的集约型逆变装置。这种“四合一”逆变装置具有与感应电机逆变器同等规模的尺寸,利用高可靠性的接触器、碳化硅功率半导体器件,可实现小型化和高效率。

  (3)永磁同步电机在日本轨道交通的应用和效果

  日本是世界永磁同步电机开发的先驱,很早就进入了永磁同步电机的实用化阶段。东京地铁01系列车是最早搭载永磁同步电机的车辆,3M3T的6辆编组的列车上安装全封闭自冷式永磁同步电机,在同样编组、同样运用条件下,动力运行所需电能降低12.5%、再生电能增加12.5%,总电能消耗降低20%。关西地区阪急电铁8000系列车(4M4T)搭载了全封闭永磁同步电机,动力运行所需电能降低10%,再生电能增加85%,总电能消耗降低50%。东京地铁16000系列车搭载永磁同步电机后,动力运行所需电能降低13%、再生电能增加51%。总电能消耗降低39%。JR货运公司的HD 300型调车机车运用适合频繁起停车作业的高效永磁同步电机,燃料费支出降低30%以上。

  (4)永久磁体和其它问题

  永久磁体使用稀土材料制造,中国的稀土储藏量世界最高,东芝公司就是利用中国高储存的钐钴(SmCo)磁体开发永磁同步电机。

  磁体在220℃以上高温下使用,会产生不可逆转的消磁现象。可通过正确的热工设计、选定耐热磁体、考虑最大电流的逆磁场、不让磁体有物理破坏等手段,来保证永久磁力的有效性。此外,磁体漏磁、更换轴承后的空转、内置磁体飞出和破损、绝缘等,都是永磁同步电机设计开发中应当注意的问题。

  (5)下一个阶段的研发重点工作

  永磁同步电机以感应电机不可能达到的高效率,以及简单化、轻量化和全封闭自冷结构,为日本轨道交通装备降低生命周期成本做出了重要贡献。自2013年成功进入新加坡轨道交通市场以来,以东芝公司为代表的日本永磁同步电机研发制造商已将目光投向海外市场。

  为进一步扩大永磁同步电机在铁路上的应用,还应该开展以下重点工作:一是研究解决减轻电抗器损失、碳化硅逆变器配合最佳化、系统整体节能、串联配置等问题,提高单个永磁同步电机的效率;二是研究与车辆侧、轨旁储能管理装置相结合的技术和方法,实现更加节能、生命周期成本更低的目标;三是在保证功能需要、无需再冷却的条件下,研究更加小型化的永磁同步电机,研制新一代永磁同步电机驱动的列车。