铁路机车牵引中永磁电机的应用研究

摘 要：随着铁路行业的不断发展，铁路机车的数量也在不断增多。牵引电机是铁路机车的核心部分，影响着铁路机车的稳定性。在当今时代，传统的牵引电机已经不能满足高速铁路机车的发展需求，制约了高速铁路机车的发展。永磁电机是一种新型的同步电机，通过永磁体的高速旋转，能够产生强劲的电流，有效的提升了牵引的效率，保证了铁路机车的稳定性。本文主要研究的是铁路机车牵引中永磁电机的应用，希望能够给铁路行业提供一些借鉴，促进牵引电机的发展。

关键词：铁路机车；永磁电机；牵引电机

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.036

0 引言

牽引电机是铁路机车的重要组成部分，需要受到铁路行业的重视。传统的牵引电机多为异步电机，占用的安装空间大，电机质量重，难以满足高速铁路机车的现代化需求，制约了高速铁路机车的现代化发展。永磁电机是一种新型的同步电机，永磁材料性能的提升和价格的降低推动了永磁电机的研究，让永磁电机成为了牵引电机的首选。

1 永磁电机的结构和特点

永磁电机是依靠永磁体高速旋转产生磁场的同步电机，能够将永磁体运动产生的动能转换为电能，从而发挥出牵引的作用。永磁电机的主要结构为铁心、转轴、及永磁体，根据不同位置的磁回路，永磁电机可以被分为两种，一种是表面式永磁电机，一种是埋入式永磁电机。表面式永磁电机与埋入式永磁电机的最大区别就是不会产生磁阻转矩，因此它的牵引效果相对较差。永磁电机主要有两个特点：第一个特点是功率高。永磁电机主要通过永磁体的旋转来获得电流，因此永磁电机在运行时是没有定子铜耗或是有较少定子铜耗的，这就让永磁电机拥有了超高的功率，能够满足铁路机车长时间的运行要求。第二个特点是质量轻、占用的安装空间小。永磁电机相比较异步电机来说质量更轻，占用的安装空间更小，所以更适合安装在铁路机车上。

2 永磁电机的关键技术

（1）放退磁技术。永磁电机的核心是永磁体，如果永磁体失去了磁性，永磁电机也就失去了作用。在现实生活中，永磁电机的运转时间较长，产生的冲击电流较强，在多次的电流冲击下，永磁体很可能就会出现退磁。另外，永磁电机运行时温度会不断上升，高温可能会导致电机短路，这就又增加了永磁体退磁的风险。因此，在永磁电机的设计中，设计者就要注重永磁体的磁性问题，防止永磁体出现退磁现象。永磁电机的设计者要注重电机磁场的研究，多次校对永磁电机的退磁曲线，确保永磁电机在高温状态下也能够正常运转。此外，设计者要注重电机材料的选择，要选择耐高温的永磁体，同时要多次测试永磁体的磁性，确认磁性始终保持在稳定状态。

（2）反电动势校核技术。永磁电机的电能是通过永磁体旋转产生的动能转化而成的，不需要外部供给电能。在永磁体的高速旋转中，永磁电机的定子绕组会产生非常大的反电动势，一旦反电动势超出永磁电机的承受极限，那么永磁电机的元件就会损坏。另外，较高的反电动势会给电机的合闸带来难题，尤其是当永磁电机发生短路时，反电动势会加速电机的运转速度，从而让电机损坏的更加严重。因此，在永磁电机的设计中，设计者要校核反电动势，制定出多种设计方案。根据不同的铁路干线，来选取不同的设计方案，保证永磁电机的使用效率。例如城市干线铁路机车就应该选用反电动势较低的设计方案，这样能够有效的减少电机的弱磁电流，保证电机的性能。

3 铁路机车牵引中永磁电机的应用

（1）直接牵引电机。异步牵引电机主要是通过齿轮将动能传递给轮轴，从而达到牵引电车的目的，但是在牵引过程中，齿轮之间的咬合会发出很大的噪音，并且会损耗大量的动能。直流电机的出现解决了这个问题，但是直流电机的体积过大，占用的安装空间大，而且对轨道会产生强烈的冲击，机体容易受损。永磁电机相比较异步电机和直流电机来说，质量和尺寸更小，转速更快，提供的电流更加平稳，能够和直接驱动方式有效的契合，受到了多个国家的喜爱。例如法国的一家公司曾经开发了一台永磁电机试用机，试用的结果显示永磁电机的工作效率比异步电机更高，而且质量也比异步电机更小，同时产生的噪音更小，能够满足铁路机车的需求。

（2）封闭牵引电机。铁路机车的牵引电机在长时间的使用中会产生较高的温度，因此牵引电机通常都配有散热扇，但是散热扇在工作中会将灰尘也吹进牵引电机中，从而污染牵引电机的机体。为此，牵引电机需要定期的除尘去污。另外，散热扇在高速转动中会产生大量的噪音。为了解决这些问题，就应该使用封闭式结构，从而减少牵引电机污染，降低牵引电机内部的噪音。但是封闭式牵引电机要想和以往的电机发挥同样的作用，就要选用尺寸一致、性能相同、发热相对较少的电机。因此，噪声小、发热少的永磁电机成为了封闭牵引电机的最佳选择。日本的一家公司曾经研发过一台封闭式永磁电机测试机，在测试的过程中，这家公司发现和异步电机尺寸相同、功率相同的封闭式永磁电机的噪声更小，效率更高。

（3）永磁电机的未来发展趋势。高速铁路机车的发展需要质量更轻、体积更小、效率更高的牵引电机，因此设计者要不断优化永磁电机的内部结构，让永磁电机满足高速铁路的发展需求。在定子结构设计方面，设计者不仅要重新设计定子结构，还要不断提升定子的转速，只有这样做，永磁电机的性能才会有所提升。在电机控制技术方面，设计者要注意永磁体的失磁问题以及电机材料的不稳定问题，使用合适的电机控制技术，研究智能化的电机控制系统，设置合理的控制参数，保证电机的正常运转。

4 结语

永磁电机是一种新型的电机，相对于异步电机来说，它的工作效率更高，质量更轻，而且能够提供稳定的电流，是铁路牵引电机的重要发展方向。我国要加强对永磁电机的研究，开发出适合我国铁路机车的永磁电机，以此来促进铁路行业的发展。

参考文献：

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[2]赵晓谦.永磁同步牵引电动机在铁路机车中的应用[J].机车车辆工艺，2014（06）：1-3.

[3]许峻峰，李耘茏，许建平.永磁同步电机作为机车牵引电机的应用现状及前景[J]. 铁道学报，2015（02）：130-132.

作者简介：张卫东（1968-），男，湖南怀化人，本科，工程师，研究方向：电机控制。

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