摘要：本文详细介绍了国内外永磁直驱转向架的发展概况，就永磁直驱转向架的优缺点进行了详细分析，并对永磁直驱转向架的未来发展进行了展望。
关键词：我为环保做贡献永磁直驱；转向架；优缺点；展望
随着中国轨道交通的迅猛发展,对轨道车辆的动力性、经济性等性能要求不断提高，永磁直驱电机转向架因具有效率高、噪声低、体积小、质量轻等优点,可以满足轨道车辆对轻量化、小型化、绿高效等的需求,备受国内外相关科研院所及企业的青睐,在轨道交通领域具有广阔的应用前景。国外开展对永磁直驱列车的研究较早，德国、日本和法国等在上世纪90年代便开始了相关的研究，已在地铁、城轨等低速中小功率列车上实现商业化。典型代表有德国的Syntegra系列城轨列车、法国的Ixege系列低地板轻轨车辆、日本的ACtrain电动车组等。目前，永磁直驱技术大多数应用在城轨等低速领域，在中高速电力机车牵引领域尚处于研发阶段。 一、国内外永磁直驱转向架发展概述
1.德国
永磁直驱转向架在德国的动车组、机车及城轨地铁均有发展。1997～1998年，不伦瑞克技术大学和Starnbeng磁性电机公司按照ICE3的技术标准分别设计了无源转子式横向磁通永磁电动机TFSM和有源转子式PMSM两种方案，并将两种直驱电机安装到ICE3原型车上进行了线路试验，该直驱结构是德国下一代城际高速动车开发的动力系统，机车速度为（330±10％）km/h，其优点为：直驱效率提高3%，体积减小30%，节能20%无齿轮箱,噪声降低15dB，牵引电机启动牵引力达到了18.7kN。 厄尔尼诺事件
营养咨询西门子公司在BR152型机车转向架的基础上研制了非弹性和弹性悬挂方式的永磁同步电动机直接驱动转向架，并在班贝克—福希海线上进行了多次线路运行试验。其中采用非弹性悬挂驱动装置的FD64型机车最高试验速度达120km/h。永磁电机弹性悬挂直接驱动结构见图1，永磁电机悬挂于构架上，电机的转子为空心结构，通过六联杆结构弹性的与传动锥形空心轴连接，空心轴另一端同样通过法兰和六联杆结构与车轴弹性连接。牵引力通过转子传递给空心轴，再传递给法兰以及车轴轮对，不使用齿轮传动装置而实现牵引力的直接传递。牵引电机采用内部循环水冷却的封闭结构。 图1 弹性悬挂直驱装置示意图
在城轨车辆方面，西门子开发了永磁同步电机驱动转向架Syntegra，如图2。其电机为全封闭结构，内部循环水冷，额定功率150kW，效率97%。永磁体在电机转子上采用表面式安装。与相同功率和功能的感应牵引电机相比，车下噪声降低约15dB，占用空间减少约30%，总效率提高约3%。
图2 Syntegra转向架
2.法国
法国的永磁直驱系统已经进入商业运营阶段，主要用在新一代的低地板轻轨车辆的Ixege动力转向架上，采用的是轮毂电机方式的直驱技术。2014年法国阿尔斯通公司为低地板车辆 Citadis开发了120 kW全封闭永磁同步牵引电机。在此基础上，阿尔斯通公司开发了采用永磁直驱传动技术的低地板车辆转向架Ixege，于2009年8月开始交付，Citadis型轻轨车辆是Alstom在轨道交通领域里的一个非常重要产品，在欧洲地区占有相当大的市场份额，该系列轻轨已经累计销售了1500列以上，分别运行在全世界的40多个城市中。该转向架采用独立车轮结构，电机采用轮毂电机。Ixege转向架如图3所示。
图3 Ixege动力转向架
3.日本
从20世纪90年代开始，日本对直接驱动式牵引电机的研究一直未停，迄今为止已进行了多次试制。RMT系列永磁直驱电机是其直驱技术发展的核心部分。从1993年起铁道综合技术研究所（RTRI）与有关厂家共同开发、试制和试验用于通勤车的直接传动电动机（DDM-DirectDriveMotor）的开发以及全封闭永磁电机的开发。研制了RMT1、RMT3、RMT5、RMT7等系列直驱电机。其中RMT1安装于独立车轮转向架，轮毂电机型结构，电机装于车轮外侧，车轮直径600mm。该型电机与同样性能的直接驱动式异步电动机相比，减重35%、效率提高2.7%、功率因数增加20%。1999年，东日本铁路公司（JR）开始研发AC（Advanced Commuter）Train电动车组，目标是满足13年免维护的要求并降低成本及全寿命费用。研制过程中，JR前后开发了RMT8、RMT9和RMT11共3种直驱式电机，其中RMT8为外转子型结构、水冷式鼠笼异步电动机，RMT9为外转子型结构、自冷式永磁同步电机，RMT11为内转子型结构、自冷式永磁同步电机。经综合评定，RMT11永磁直驱结构被选中，定为东JR下一代通勤电动车组的驱动系统。从2002年开始搭载在103 系电动车组上进行了20万km的运行试验，取得了良好效果（图4）。五合国际
沈子钰
图4 RMT11型直驱牵引电机
4.中国
（1）中车浦镇。2017年6月，中车浦镇车辆厂设计了一款永磁直驱柔性构架转向架。采用轴悬直驱方式，空心轴（转子）通过六连杆同左右轮对相连接，传递力矩。此种驱动方式机构较多，检修复杂，且增加了簧下质量，只适用于中低速的轨道车辆。转向架如图5所示。（2）中车四方股份。2019年5月，中车四方股份研制出一款设计速度140km/h的架悬式永磁直驱转向架，详见图6。该直驱转向架创造性的采用空心轴六连杆机构驱动机构。该
机构由外空心轴、橡胶关节、连杆、内空心轴、法兰盘等部件组成。法兰盘与车轴过盈配合，固结在车轴上。内空心轴与法兰盘通过橡胶关节、连杆相连，内空心轴另一端以同样的方式与外空心轴相连。内空心轴两端的橡胶关节分别在同一平面内，所以六连杆驱动装置会有很大的扭转刚度，可以稳定而匀速地传递扭矩。外空心轴通过密齿和电机转子突出部分的密齿相连，用于传递扭矩，并用螺栓带紧。由于橡胶关节偏转刚度较小，因此六连杆驱动装置的偏转刚度很小，可以有效地使车轴和电机在垂向、纵向解耦。
图5 永磁电机直驱转向架
flanker图6 架悬式永磁直驱转向架
二、永磁直驱转向架优缺点分析
永磁直驱牵引系统，采用永磁同步电机整体地安装在轮轴上，由电机直接驱动轮轴，省去齿轮传动装置。和交流传动牵引系统相比，该系统有以下优势：（1）取消了牵引传动结构部件（齿轮箱、联轴节），降低制造成本；（2）无传动齿轮磨损、润滑油损耗、齿轮箱能耗和噪声，免维护；（3）牵引传动系统噪声低：电机全封闭、低转速、无风机 ，转矩波动低，无传动齿轮噪声。噪声降低约15dB；（4）牵引系统效率高：永磁电机效率提高、无齿轮传动能耗。总效率可提高约5%；（5）全寿命周期成本降低、绿环保：无齿轮磨
损和润滑油损耗、全封闭电机无须定期拆解清扫及维护；（6）速度平稳、过载能力强；（7）牵引传动系统结构简化、可靠性高；（8）可利用永磁同步电机的制动特性，简化基础制动系统，减小甚至取消基础制动装置。同时，该系统也会有以下缺点：省去齿轮箱使得牵引电机需要输出更大的转矩，导致其质量、体积增加，设计难度很大。高速运行时轮轨之间冲击力大，为避免簧下质量增加的不利影响，需采用直驱电机架悬方式，其工程可行性有待验证。目前仅ICE3型高速动车组进行了装车试验，全世界范围内尚未实现商业化量产。（1）轨道的振动将直接传递给牵引电机（采用刚性悬挂），使得牵引电机受到的冲击增大，导致直驱电机目前仅在低速轨道车辆领域得到商业应用；（2）永磁电机还易受外部电、磁、热和机械应力影响，长期运行存在内部温升过大和永磁体失磁风险，给电机结构设计带来了挑战。
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