碳化硅功率模块及永磁电机特征的新一代牵引系

国家对轨道交通设备节能技术发展的政策和要求，上海合愉有限公司根据行业提出的“新一代牵引系统”牵引制动，以碳化硅功率模块及永磁电机为特征的新一代牵引系统研究牵引制动在地铁车辆上的示范应用，在 SiC 变流器和永磁电机技术方面进行创新。应用在其产品异步电机上的可行性研究。

半导体功率模块的升级
现有牵引系统的牵引功率单元采用 3.3 kV/1 500 A Si IGBT，最大开关频率为 1 kHz。新一代牵引系统的牵 引功率单元采用双单元新型低电感封装的全碳化硅器 件（SiC MOSFET 和 SiC SBD），3.3 kV/800 A，最大开 关频率为 6 kHz。其优势为低损耗、高开关频率和高温度特性。

牵引控制单元和控制架构的升级
现有牵引系统采用第二代控制单元和车控 架构，控制板采用母板和子板组合结构，平板和插件采 用独立安装、分布式布置。

无速度传感器永磁电机驱动
上海合愉机电现有牵引系统采用三相 4 极异步牵引电机，自通 风冷却，绝缘耐磨轴承，额定效率为 0.92，而新一代牵 引系统采用三相 8 极永磁同步牵引电机，封闭式自通风 冷却，混合陶瓷绝缘高耐磨轴承，额定效率达 0.97。新 一代牵引系统的优势为：效率高，节能显著，功率密度 更大，输出转矩大，噪声低和维护少。采用无速度传感 器技术可进一步降低故障点数量，提高可靠性。其劣势 为：需要增加额外的电机接触器隔离保护装置。新一代牵引系统底架设备最大的变化是将外部牵引 和辅助电抗器部件集成至变流器箱体内，使箱体数量大 幅减少，因此可采用更少和更加标准化的安装接口，同 时也缩短了车辆长度方向的安装尺寸（约14.5%），有利 于优化底架设备的整体布局。

合愉电机新型永磁牵引电机研究
新型永磁牵引电机的机械安装结构与传统异步牵 引电机基本相同，可适应目前地铁车辆多种转向架的 安装要求。它既可以采用弹性橡胶关节安装方式，也 可以采用刚性安装方式。电机冷却方式为封闭式自通风 （IC411），由固定在转轴上的自带风扇冷却，冷却效果 正比于电机转速，冷却空气流过定子上的专用风道。定 子铁芯叠片采用绝缘、高导磁率硅钢片通过焊接和压接 连接，并采用新型笼形结构固定。定子绕组采用与传统 异步牵引电机一致的 C 级（200 ℃）绝缘体系；且采用 8 极连接结构和分数槽线圈连接方式，有利于缩短定子 线圈端部的长度，提高功率密度和槽转矩基波频率，减 少转矩脉动量。机座材料为球墨铸铁。电机驱动端及非驱动端轴承均采用新型的混合陶瓷 绝缘轴承，相对于常规涂层绝缘轴承，其绝缘和耐磨损 能力更高，使用寿命更长，可达到 120 万 km 以上。 永磁牵引电机转子位置的检测是电机驱动控制的关 键，常规永磁电机需要在电机上安装位置传感器。而庞 巴迪永磁电机驱动技术采用最先进的无速度传感器控制 技术，取消了位置传感器，从而减少了故障点，降低了 材料采购及维护成本。

新一 代轴控全 SiC MITRAC TC1500 牵引变流器及永磁电机 牵引系统将在能耗率、质量、尺寸、牵引可用性等方面 给客户应用带来增值。轴控设计可选择降低驱动轴数 量。除了采用永磁电机牵引外，地铁牵引采用新一代 MITRAC TC1500 轴控 SiC 变流器和异步电机的组合也 具有很好的节能效果。