２００７年第５期
２０曲年９月１０日
机车电传动
ＥＬＥＣＴＲＩＣＤＲＩＶＥＦＯＲＬＯＣＯＭＯＴＩＶＥＳ
№５．２００７
Ｓｅｐ．１０，２００７
作者简介：王渤洪（１９４（７一），
摘要：２０世纪７０年代铁．钕．硼磁性材料的成功开发，加上电力电子技术的不断发展，永磁同曩≥？鸶ｉ；篙ｉ主咎妻步电动机又引起了人们的注意．它不仅与异步电动机同样具有牵引电动机所需的特点，而且还可以比工作
异步电动机的效率更高、体积和重量更小。日本从１９９０年开始研发用永磁同步电动机作为直接传动
的牵引电动机和全封闭式电动机，并试验用于通勤电车、轨距可变电动车组和低地板轻轨车辆乃至新
干线高速电动车组上。
关键词：牵引电动机；永磁同步电动机；直接驱动；全封闭式牵引电动机；电动车组
中图分类号：ＴＭ３５１；ＴＭ３４１；Ｕ２６０文献标识码：Ａ文章编号：１０００－１２８Ｘ（２００７）０５．００４１．０８
Ｒ＆ＤｏｆＰｅｒｍａｎｅｎｔ?ｍａｇｎｅｔｉｃＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒｆｏｒ
ＲａｉｌｗａｙＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓａｎｄＲｏｌｌｉｎｇＳｔｏｃｋｓｉｎＪａｐａｎ
ＷＡＮＧＢｏ－ｈｏｎｇ，ｓｍＱｉｎｇ－Ｌｉｎｇ
（ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｎｔｅｒ，ＺｈｕｚｈｏｕＣＳＲＴｉｍｅｓＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｕｚｈｏｕ，Ｈｕｎａｎ４１２００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｉｒｏｎ—ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ－ｂｏｒｏｎ，ａｎｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｏｆｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｔｈｅｐｅｒｍａｎｅｎｔ－ｍａｇｎｅｔｉｃｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒａｔｔｒａｃｔｓｐｅｏｐｌｅ’ｓａｔｔｅｎｔｉｏｎａｇａｉｎ．Ｉｔｏｗｎｓｔｈｅｓａｍｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｓｔｈｅｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒｗｈｅｎａｃｔｉｎｇａｓｔｒａｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｉｔｆｅａｔｕｒｅｓｈｉｇｈｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｌｏｗｅｒｖｏｌｕｍｅａｎｄｗｅｉｇｈｔｔｈａｎｔｈｅｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ．Ｓｔａｒｔｉｎｇｆｒｏｍ１９９０，ｔｈｅｐｅｒｍａｎｅｎｔ－ｍａｇｎｅｔｉｃｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｓｔｒａｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒａｎｄｆｕｌｌｙ—ｅｎｃｌｏｓｅｄｍｏｔｏｒｆｏｒｄｉｒｅｃｔｄｒｉｖｅｉｎＪａｐａｎ，ａｎｄｈａｓｂｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｔｏｃｏｍｍｕｔｅｒｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ，ＥＭＵｗｉｔｈｖａｒｉａｂｌｅｒａｉｌｄｉｓｔａｎｃｅ，ｌｏｗ—ｆｌｏｏｒｌｉｇｈｔｒａｉｌｖｅｈｉｃｌｅａｎｄｅｖｅｎＳｈｉｎｋａｎｓｅｎｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄＥＭＵ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｒａｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒ；ｐｅｒｍａｎｅｎｔ－－ｍａｇｎｅｔｉｃｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ；ｄｉｒｅｃｔｄｒｉｖｅ；ｆｕｌｌｙ??ｅｎｃｌｏｓｅｄｍｏｔｏｒ；ＥＭＵ
０引言
电气化铁路已有１００多年历史，初期曾试用过异步牵引电动机，但限于当时技术水平，未能得到推广应用，随着现代化电力电子技术的发展，开发了车载逆变器，异步牵引电动机才得到推广应用，现在新造的机车动车几乎都采用异步牵引电动机。有了逆变器，异步电动机以外的交流电动机的使用也成了可能，其中倍受关注的是比异步电动机性能更好、更节能的永磁同步电动机。使用永磁同步电动机可以提高传动系统效率、减小车辆牵引系统的重量和体积。
近１０多年来，法国、德国、日本竞相开发永磁同步牵引电动机，例如：法国ＡＬＳＴＯＭ试制了公路低地板
收稿日期：２００７．．０６．０１Ｃｉｔａｄｉｓ车辆用永磁同步电动机，目前正在研发持续功率７２０ｋＷ的下一代３５０ｋｍ／ｈＴＧＶ高速列车用永磁同步牵引电动机；德国ＳＩＥＭＥＮＳ公司也开发和试制直接传动的永磁同步牵引电动机。本文主要介绍日本铁路开发和试制试验永磁同步牵引电动机的概况二
１直接传动用永磁同步牵引电动机
１．１与车轮一体的牵引电动机
直接传动用与车轮一体的牵引电动机的基本结构如图ｌ所示，它省去了以往齿轮传动装置，电动机轴的输出功率直接传给车轮，从而也就没有齿轮传动装置的维修保养、传动噪声以及传动损耗等问题。其主要特征如表ｌ所示。但是，这种传动方式将增加簧下质量，所以要求牵引电机具有较轻的重量，同时还要求低速时有大的启动转矩。为克服这些问题，开始
新车新技术
万方数据
机车电传动２００７年
研究永磁同步牵引电动机在铁道车辆上的应用，主要
针对内转子结构永磁直驱电机［如图１（ａ）所示］和外
转子永磁直驱电机［如图１（ｂ）所示］以及最县优势的
与车轮一体的轮毂直驱电机［如图ｌ（ｃ）所示］进行了
研究。
表１与车轮一体的牵引电动机（直接传动方式）的特征
特点问题
不要牵引电动机安装空间
不要动力传递装置（减速齿轮等，省维修）没有动力传递装置损耗
噪声小
易实现车辆低地板化
易实现独立车轮驱动牵引电动机受到很大的冲击振动电动机转速低、质量有增大趋势
（ａ）内转子型（两轮驱动）
（ｂ）外转子型（两轮驱动）
（ｃ）外转子型（独立车轮驱动）
图１与车轮一体的牵引电动机基本结构方式
１．２与车轮一体的牵引电动机样机的试制
１．２．１ＮＥＸＴ２５０（下一代窄轨高速列车）用牵引电动机如上所述，与车轮一体化的牵引电动机有各种结构形式，为解决实际使用的问题，１９９０年日本铁道综合技术研究所开始研发用独立车轮转向架的低重心窄轨电动车辆，以实现在既有线上的２５０ｋｍ／ｈ高速窄轨电动车组ＮＥＸｒ２５０（ＮａｒｒｏｗｇａｕｇｅＥｘｐｒｅｓｓＴｒａｉｎｆｏｒ２５０ｋｍ／ｈ）（表２）并以此为前提试制了ＲＭＴｌ型与车轮一体的牵引电动机。ＲＭＴＩ型电动机采用图２（ａ）所示的安装在车轮外侧的结构，牵引电动机全长可达５５０ｍｍ，选用Ｎｄ．Ｆｅ．Ｂ系永磁材料，持续额定输出功率为８０ｋＷ，其主要参数及特点如表３所示。图３是ＲＭＴｌ型样机断面图。
一４２一
（ａ）电动机装在对应轨道外侧．即车轮外侧
抓一努匦甄圈／卜－、—芒
亍剧广－］矗豆甬Ｕ辛
㈣申．动棚．上一
（ｂ）电动机装在对应轨道内外，即在车轮内侧
（Ｃ）电动机装在对应轨道内外，即车辆两侧
（ｄ）电动机装在轮心上
图２各轮驱动方式的与车轮一体化的牵引电动机基本结构形式表２ＮＥＸＴ２５０的结构参数及特点
项目参数或特点
最高速度／ｋｍ．ｈ
转向架结构
车辆尺寸／ｍ
编组
轴重／ｋＮ
加速度／ｍ．８－２
驱动方式
轮径／ｍｍ
控制
２５０
单轴独立车轮方式的转向架
１２．５×２．８６Ｘ２．９５（长×宽Ｘ高）
１２辆车（列车长１５０ｍ）
ｌ１８
０．４４４（１．６ｋｍ／ｈ／ｓ），启动时
用与车轮一体的牵引电动机的各轮驱动
６００（新），５５０（最小）
车体倾斜控制，车轴控制，振动控制表３ＲＭＴｌ型牵引电动机样机主要参数及特点项目参数或特点
方式
型号
下作制式
极数
额定输出功率／ｋＷ
额定电压，Ｖ
额定电流／Ａ
额定频率／Ｈｚ
额定转速／ｒ．ｒａｉｎ。
冷却方式
外形尺寸／ｒａｍ
质量／ｋｇ
外转子型永磁同步电动机
ＲＭＴｌ
持续制
６
８０
６００
８２
７４
ｌ４８０
自通风＋强迫通风
直径：４００；全长５２５
２８０
万方数据
第５期王渤洪，石清伶：日本铁路机车车辆传动用永磁同步电动机的研发概况
图３ＲＭＴｌ型牵引电动机样机断面图
用其他外力驱动对ＲＭＴ１型试制样机进行了旋转试验。试验中出现了永久磁铁温度急剧上升的现象。经分析，永久磁铁温度急剧上升并非定子和转子接触产生的摩擦热，也不是定子侧的辐射热引起的，而是气隙磁密度受定子槽的影响，导致磁导率变化，气隙的磁通密度为非正弦波分布。
试制的样机由于对磁饱和考虑不充分，．磁回路的磁阻比设计值大，有助于输出功率的有效磁通（与线圈交链的永久磁铁的磁通）比设计值低，从而输出功率降低。同时，由于永久磁铁的涡流损耗，铁心齿部磁通密度过大导致铁耗增大，电动机的效率大幅度降低，未能达到期望的电动机性能。为此改进了电动机设计，用二元解析软件的周边要素方法（ＢＥＭ）分析磁路，改进磁路设计。主要是改进开口槽的形状，如果将开口槽改为半开口槽，线圈制造困难，也就是说，因为车辆牵引电动机受到很大的振动，定子线圈采用型卷线圈，其结合必须牢固可靠。为此在热设计和制造允许范围内，将定子槽采用细而深的结构，并且采用铁粉磁性槐槽尺寸由１２．５ｍｍｘ３７．０ｍｍ改为７．５ｌ姗ｘ３５．０ｍｒｎ；选定气隙长４ｍｍ，磁性楔厚５ｍｍ。改进前后的各主要参数比较如表４所示，断
面形状如图４所示。
改进后优化了磁路，
解决了输出功率不足的
问题，同时显著降低了
损耗，达到了牵引电动
机高效率的要求，可用
作铁路车辆的驱动。
表４开口槽改进前后比较
ＲＭＴｌＡ（改进前）ＲＭＴｌ（改进后）
额定值８０ｋＷ－５２０Ｖ．８６Ａ８０ｋＷ．６００Ｖ．８２ＡⅡＨ揣弼仲１２¨５ｌ一７．５．。，………、
肝‘事节
ｑ
高
气隙长／ｍｍ
磁性楔厚／ｍｍ
开口槽磁通脉动／Ｔ
定子铁心内径／ｍｍ
１．２．２耐受冲击性试验
与车轮一体的电动机在转向架中属于簧下部分，在车辆运行中会受到很大的冲击和振动，而电动机用的是易碎的永磁烧结制品，所以担心这种永磁制品能否承受车辆簧下严酷的使用环境，为此在开发第２阶段，试制了几种评价耐受冲击性能以及冷却性能的试验用电动机。表５是各种试验用电动机的主要参数。钢轨表面设置凸起的简单试验装置，对被试的电动机进行了１００万次的冲击耐久试验。试验确认有足够的强度。
１．２．３冷却方式的研究
使用永磁同步牵引电动机时，由于电动机损耗少，而且直接传动方式时转速低，自通风的风扇冷却作用不大，所以决定研发全封闭的永磁同步电动机，全封闭自冷和全封闭水冷式的电动机参数见表５。
表５冷却性能及冲击试验用牵引电动机一览表
图４ＲＭＴＩ和ＲＭＴｌＡ型电动机断面图对比
（上半部分为ＲＭＴｌ型的．下半部分为ＴＲＭｌＡ型的，转子为同一形状）２轨距可变电动车组用牵引电动机的开发
为了在轨距不同的新干线（准轨ｌ４３５ｍｌｎ）和既有线（窄轨ｌ０６７ｍｍ和１３７２ｍｉｌｌ）之间实现直通运行，以缩短运行时间和乘客无需换乘，多年来一直希望开发出轨距可变的电动车辆。要变化轨距，车轮的安装位置就必须按轨距作相应的改变（移动），但移动车轮位置的传动机构很复杂，而且受牵引电动机安装空间的限制，难以安装轮对移动机构。在此之前，全球铁路上还没有轨距可变的动力转向架。作为解决办法之一是采用与车轮一体的永磁同步电动机，它既可满足新干线要求高速和大功率的性能，又可满足既有线要求的大
万方数据
机车电传动
转矩性能。铁道综合技术研究所于１９９３年对其基本结
构进行了研究，开发和试制了轨距变换机构及其牵引
电动机。
２．１轨距可变换用牵引电动机
１９９４年对试制的ＲＭＴ７Ａ和ＲＭＴ７Ｂ型２种各轮驱动
用永磁同步牵引电动机进行耐受冲击性试验后，又试
制了进一步减轻重量的ＲＭＴｌ３和ＲＭＴｌ５型２种牵引电
动机，并在铁道综合技术研究所的轨距可变走行试验
线上进行了试验，确认了变换动作可靠性。与此同时开
发和试制了全套永磁同步牵引电动机主电路的装置。
２．１．１基本结构
基于上述成果，按确定的轨距可变列车的技术规
格（６辆车编组，全列车２４根动轴，在新干线上走行时的
最高速度为３５０ｋｍ／ｈ；在既有线上走行时为１６０ｋｍ／ｈ；
在新干线明线区段的３％激道上均衡速度在３５０ｋｍ／ｈ以
上；在既有线明线区段的２５‰坡道上的均衡速度在
１２０ｋｍ／ｈ以上）和性能设计试制了ＲＭＴＩ７型永磁同步牵
引电动机。图５是ＲＭＴｌ７型电动机断面及外观，表６是
其主要技术参数。
图５ＲＭＴＩ７型牵引电动机外观和断面结构
表６ＲＭＴｌ７牵引电动机主要技术参数
项目参数或特点
类型
相数
极数
冷却方式
额定值
额定输出功率，ｋＷ额定电压ｉＶ
额定电流ＩＡ
额定转速Ｉｒ．ｍｉｎ。额定转矩／Ｎｍ
额定频率／Ｈｚ
效率，％
质量／ｋｇ外转子式永磁同步牵引电动机
３
８
强迫通风（１８ｍ３／ｍｉｎ）
新干线既有线
持续ｌ小时
９５６０
ｌ０１０５５０
６５９６
ｌ５６０６７５
５８２８４９
１０４４５
９４８９
２７５２７５
ＲＭＴ１７型电动机的定子直接装在车轴外筒上，转子用碳素结构钢制的圆筒状框架，在圆筒框架内侧粘结了８极的Ｎｄ。Ｆｅ—Ｂ系稀土类永久磁铁，用不锈钢楔固定。为了保护其表面，安装了辅助磁极，可减少永久磁铁中的涡流损耗。由于辅助磁极为凸极结构，从而可获得磁阻转矩。牵引电动机的转子通过托架用螺栓与轮毂相连接。
２．１．２旋转位置和速度传感器的结构
用外转予结构的ＶＲ解析器来测出电动机转子的绝对位置。ＶＲ解析器的安装位置利用了轴承托架部分的空间，安装在牵引电动机的内部。将解析器检测出的位置信号进行微分，得出旋转速度。但从可靠性观点看，铁道车辆制动控制与电动机控制采用不同的独立的速度传感器，不采用装在轴端的方式，而是在车轮侧面接地装置处安装有速度传感器齿轮。
２．１．３通风冷却系统
牵引电动机采用强迫冷却方式。由于轨距变换机构动作而移动了牵引电动机的位置，并且为了确保有规定冷却风量，在车辆中央部分装了固定的风道，轮对的左右牵引电动机之间装有折皱保护罩的风道，从车体侧吸入的冷却风经中央风道分配给左右牵引电动机：冷却风经风道和铁心七的通风孔导入牵引电动机，从与车轮结合处的排风口排出。按牵引电动机小型轻量化的观点，设定冷却风量为１８ｍ３／ｍｉｎ。
２．２ＲＭＴｌ７型牵引电动性能试验
ＲＭＴｌ７型牵引电动机在试验装置上进行了单机性能的定置试验。主要试验项目有：①电阻测定；②无负荷感应电压测定；③在既有线上运行的额定性能试验；④在新干线上运行的额定特性试验；⑤逆变器驱动在既有线上小时额定值时的温升试验；⑥逆变器驱动在新干线上持续额定值时的温升试验。将设计值与试验测定值作了对比，基本上满足了设计值要求，随后将牵引电动机安装在转向架上，在试验台上进行了模拟实际走行的性能试验：试验表明牵引电动机各部分的温升值相对极限值仍有充分裕量，达到了设计要求。
１９９８年制造了３节车编组的高速耐久运行的试验列车，在日本铁路西日本公司的线路上进行走行试验后，运往美国进行了约２年的高速耐久性走行试验，牵引电动机在高于２００ｍ／ｈ速度下运行了约６０万ｋｍ：试验中和试验后对电机全部解体，未发现任何故障和损坏，只是永久磁铁附近积结了一些灰尘，但对电动机性能无任何影响。可以说将直接传动的永磁电动机用于商业运营是没有任何技术问题的。
３下—代通勤电车直接传动用牵引电动机的开发
日本大都市通勤电车由１０３系到有再生制动的２０１系和２０５系，正被成本低、重量轻的２０９系替换，作为采
万方数据
第５期王渤洪，石清伶：日本铁路机车车辆传动用永磁同步电动机的研发概况
用直接传动方式的下一代通勤电车具有低成本、省维修、低噪声、节能的优点。从１９９５年起铁道综合技术研究所与有关厂家共同开发、试制和试验这种直接传动电动机（ＤＤＭ．ＤｉｒｅｃｔＤｒｉｖｅＭｏｔｏｒｏ
３．１第１次试制
１９９５。１９９６年试制了表７所示的３种不同特征方式的即Ａ、Ｂ、Ｃ方式的直接传动方式牵引电动机，即全封闭水冷式外转子型异步电动机、全封闭自冷式外转子型永磁同步电动机和全封闭自冷式内转子型永磁同步电动机。其前提条件是设定具有现在使用的２０９系电车同等的或更好的性能。
表７第一阶段试制的牵引电动机的主要参数及特点
项目Ａ方式Ｂ方式Ｃ方式
型号ＲＭＴ８ＲＭＴ９
方式鼠笼异步电动机永磁同步电动机
构造外转子型外转子型
永久磁铁一Ｎｄ．Ｆｅ．Ｂ系
冷却方式全封闭水冷全封闭自冷
极数８８
额定值１小时ｌ小时
额定功率，ｋＷ９０１２５
额定电压，Ｖｌ０００６９０
额定电流，Ａ８１１４５
燃速／ｒ．ｍｉｎ。２４０３０５
额定频率／Ｈｚ１７２０．３
额定转矩／Ｎｍ３５８ｌ３９１４
效率，％８３９２．５
功率因数，％７８７９
滑差率，％５．８一
外径／ｍｍ５７２６０６
长度／ｍｍ９１０９１０
设计质量／ｋｇ９３４８６５
图６是第一阶段试制的３种形式的牵引电动机和轮对的外形及断面构造。
对这３种型式的电动机进行了定置试验、试验台上的运行试验以及工厂内试验线和干线上的运行试验。试验结果表明，它们基本上都达到了所设定的性能，还得到了有关电动机等的动态基本数据。
３．２第２次试制
第２次试制时除考虑了延长电动机等的维护周期以及车轮结构必须使车轮更换周期与原来的相同外，还根据第１次试制的试验结果，第２次试制时选用了在克服横向压力方面有优点的内转子型。电动机与车轴连接用缓冲橡胶弹簧和联轴节的弹性支承方式。
第２次试制以Ｅ２３１型系车辆性能参数为前提。为了对异步电动机方式、永磁同步电动机方式、同步电动机转子构造（埋入磁铁结构ＩＰＭ和表面磁铁结构ＳＰＭ）以及控制方式等进行比较评价，对３种内转子形式的电动机进行了试制和试验。它们的主要参数和特征如表８所示。
车轮
（ａ）Ａ方式：外转子型鼠笼异步电动机（水冷）
邕远垂＆垒逛书］阁嘲科ｆ～Ｆ到一（ｂ）Ｂ方式：外转子型永磁同步电动机（自冷）
（Ｃ）ｃ方式：内转子型永磁同步电动机（自冷）图６试制的直接传动用牵引电动机及轮对断面的构造表８第２次试制的牵引电动机的主要参数及特征
对第２次试制的３种牵引电动机进行了试验，尤其是在高速下的磁场削弱控制和惰行控制的试验、保护协调试验和层间短路试验。试验表明达到了设计要求，未发现特别的问题。此外，对弹性支承缓和冲击力的效果进行了模拟试验，证明弹簧刚度设定适当，可达到和Ｅ２３１系车辆大致相同的水平。其中ＩＰＭ方案，除磁铁转矩外，还可有效利用磁阻转矩。
决定各参数时，从电动机及变流器两方面进行了探讨，例如考虑系统的重量等。３种方案都把Ｖ／ｆ规定的终端速度值设定得比以往的高，照顾到了作为系统的均衡性。直接驱动的牵引电动机比以往电动机的热时
一一～ｍ
ｊ兰ｍ
ｍ三｜萎”～娜螂一Ⅲｍ一 万方数据
机车电传动
问常数欠些．昕以额定能分持续值和小时值２种。
３．３话予Ａｕ尔车辆（ＡｄｖａｎｃｅＣｏｍｍｕｔｅｒＴｒａｉｎ）
根据２次试制结果，决定选用在重量、效率和维护
等方面比异步电动机更具有优越性的永磁同步电动机
方案。为能有效利用磁阻转矩，并简化结构，转子采用
埋入式结构。一共试制了５辆编组有弹性支承的共用转
向架方式的ＡＣ系试验列车。考虑到列车动轴数减少，
更有利降低成本费用，所以该试验列车将动轴数设定
为４轴，设定的最高速度、启动加速度和常用减速度与
Ｅ２３１系车辆相同。
由于动轴减少，每台牵引电动机的功率比第２次试
制的要大。为防止体积过大，采用了改变电动机磁路
以提高效率的方法。为提高冷却性能改进了风扇结构，
电动机用直接冷却定子铁心的无机座结构，用机内循
环风道冷却机内发热的空气。为提高电机本身的散热
效果，外部设有散热片（图７）。
图７冷却结构
将Ｖ／ｆ规定的终端速度设为约８０ｋｍ／ｈ。按走行模拟
试验，设定电动机连续额定输出功率为１６０ｋＷ、额定
小时输出功率为２００ｋＷ。永磁同步电动机用１台逆变
器控制１台牵引电动机的独立控制方式，从而可提高
车辆性能冗余性。牵引电动机及逆变器主要参数如表
９）；５７示。
表９ＡＣ系试验列车牵引电动机及逆变器主要参数及特征
项目参数或特征
方式
构造
冷却方式
永久磁铁
额定功率／ｋＷ
额定转速／ｒ．ｍｉｎ转矩／Ｎｍ
额定转速时
启动时
效率，％
逆变器
控制单位
结构
方式
元件
冷却方式埋入永久磁铁式同步电动机
内转子式弹性支承
全封闭白冷
Ｎｄ．Ｆｅ．Ｂ系
１６０（持续）／２００（１小时）
３６０
４２４４
１１８００
９５
ｌ台变流器控制１台牵引电动机２个变流器柜
二电平三相电压型ＰＷＭ
ＩＧＢＴ３３００Ｖ．１２００Ａ模块
热管自然冷却
此外，使用了结构牢固的ＶＲ型解析器检测旋转角度，由调频调压电压型逆变器进行矢量控制，其控制框图如图８所示。
一４６一
图８控制方框网
对试制的电动机进行了特性试验、温升试验以及永磁同步电动机特有的削弱磁场控制和电网电压变化等控制和保护动作试验，试验中没有发现特别的问题，表明这种电动机适用于今后通勤电车和近郊电车。
４全封闭式牵引电动机的开发
由于铁道车辆牵引电动机要求体积小、输出功率大，所以通常装有通风系统以减轻电动机重量和提高电动机的功率，特别是风扇直接装在电机轴上的自通风电动机上，在日本通常用作近郊铁路车辆的牵引电动机。但冷却风中的尘埃会污染牵引电动机内部，如果不处理会堵塞通风孔．，降低冷却性能，造成电机过热，所以需定期解体牵引电动机进行清扫。另外，冷却风扇在高速运转时产生很大的噪声。如果电动机为全封闭结构，灰尘就不会侵入牵引电动机内部，也就不需要解体电动机进行清扫，同时电动机里的噪声被隔离，可望成为低噪声的牵引电动机。
４．１刚Ｔ１９型全封闭式永磁同步牵引电动机
铁道综合技术研究所从１９９８年起，开始就以窄轨通勤车辆的牵引电动机为对象，在与以前异步牵引电动机相同的安装空间内有同样的输出功率（小时额定功率２００ｋＷ）为目标，着手研究全封闭式牵引电动机。但全封闭式牵引电动机比通风冷却的牵引电动机的冷却性能差，为此必须采用发热较少的电动机，并研究新的冷却结构，以使各部分温升控制在规定极限值内。建议用高效的永磁同步电动机，因为一般情况下永磁同步电动机转子不产生损耗，效率高、产生的热量少、冷却所需的功率也少。但全封闭式牵引电动使电机整体温度升高，温升分布趋向一致，而脂润滑轴承部分的温升限值，大大低于定子线圈的，为此对轴承周围的冷却结构进行了研究，以防止轴承部分温升过高。
．ＲＭＴｌ９型全封闭永磁同步牵引电动机转子采用埋入式永久磁铁结构。采用这种结构一是在维修时没有脆性磁体断裂的危险，另一原因是限定逆变器输出电流和开路电压情况下，有效利用磁阻转矩。
永磁体按Ｖ型放置以增加产生磁阻转矩所需的磁凸极性，设有磁通挡板以增加磁凸极性，同时通过减
小隔磁桥支承重量来降低隔磁桥的离心应力。 万方数据
第５期王渤洪．石清伶：日本铁路机车车辆传动用永磁同步电动机的研发概况
ＲＭＴｌ９型全封闭式永磁同步牵引电动机主要参数如表１０所示。
表１０ＲＭＴｌ９型永磁同步牵引电动机主要参数
项目ＲＭＴｌ９型永磁同步电动机以往的异步牵引电动机
４．２ＲＭＴｌ９型电动机的冷却结构及其改进
传动侧和非传动侧轴承冷却结构注重将轴承与电动机里面的热空气隔离开来，并加快轴承向外面空气散热。非传动侧轴承冷却结构如图９左所示，在轴承周围设置圆形冷却空间，隔离电动机内的高热空气，并从外面导人空气加快散热。传动侧轴承的冷却结构如图９右所示，在电动机表面的传动侧轴承近旁安装有相对于轴的放射状散热片，电动机外的轴上安装了微型风扇，其带凹槽的小型盘直接装在轴上，伴随轴的旋转产生的冷却风加快轴承散热并把空气送往轴承架的表面；另一方面，轴承室和循环风扇之间的空间起隔热器的作用，这个空间和微型风扇的空气使轴承室处于低温状态，因而使轴承温升在规定的极限值以内。
轴承Ｂ
图９轴承冷却结构
为提高电动机表面的散热性能，需加大散热面积和向外面空气的传热率。在电动机表面有许多沿走行方向的散热片，在加大散热面的同时，利用电动机周围的走行风，加大散热面的传热率。
测试结果表明散热冷却基本达到要求，但在连续额定温升试验时，非传动侧轴承和永久磁铁的温升超过了极限，有改进的必要。另外传动侧试测点的噪声比较大，也要改进。为此采取了以下措施：
①采用鳍状螺旋管式循环风道。与改进前相比，散热面积约增大３倍，达到了降低非传动侧轴承和永久磁铁温升的目的。
②采用轴承支承部
隔热结构。虽然试制电
机在非传动侧轴承周围
设置了冷却空间，隔离
了电动机内的高热空气，
但轴承支承框架与电动
机内高热空气相连接，
支承框架温度升高，从
而使轴承温度升高。为
此轴承支承框架与电动
机内高热空气接触面安
装了耐热性高、热传导
图ｔ０轴承支承部
隔热结构
率小的发泡硅酮橡胶材料，其结构如图１０所示。
③改变微型风扇的槽数。如图１１所示，改进前微型风扇的槽数为１８，它与传动侧轴承周围的放射状散热片数相同。这个散热片与微型风扇的关系恰好与送风机等的流体机械的固定叶片和动叶片的关系相类似。一般流体机械的固定和动叶片数相同的话，噪声大，所以选用不同叶片数。微型风扇的槽数为１９，散热片数也有变动，以降低噪声。
槽数１８槽数１９
图１１改良型的微型风厨
④机内风扇小直径化。风扇直径由改造前的３８０ｍｉｌｌ改为３４０ｍｉｌｌ，降低了噪声。
⑤永久磁铁剖分并加以绝缘。为减少磁通波动而引起涡流损耗，在永磁体嵌入转子之前，加以剖分和绝缘。用磁场分析法研究了剖分方法与发热量的关系，将永磁体沿轴剖分为１４片，分别用环氧树脂漆绝缘。４．３温升试验和噪声测定
按ＪＩＳ／ＩＥＣ标准进行温升试验，验证改造后的冷却结构降低温升的效果，用正弦波电源和逆变器电源分别进行了持续额定功率和１ｈ额定功率试验。试验表明在达到规定的输出功率时，各部件的温升均在限值以内。
按ＪＩＳＥ６１０２标准的试验方法，距电动机表面１ｍ处测定了５４＂点的噪声，不仅在额定转速２５００ｒ／ｍｉｎ，而且在高速转５０００ｒ／ｍｉｎ时进行了测定。电动机在各方向的噪声比传统电动机的要低１０ｄＢ，确认电机达到了预期的降噪效果。
万方数据
在此基础上，面向都ｉ：ｌ：『近郊电车，特别增大了输出功率，开发了小时额定输出功率２７０ｋＷ，持续额定输出功率２３５ｋＷ的全封闭式牵引电动机，装在ＪＲ西日本铁路公司的既有线技术试验车上进行运行试验。试验结果证实达到了预期目的。今后将继续研究铁道车辆用全封闭式牵引电动机的实际使用问题。
５永磁同步牵引电动机在新干线高速电动车上的应用
随着新干线车辆速度的进一步提高及节能意识和环境意识的提高，考虑导入永磁同步电动机，并以３６０ｋｍ／ｈ运营速度为目标开发高速新干线试验电动车，即Ｅ９５４型高速试验电动车的永磁同步电动机及主电路系统。开发的理念是：①为实现３６０ｋｍ／ｈ运营速度的大功率化；②小型轻量化；③低噪声化；④有效利用永磁同步电动机系统的高效性能，降低寿命周期成本。
为实现３６０ｋｍ／ｈ运营速度，输出功率必须大、粘着性能必须好。图１２为设定的Ｅ９５４型电动车特性曲线，在坡度３‰的明线区段时，平衡速度为４００ｋｍ／ｈ，期望的粘着系数为期望湿润时粘着系数／．ｚ…的１．２５倍。设定Ｅ９５４对应３６０ｋｍ／ｈ运营速度的特性为９挡，对提高了性能的试验电动车的特性设定为１０挡。使用永磁同步电动机的主电路采用单轴控制，粘着性能好，应答性高，这是选用永磁同步电动方式的理由之一。此外，高速化必须抑制装置重量和加大的外形，以及降低噪声。定置试验的效率测定表明永磁同步电动机额定值时的效率高达９７％，与以往的异步屯动机相比，单台电动机效率可提高约３％。在有以往强迫通风冷却方式的牵引
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速度／ｋｍ?ｈ－
网ｌ２Ｅ９５４功率特性曲线
电动机相同或以下重量和外形时，永磁电动机可采用
自通风冷却方式，没有冷却用通风机，不仅减少了安
装空间，而且采用不等节距的微型风扇可消除正弦波
噪声，还采用了从下部排出冷却风的结构，试验证明
比以往电机的噪声要小。
通过定置试验和Ｅ９５４型高速试验电动车走行试验，
确认该型永磁同步牵引电动机达到了所希望的性能和
特性。今后将吸收可变轨距电动车组的运行经验来进
一步评价和改进这种电动机。
６结语
上述介绍了日本铁道车辆牵引电动机用永磁同步
电动机的开发和现状，以及采用永磁同步电动机的效
果等。与现在主流的异步牵引电动机相比，永磁同步
电动机具有体积小、重量轻、效率高、低成本等优点。
但另一方面，使用永磁同步电动机或其他新型电动机
是否最合适，应根据具体情况而定。此外，使用新型电
动机可能会出现以往未比现的新问题，所以应从各方
面研究永磁同步电动机，并通过试验积累来达到实际
应用的目标。
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万方数据
日本铁路机车车辆传动用永磁同步电动机的研发概况
作者：王渤洪， 石清伶， WANG Bo-hong， SHI Qing-Ling
作者单位：株洲南车时代电气股份有限公司,技术中心,湖南,株洲,412001
刊名：
机车电传动
英文刊名：ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES
年，卷(期)：2007，""(5)
被引用次数：0次
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