鞠录峰 马继辉
中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266000
摘要:本文首先介绍了发展磁浮交通系统的必要性，深入分析了直线电机的工作原理及独特优势，进而阐述了直线感应电机、常导直线同步电机在轮轨车辆、中低速磁浮及高速磁浮中的应用。最后以直线电机应用于TR08型高速磁浮车为例，介绍其应用领域关键问题及技术。
关键词：直线电机；磁浮列车；TR08
引言:
随我国经济社会的快速发展，城镇之间的依赖关系进一步加强，城镇之间的互联互通建设作用愈发明显。鉴于目前我国轨道交通运行现状，发展更高速度等级的轨道交通运输方式已成为推动社会发展的必然选择[1]。目前，我国已掌握高速客运装备关键技术，已研制出多种型号，速度等级涵盖200kM/h~400 kM/h的各种型号的动车组产品，若需要进一步提高列车的速度等级，轮轨车辆已不再成为最佳选择方案[2]。磁浮交通系统作为一种新型轨道交通发展模式，除具有较高的运行速度外，还具有能耗低、启动快及对环境影响小等优点，具有较好的发展前景[3]。截止目前，我国的高速铁路通车里程已达到2.5万公里，“八纵八横”铁路网规划开始进入收尾阶段。未来，磁浮交通系统将会成为轨道交通系统主流发展方向。
直线电机作为磁浮列车的牵引机构，其研究已成为发展磁浮交通的关键技术之一，探讨其在轨道交通中也显得尤为重要。目前，随着社会经济的快速发展，直线电机的研发与应用显得愈发迫切。本文将介绍直线感应电机及直线同步电机在高速磁浮系统中的应用。
1直线电机的工作原理及优势分析
1.1原理
直线电机的工作原理与传统旋转电机类似，可以将其看作由旋转电机沿半径方向切开展平得来，旋转电机的定子对应于直线电机的初级，旋转电机的转子对应于直线电机的次级。较之于旋转电机气隙中的圆形旋转磁场，直线电机气隙磁场为行波磁场，旋转电机转子相对于定子产生旋转运动，而直线电机的次级则相对于直线电机的初级作直线运动。通过改变通入定子绕组电流的大小、相位及频率，可达到改变气隙磁场同步转速的目的。
1.2 优势
直线电机与传统的旋转电机驱动系统相比，直线电机驱动具有以下优势[5~6]：
（1）动力性能好。直线电机产生电磁推力直接驱动车辆运行，不再受到轮轨黏着因素限制。车辆可获得较强的启动、加速及制动能力，加速度可达1.2m/s2。尤其具有较强的爬坡能力，线路的最大坡道可达80‰。
（2）系统能耗低。直线电机驱动的轨道交通车辆取消了齿轮箱等中间传动机构，简化了系统结构，其能耗与地铁相当，用电量仅为轻轨车辆的一半。
（3）转弯半径小。车辆采用径向转向架，线路转弯半径可低至80m，使选择线路的灵活性增加，显著提高了列车的曲线通过能力。
2 直线电机在轨道交通中的应用分析
直线电机按其工作原理可分为直线感应电机及直线同步电机。其中，直线感应电机在磁浮交通系统中所对应的速度等级列车主要为中低速磁悬浮列车，而直线同步电机主要应用于高速磁浮列车。
2.1直线感应电机的应用
按照直线感应电机的初级放置在车辆或轨道上可以将其分为短初级直线感应电机及长初级直线感应电机。
短初级直线感应电机结构如图2所示。
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图2 短初级直线感应电机结构
短初级直线感应电机初级放置于车辆之上，车载牵引变流器由受电弓或者受流靴通过接触网或接触轨供电，其结构简单，制造成本低。但是较之于长初级直线感应电机其具有较低的运行效率，且运行中需要地面供电对列车接触供电，不能实现车和线路之间完全无接触运行，所以比较适合用于直线电机轮轨车辆及低速磁浮列车。2005年12月，广州地铁4号线开始试运营，该线路是我国第一条采用直线电机驱动的城市轨道交通线路。
长初级直线感应电机结构如图3所示。
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图3 长初级直线感应电机结构
长初级直线感应电机初级铺设于轨道，由地面牵引变流器供电，无需接触网或接触轨，但具有较高的建设成本。短次级置于车上，结构简单。为达到节能及高效的目的，该长初级可以分段铺设，采用分段分时的控制方式给轨道供电
2.2 直线同步电机的应用
直线同步电机根据其选用次级材料的不同可以将其分为电励磁直线同步电机及永磁直线同步电机。其中，永磁直线同步电机的励磁线圈为永磁体，具有单边励磁及结构简单等优点，但是永磁体价格昂贵，且其为永久磁性，容易吸附杂物。
TR08型磁浮列车牵引系统及悬浮系统均为长定子直线同步电机，该电机结构紧凑，具有较高的效率及功率因数。图4为长定子直线同步电机在结构图，其中，图4（a）为电机剖面图，图4（b）为电机在车辆中的示意图。
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（a）电机切面图
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（b）电机在磁浮车辆中的应用
图4 直线同步电机结构
由图4可知，长定子直线同步电机中长定子安装于轨道，其铁芯由0.5mm厚的硅钢片叠压而成，定子绕组均布于定子开口槽内部，转子（电磁铁）则安装于车上。轨道上的长定子绕组通入三相交流电后在气隙中产生“行波磁场”，该磁场切割励磁绕组线圈后产生推动列车前进的电磁转矩；而对于励磁绕组来说，其内部通入直流电后产生的磁场与定子铁芯相互作用，进而产生克服列车所受重力使其起浮的垂向力；另外，电磁铁上还设计有齿谐波发电机，发电绕组切割谐波磁场产生电能，用以对列车进行无接触供电。由上述分析可知，该直线电机可同时实现列车的悬浮、导向、牵引及发电功能。
结论
本文主要对不同类型的直线电机在磁浮系统中的应用进行介绍，重点阐述了直线电机的类型、结构及供电方式，共得出如下结论：
（1）直线电机驱动系统产生直线运动而不需要任何中间传动机构，具有动力性能好、转弯半径小、能耗低及车辆截面小的优点。
（2）短初级直线感应电机的初级部分置于列车上，次级置于轨道，其车载牵引变流器由受电弓或者受流靴通过接触网或接触轨供电，运行效率较低。长初级直线感应电机的次级部分置于列车上，初级置于轨道。由地面牵引变流器供电，无需接触网或接触轨，但具有较高的建设成本。
（3）TR08型高速磁浮列车选用的电机类型为长定子直线同步电机，其初级安装于轨道，次级安装于列车底部，具有较高的功率因数。
参考文献
[1]吕刚.直线电机在轨道交通中的应用与关键技术综述[J].中国电机工程学报,2020,40(17):5665-5675.
[2]黄书荣,徐伟,胡冬.轨道交通用直线感应电机发展状况综述[J].新型工业化,2015,5(01):15-21.
[3]赵青峰,程晓民.直线电机在城市轨道交通系统中的应用[J].现代城市轨道交通,2017(10):54-57.
[4]王利. 现代直线电机关键控制技术及其应用研究[D].浙江大学,2012.
[5] W Xu, G S Sun, Y H Li. Research on tractive characteristics of the single linear induction motor [C]. International Conference of Industry technology, 2006, 1(2): 510-516.
[6] H. Soejima. Railway Technology in Japan-Challenges and Strategies[J]. Japan Railway & Transport Review, 2003(9): 4-13