编者按：不久前，苏州轨道交通3号线首列搭载永磁直驱牵引系统的列车（0312号车）顺利完成型式试验的静调部分。对于这条新闻以及永磁直驱这一技术，很多朋友可能还不太了解，甚至觉得现有的技术已经非常成熟，还有没有必要发展这项新的技术？就这些问题，電子雲製櫻・令狐アルルゥ朋友今天特此来为我们进行一个分享，供大家共同探讨：
苏州轨道交通3号线首列搭载永磁直驱牵引系统列车进行试验的新闻报道（Via：苏州轨道交通）
轨道交通车辆采用永磁直驱的特点和优势相信很多人都了解，利用永磁体作为定子的牵引电机以直驱抱轴的方式安装在车轴上，不需要再安装齿轮箱及联轴节，实现了车辆轻量化的目的，还能在提高系统效率的同时降低噪声，提升乘客的舒适度。但客观来说，目前永磁直驱还算不上是一种成熟技术，且存在有很多的问题，是一个比较理想化的技术。事实上，日本也曾经多次尝试过永磁直驱技术，最终都以放弃告终。
E993系電車「ACトレイン」（图源水印）
E331系電車（图源维基百科）
軌間可変電車GCT01（图源维基百科）
那么问题来了，既然如此，我们中国轨道交通行业为什么依然还在坚持呢？这就要分析一下，促使日本放弃永磁直驱技术的继续开发有两个重要因素：1.永磁直驱技术在基于IGBT逆变模块技术基础上的历史时期中，存在着诸多技术瓶颈；
2.永磁电机使用稀土磁铁制造电机转子，而岛国稀土资源一直受制于大陆国家。
对于以上两点制约，目前已经出现了多种多样的新一代逆变技术，而稀土资源更不会动摇一个稀土资源大国的意志。某种意义上讲，我国更适合搞这项技术。
从这里，我们开始说下一个问题：永磁直驱的技术本身还有哪些特殊的技术难度和制约呢？1.必须采取“1C1M”的控制方式。即每个逆变模块只能独立控制一台电机，以此确保电机控制的精准性。如此一来，会增加逆变模块的总数，因而拉高整车的生产成本。2.电机的牵引控制在软硬件层面上都存在技术难度。由于没有经齿轮减速而直接驱动车轴，车辆的牵引性能、能耗效率等完全仰赖于电机牵引控制层面的技术水平。受制于既有IGBT逆变模块的开断频率，控制软件层面存在着难以突破的技术瓶颈。如若基于开断频率高出1~2倍的最新逆变技术——比如三菱的SiC-MOSFET、日立SiC-Hybrid、東芝IEGT逆变模块，其控制软件层面出现技术突破的可能性将会大幅提高。3.必须达成免维护设计。因为电机必须采用套轴安装，所以轮对与电机所构成的结构单元必须达成免维护设计。在这方面，永磁直驱跟内支撑方式转向架的技术要求极为类似，有着相对较高的技术门槛。但是，免维护设计是一个技术趋势，如欧洲开始逐步普及内支撑方式转向架一样，永磁直驱技术所需的免维护设计也一定可以达成。
西门子生产线上的内支撑转向架（图源西门子）
4.必须采用共轴弹性驱动方式。同样是由于套轴安装，虽然驱动装置的整体质量下降了，但相比现有技术，直接抱轴驱动的簧下质量更大，意味着比间接驱动更大的轮轨间作用力。为了有效降低轮轨间作用力，采用共轴弹性驱动方式是必要的。即，将电机转子设计成空心轴，再结合上一个共轴弹性联轴器，间接驱动车轴，从而使电机主体架悬，减小簧下质量。不过这样做也将会导致电机整体质量体积的增大，再加上自然冷却所必要的散热器设计，抱轴电机的整体轻量化方法还有待进一步探索。
西门子生产线上的内支撑转向架（图源东芝）
虽然永磁直驱的技术门槛很高，也存在着诸多的挑战，实用化之路也必然坎坷，但是不论怎么说，永磁直驱确实是未来技术的发展方向之一。一旦永磁直驱技术实现实用化，整个驱动装置将可以集成在轮对上，由此转向架的结构将进一步精简；并且得益于永磁直驱的免维护设计，转向架也将更便于维护。
那么，将来成熟的永磁直驱技术，将可以惠及哪些车辆的设计呢？首先是能显著受益于此的是一些特殊轮轨车辆：其一。现有可变轨距动车组的转向架在驱动方面，往往受制于结构复杂的可变轨距轮对，需要采用设置于轮对中央的特殊驱动方式。虽然一些新颖的设计成功避免了以往必须采取轮对中央驱动的方式，但是也逃不掉那个能同时满足轮对扭矩传递和变轨时车轮滑动需要的花键结构。这就给制造、检修和养护带来了困难。而采用左右车轮独立驱动的永磁直驱结构，将可以避免这些复杂的结构设计，给各方面提供便利。其二。登山用齿轨铁路机车的两轴转向架通常拥有三台或四台电机，其中两台用于驱动轮对，而另外的一台或两台则被用来独立驱动齿轨轮。由于传动机构复杂，占用空间大，从而常常导致轴距不得不被设计得特别长，或者不得不架高车体。众所周知，齿轨机车经常被运用于限界局促，曲线半径小的登山铁路上，而这种线路恰恰更适配体积小、轴距短的机车，这就不免产生矛盾。而如果采用永磁直驱技术，由于没有占用空间的传动机构，轴距就能大大缩短，从而更好的适应使用场景。
超长轴距的He 4/4型齿轨电力机车（图源施泰德铁路）
ED90型电力机车，可以看出为了安装牵引电机，车体被高高架起（图源维基百科）
对于普通的轮轨机车车辆，永磁直驱技术同样也是有着很广阔的应用场景和显著优势：其一。采用永磁直驱技术的动车组，其动力转向架与拖车转向架将可以做到几乎没有差别，甚至可以轻松实现动拖比的调整与动拖车之间的相互改装。即便是不考虑后期的改造可能，制造商在进行平台化车辆供应时也将变得更为简便。其二。结合电子变压器技术，未来同等功率的永磁直驱电力机车的体型将只有现在的一半，而重量也会变得无比轻盈。甚至可以出现同一平台的机车通过灵活加挂压铁，从而变成不同轴重的版本；通过修改牵引控制软件，从而兼容由重载到高速的多种运用需求。当然实现这些超乎想象的性能，很大程度上是基于SiC的电子变压器的功劳，但是永磁直驱确实可以让转向架的整体质量变小，并且适当缩短轴距；更确保了不必再设计新的传动机构，仅通过修改牵引控制软件，就足以兼顾多种运用需求的可能性。如此，或许未来永磁直驱技术还能够促成一种永磁直驱的万用机车平台，做到同一款机车，仅仅通过切换牵引控制软件，即可通吃所有运输需求的可能。
世界首台电子变压器机车Ee 933 001（图源水印）
中车大同生产的我国首台永磁直驱电力机车已开展型式试验
永磁直驱技术虽然技术难度高，但在电子电工技术全面发展的今天早已不是高不可攀。深度掌握永磁直驱技术，可让我们的机车车辆平台具备更强的泛用性，在同一平台基础上满足多种不同需求，先发制人占领某个新技术车型的新市场，突破目前高端市场难以进入的瓶颈。作者简介：@電子雲製櫻・令狐アルルゥ，铁道机车车辆新技术行业关注者。
编者后记：对于永磁直驱技术的发展和应用，业界一直有着许多不同的观点。然而就是这种观点的碰撞，成为了技术发展的原动力。事不论不清，理不辩不明，如果你有着自己的想法和观点，铁道视界将为你提供这个讲台！如有投稿，欢迎通过评论和留言与我们联系，期待大家！
编辑：吕彪
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