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,设备冷却风机电机,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;*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;*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,轴流冷却风机电机,这可能会导致逆变装置的大型化。为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。
永磁同步电机
所谓永磁,指的是在制造电机转子时加入永磁体,中央空调冷却风机电机,使电机的性能得到进一步的提升。而所谓同步,则指的是转子的转速与定子绕组的电流频率始终保持一致。因此,通过控制电机的定子绕组输入电流频率,电动汽车的车速将较终被控制。而如何调节电流频率,则是电控部分所要解决的问题。
永磁同步电动机的特点
永磁电动机具有较高的功率/质量比,体积更小,质量更轻,比其他类型电动机的输出转矩更大,电动机的极限转速和制动性能也比较优异,因此永磁同步电动机已成为现今电动汽车应用多的电动机。但永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时,其导磁性能可能会下降,或发生退磁现象,有可能降低永磁电动机的性能。另外,稀土式永磁同步电动机要用到稀土材料,制造成本不太稳定
根据欧盟《提高高效电动机和驱动的市场份额》的研究报告显示,工业用电动机消耗电能占工业用电消费的73%。其中,欧盟工业部门中,各电动驱动系统消耗电能的比例为:泵类22%、风机16%、空压机18%、制冷压缩机7%、输送机2%、其他电机为35%,即风机、泵类及压缩机占总消耗电能的63%。数据显示,2013年我国电机保有量约21亿kW,天津冷却风机电机,总耗电约3.5万亿kWh,占全社会总用电量的64%,其中工业领域电机总用量为2.6万亿kWh,约占工业用电的75%。工业领域电机能效每提高1%,可年节约用电量260亿kWh左右。从整体上提升电机系统效率5%~8%,可实现年节电1300~2300亿kWh,相当于2~3个三峡电站的发电量。
永磁传动技术是电机系统整体能效提升的新技术,它包括有永磁涡流柔性传动节能装置、永磁电机、永磁联轴器、永磁耦合器等,是电机系统的重要组成部分。对于整体提升电机系统的安全运行、节能降耗有着积极的作用。节能减排是社会发展的永恒主题,电机及系统节能是工业节能减排的主战场,而技术创新、技术是实现节能减排、实现电机能效提升的重要手段。
根据齿轮减速电机的效率曲线特性,负载在80%~**之间时电动机效率高,运行经济。但实际应用中,多数齿轮减速电机的负载率经常在60%以下(我国齿轮减速电机拖动系统效率更低,仅为30%~40%),“大马拉小车”现象非常普遍,电能浪费高达30%,而且长期低载运行,容易造成齿轮减速电机的损坏。