【正文】 術(shù)的不斷發(fā)展，牽引驅(qū)動(dòng)器變得更高效，更可控，從而能更好地利用現(xiàn)有的附著力，同時(shí)降低能源消耗。永久磁鐵同步機(jī)及相關(guān)的控制電子裝置，代表了最新的牽引技術(shù)。由于質(zhì)量輕及良好的可控性，數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的小型永磁同步電機(jī)被應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車(chē)的變速器上。較大的機(jī)器使得提高鐵路牽引包整體性能成為了可能。這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)在開(kāi)始被引入各種新的機(jī)車(chē)車(chē)輛，但集成的永磁同步電機(jī)牽引包所帶來(lái)的一些重大技術(shù)挑戰(zhàn)必須克服。 用于汽車(chē)應(yīng)用的汽油和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)通常需要復(fù)雜的齒輪箱，以允許原動(dòng)機(jī)操作的最佳速度頻帶。相比之下，用于軌道牽引的電動(dòng)馬達(dá)被期望在整個(gè)速度范圍內(nèi)能夠有效和高效地運(yùn)作，使一個(gè)永久耦合的車(chē)軸和車(chē)輪，直接地或通過(guò)一個(gè)單一的比變速箱。這種機(jī)械優(yōu)雅的解決方案能帶來(lái)高度可靠的驅(qū)動(dòng)器，而這種驅(qū)動(dòng)器需要相對(duì)較少的維護(hù)。因此，牽引電機(jī)設(shè)計(jì)的第一個(gè)要求是在很寬的速度范圍內(nèi)，如從0到320公里每小時(shí)能夠提供轉(zhuǎn)矩或牽引力。 現(xiàn)代牽引系統(tǒng)對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定地運(yùn)作是必不可少的。同樣重要的是，從駕駛者的和鐵路運(yùn)營(yíng)商的角度，現(xiàn)代牽引系統(tǒng)又能在寬泛的速度范圍內(nèi)準(zhǔn)確而又平穩(wěn)地控制轉(zhuǎn)矩。良好的轉(zhuǎn)矩控制可導(dǎo)致車(chē)輪和鋼軌之間有效附著力的最佳利用，平穩(wěn)的加速度及以恒度巡航和電力剎車(chē)的能力的獲得（動(dòng)態(tài)制動(dòng)）。牽引力，動(dòng)力和速度 牽引電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩在輪軌接口處被轉(zhuǎn)換成一個(gè)線(xiàn)性力。這個(gè)力通常被稱(chēng)為作為牽引力，它會(huì)導(dǎo)致列車(chē)的加速或動(dòng)態(tài)制動(dòng)。圖1示一個(gè)典型的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的TE曲線(xiàn)，以及與之相關(guān)聯(lián)的鐵路列車(chē)或車(chē)輛的阻力曲線(xiàn)。TE曲線(xiàn)與阻力曲線(xiàn)相交于所謂的均衡速度，即理論上的最大速度。如圖1中的紅色箭頭所示：越接近這個(gè)速度，使火車(chē)加速可利用的牽引力越小。圖2所示：驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的功率和所需的推進(jìn)功率即是速度和牽引力的乘積（相互作用的結(jié)果）。 牽引電機(jī)要遵循特定的要求去設(shè)計(jì)。在整個(gè)區(qū)域1的TE曲線(xiàn)上，電機(jī)必須在零速度產(chǎn)生所需的全轉(zhuǎn)矩，并持續(xù)這一轉(zhuǎn)矩至所謂的基本速度。超過(guò)這個(gè)速度，機(jī)器在其最大輸出功率上工作，因此在區(qū)域2可見(jiàn)牽引力和速度。在區(qū)域3上??，由于機(jī)器的限制性，使?fàn)恳p少，與v178。成反比。 轉(zhuǎn)矩控制 電機(jī)在低速條件下，可以提供的理論轉(zhuǎn)矩是大于那些利用輪軌界面上有效粘附的可傳送裝置。然而，這將使電機(jī)超載，并超出通?？梢越邮艿乃剑虼?，必須避免由駕駛員或電子控制系統(tǒng)操作。 早期直流牽引驅(qū)動(dòng)器是通過(guò)使用串聯(lián)電阻調(diào)節(jié)電源電壓，并通過(guò)改變電機(jī)的組配置來(lái)控制的。如今，無(wú)論是直流換向器電動(dòng)機(jī)，還是經(jīng)典的同步、異步交流電機(jī)都是通過(guò)改變電壓或電壓和頻率電子控制的?，F(xiàn)代電力驅(qū)動(dòng)器有相對(duì)簡(jiǎn)單的算法，可以在寬泛的速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引力很好的控制。 永磁同步電機(jī)的功率控制可以很容易地在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)提供良好的性能，但其需要用復(fù)雜的算法在恒功率區(qū)內(nèi)控制機(jī)器。AC和DC電機(jī)，與永磁同步電機(jī)一樣，本質(zhì)上都依賴(lài)于相同的物理加速和制動(dòng)力矩。因此，控制策略在一定程度上相似。在所有類(lèi)型的機(jī)器中，轉(zhuǎn)矩都是通過(guò)兩個(gè)磁場(chǎng)之間的相互作用產(chǎn)生的。要產(chǎn)生扭矩，兩個(gè)磁場(chǎng)之間必須有一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娊嵌龋ɡ硐肭闆r下為90176。）。這些磁場(chǎng)產(chǎn)生于線(xiàn)圈或永久磁鐵所產(chǎn)生的電流中。 當(dāng)今的牽引應(yīng)用程序大多使用三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，然而重要的是理解不同類(lèi)型的機(jī)器中的定子和轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中的性質(zhì)和行為。 通過(guò)換向器的作用，常規(guī)的直流牽引電機(jī)的定子磁場(chǎng)的南北兩極總是定位在相同的方向上，而轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)保持在90176。（電角）。在一系列連接的機(jī)器中，定子和轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈（圖3）上有相同的電流流過(guò)，而在一個(gè)單獨(dú)勵(lì)磁機(jī)中，電樞和定子被獨(dú)立地控制（圖4）。對(duì)一個(gè)典型的三相同步機(jī)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)是通過(guò)滑環(huán)提供的電流產(chǎn)生的，磁場(chǎng)的方位是由轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈的物理位置決定的。定子磁場(chǎng)通過(guò)定子線(xiàn)圈中流動(dòng)的電流所產(chǎn)生的，并以由逆變器頻率確定的速度旋轉(zhuǎn)。隨著定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間的角度增加，產(chǎn)生更多的扭矩，但轉(zhuǎn)子和定子磁場(chǎng)的速度是相同的。角度變小，制動(dòng)變強(qiáng)。 在異步三相電機(jī)中，定子磁場(chǎng)是通過(guò)轉(zhuǎn)子籠（圖6）的旋轉(zhuǎn)所提供的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，反過(guò)來(lái)說(shuō)，即產(chǎn)生的磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)相互作用，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在驅(qū)動(dòng)方面，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是低于逆變器設(shè)置的定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度，并且在制動(dòng)方面其也是較快的。如果兩者的速度相同，則不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。這種差異可以表示為轉(zhuǎn)差頻率或百分比滑移。在永磁同步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)是由??分布在轉(zhuǎn)子的表面上或埋在轉(zhuǎn)子疊片（圖7）開(kāi)口上的磁鐵所產(chǎn)生的。后者可提供更大的機(jī)械強(qiáng)度和低得多的轉(zhuǎn)子的渦流損耗。釹鐵硼(Nd2Fe14B)是一種具有最強(qiáng)磁特性的材料。定子磁場(chǎng)是通過(guò)一種相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的三相多極線(xiàn)圈上的層疊鐵心產(chǎn)生的。 在所有的電機(jī)中，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的電壓與電源電壓（s）是相反的，即所謂的反電動(dòng)勢(shì)的電壓。其在零速時(shí)為零，但它隨速度線(xiàn)性增長(zhǎng)。因此，為保持區(qū)域1中恒定的轉(zhuǎn)矩，電源電壓必須增加。 由電機(jī)提供或吸收的轉(zhuǎn)矩被認(rèn)為是磁通和電流相互作用的結(jié)果。正如合適的電流或電機(jī)中電流流動(dòng)一樣，電功率轉(zhuǎn)換器的作用是以直流或單相交流電源電壓為條件的。許多不同類(lèi)型的轉(zhuǎn)換器是可用的，但最現(xiàn)代化的牽引系統(tǒng)使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和某種脈沖寬度調(diào)制形式。在恒定的牽引力范圍內(nèi)，施加到端子的電壓（及這種情況下感應(yīng)電機(jī)的頻率）必須隨電動(dòng)機(jī)的速度而線(xiàn)性增加，以便保持磁通和電流相互作用的產(chǎn)物（即轉(zhuǎn)矩）在一個(gè)恒定的的水平。超出基本速度，由于電力電子和機(jī)器絕緣能力的局限性，所施加的電壓不能進(jìn)一步增加。而機(jī)械、機(jī)器確可以走得更快。 因此，區(qū)域2輸入磁場(chǎng)減弱，從而降低反電動(dòng)勢(shì)的水平，或抵消永磁同步電機(jī)的影響。直流電機(jī)是通過(guò)減少流經(jīng)場(chǎng)繞組的電流（在圖3中看到的電阻RFW）實(shí)現(xiàn)的，常規(guī)的同步機(jī)則是通過(guò)減少轉(zhuǎn)子供給的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電源頻率增加，而電源電壓保持恒定時(shí)，感應(yīng)機(jī)的磁場(chǎng)削弱會(huì)自發(fā)進(jìn)行。由于永久磁鐵產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的作用，永磁同步電機(jī)弱磁是很難發(fā)生的。區(qū)域3中的磁通和電流比恒定功率區(qū)域中的磁通和電流以更大的速率減少，以避免超過(guò)機(jī)器的電力或機(jī)械限制。例如在單獨(dú)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)中，電樞電流作為速度的函數(shù)也會(huì)減少。優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：永久磁鐵的機(jī)器越來(lái)越廣泛應(yīng)用于鐵路牽引機(jī)的主要原因是相比三相異步電動(dòng)機(jī)，它們擁有非常顯著的優(yōu)勢(shì)。在80％工作范圍內(nèi)，其工作效率要高1％至2％。在相同功率等級(jí)的條件下，相比一臺(tái)特定能源只有25%的機(jī)器，其特定的電源是30％至35％以上。而異步電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子的熱量是由固有轉(zhuǎn)差功率引起的，這實(shí)際上可由PM驅(qū)動(dòng)器消除，避免了轉(zhuǎn)子冷卻的需要。通常情況下，PM機(jī)器定子完全密封，并由傳熱流體的裝置進(jìn)行冷卻，從而產(chǎn)生了潛在的更加可靠的驅(qū)動(dòng)器。永磁同步電機(jī)還允許動(dòng)態(tài)制動(dòng)下降到非常低的速度，并且理論上它應(yīng)該是能夠通過(guò)電 機(jī)械短路的定子繞組產(chǎn)生自我控制的減速器。 當(dāng)然，這些好處也并不是毫無(wú)缺憾。即使已經(jīng)制定了適當(dāng)?shù)木徑獯胧?，永磁牽引電機(jī)的使用仍存在七個(gè)主要的缺點(diǎn)。 由于四象限轉(zhuǎn)換器和機(jī)器的尺寸和成本的限制，使其在整個(gè)速度范圍內(nèi)不容許通過(guò)簡(jiǎn)單的應(yīng)急手段。相比反電動(dòng)勢(shì)，以允許所需的流過(guò)電流和足夠高的電壓供給機(jī)器以達(dá)到期望的轉(zhuǎn)矩。解決這個(gè)問(wèn)題主要通過(guò)弱磁，恒轉(zhuǎn)矩和恒功率區(qū)實(shí)現(xiàn)。由于無(wú)法調(diào)整永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)削弱要通過(guò)注入到與設(shè)定磁場(chǎng)相對(duì)抗的旋轉(zhuǎn)永久磁鐵的定子繞組的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。 在定子繞組中，這些額外的電流會(huì)導(dǎo)致銅損。在一定程度上能使由使用低損耗的永久磁鐵轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的效率增益變得無(wú)效。為了能夠控制磁場(chǎng)減弱效應(yīng)產(chǎn)生的電流，了解電子轉(zhuǎn)子的位置及1176。和2176。（視場(chǎng)角）之間的準(zhǔn)確性是必要的。176。以上。傳感器使用時(shí)，為確保有足夠的性能其完整性和可靠性必須非常高。如同開(kāi)發(fā)的Schr246。dl1，傳感器方法的使用可導(dǎo)致控制精度的減少。 磁通具有溫度依賴(lài)性，當(dāng)轉(zhuǎn)子溫度每增加10K磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)降低約1％。當(dāng)永磁同步電機(jī)運(yùn)行溫度超過(guò)200K（40176。C的溫度范圍內(nèi)的最大允許160176。C），就會(huì)有顯著的影響。因此，控制機(jī)器的電力供應(yīng)，考慮電子監(jiān)控的工作溫度這一點(diǎn)是必要的。 永磁同步電機(jī)需要自己獨(dú)立的高可靠電子電源控制器，以確保電流在合適的時(shí)刻注入。然而，越來(lái)越多的現(xiàn)代牽引系統(tǒng)使用單獨(dú)控制的電機(jī)以?xún)?yōu)化性能，這是缺乏考慮的。 即使轉(zhuǎn)子達(dá)不到310℃和370℃之間的居里溫度，如果機(jī)器在高溫下通過(guò)高強(qiáng)度電流，亦會(huì)發(fā)生不可逆退磁。潛在的更關(guān)鍵的是由于運(yùn)動(dòng)的永磁體磁場(chǎng)將繼續(xù)誘導(dǎo)定子中的高強(qiáng)度電流，故定子繞組的短路可導(dǎo)致機(jī)器的損壞。然而，退磁有助于緩解這一問(wèn)題。類(lèi)似地，無(wú)負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)列車(chē)滑行時(shí)，永久磁鐵轉(zhuǎn)子會(huì)繼續(xù)減少定子鐵芯中的感應(yīng)電流。這些渦流，加上磁滯效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致鐵損，從而降低機(jī)器的整體效率。 用于永磁同步電機(jī)的稀土永磁材料磁性強(qiáng)，但相對(duì)性的細(xì)膩。因此，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是比在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，其設(shè)計(jì)流程，必須相應(yīng)地調(diào)整。向定子繞組供給的控制也更復(fù)雜，因?yàn)槎鄠€(gè)反饋回路和信號(hào)轉(zhuǎn)換是必需的（圖8）。盡管這一清單中潛在的缺點(diǎn)可能看起來(lái)廣泛，有許多應(yīng)用場(chǎng)合的永磁同步電機(jī)的好處大大超過(guò)這些缺點(diǎn)，這使得這些機(jī)器對(duì)牽引設(shè)計(jì)師極具吸引力。較小的尺寸和較輕的重量是有利的，因?yàn)檗D(zhuǎn)向架的空間是有限的，如它是理想的驅(qū)動(dòng)器集成在未經(jīng)變速箱存根車(chē)軸。顯著的效率提高和更低的轉(zhuǎn)子損耗對(duì)性能和降低能源消耗是有益的。一個(gè)很好的例子是在本文開(kāi)頭提到的使用永磁同步電機(jī)V150的小火車(chē)。電力車(chē)上的異步電機(jī)不得不裝置在主架（ P71）上，而永磁同步電機(jī)可能被安裝在中級(jí)車(chē)對(duì)之間的鉸接轉(zhuǎn)向架，以降低傳輸系統(tǒng)的復(fù)雜性和質(zhì)量。從20世紀(jì)80年代中期起，三相異步電動(dòng)機(jī)日益普及，因此我們可以預(yù)期在未來(lái)幾年內(nèi)，永磁牽引電機(jī)以同樣的方式，會(huì)被廣泛地采用。 在編寫(xiě)本文時(shí)，作者在此要感謝醫(yī)生哈拉爾德Neudorfer和馬庫(kù)斯紐鮑爾TraktionsSYSTEME奧地利，和科林古德曼博士BCRRE提供的援助。