轨道交通中的直线感应电机.docx

轨道交通中的直线电机轨道交通中的直线电机摘要：近年来城市轨道交通高速发展，对缓解城市交通压力起到了重要作用。直线电机牵引系统由于结构简单、系统能耗小、造价低等优点，在轨道交通中得到越来越广泛的应用。本文简单介绍了直线电机的原理和常见种类，对直线电机在轨道交通中的应用情况作了概括。关键词：轨道交通，直线电机0 引言城市交通在城市的发展过程中愈来愈重要，甚至成为制约城市发展的瓶颈。轨道交通系统作为现代化大都市的标志之一，是城市客运的骨干系统，将引导城市空间布局的演化，在城市交通中占据突出位置。随着科技的进步，轨道交通不仅在速度、密度、重量等性能方面有了很大提高，而且牵引方式也发生了巨大的变革。直线电机牵引系统因造价低、线路适用性强、养护维修简单、噪音低等优点，在轨道交通中得到了广泛应用。1 直线电机的原理直线电机是将旋转电机的定子和转子纵向剖开并横向展平，定子在相应于转子移动的长度方向上延长，转子通过一定的方式被支承起来，并保持稳定，形成转子和定子之间的空隙。旋转电机的定子和转子分别对应于直线电机的初级和次级。在实际应用中，为了保证在整个行程初级和次级的耦合不变，一般将初级和次级制造成不同的长度。与旋转电机类似，直线电机通入三相交流电后，会在初级和次级的气隙中形成磁场，如果不考虑端部效应，这个磁场在直线方向应当是成正弦分布的，只是每个磁场是平移而不是旋转的，所以有的成为行波磁场，行波磁场与次级相互作用便产生电磁推力，这就是直线电机的工作原理。图1 直线电机原理示意图2 轨道交通中直线电机的主要形式直线电机的初级和次级分别对应着旋转电机的定子和转子。按初级和次级结构形式等的不同，轨道交通中直线电机的常见结构可以分为4类：短初级单边直线电机、短次级单边直线电机、短初级双边直线电机和短次级双边直线电机。其中短初级是将电机初级放在车上，次级放在地面上，而短次级则是把电机初级放在地面上，次级放在车上。单边是指一台电机有一个初级绕组，双边是指一台电机有两个对称的初级绕组。（a）短初级单边电机（b）短次级单边电机（c）短初级双边电机（d）短次级双边电机图2 直线电机的结构示意图短初级直线电机的初级安装在车上，和短次级直线电机相比具有一定的优势，主要体现在以下几点：1) 短初级电机功率吸收较好； 2) 短初级电机运行耗能较小；3) 短初级电机中，次级可以制作成一块导电金属板，结构简单，造价低，维修方便。在轨道交通的应用上，单边直线电机又相对双边直线电机具有优势，主要体现在以下方面：1) 单边直线电机水平安装，在横向上可以自由移动，简化了车辆和轨道间的转辙问题，而双边直线电机为垂直次级（反应轨结构），在道路交叉口和转辙点灵活性较差，活动范围较小。2) 单边电机的气隙宽度有一定波动范围，控制相对简单；而双边电机在电机运行时，两边的气隙宽度必须严格控制，以免影响推力等特性量，增加了系统控制的难度。3) 单边电机具有导轨垂直方向的作用力，如果有效利用可以抵消部分车体重量，双边电机的结构对称，不存在导轨垂直方向的作用力。因为上述原因，在实际交通系统中，大多采用单边短初级直线电机。3 直线电机驱动系统的优势和传统的旋转电机牵引系统相比，直线电机牵引系统具有以下的优势：1) 爬坡能力强直线电机牵引属于非粘着驱动，牵引系统的钢轮仅起支撑和导向作用，列车前进靠直线电机的磁力推动，系统具有优良的动力性能和爬坡能力，其线路的最大坡度可达8，远大于传统轮轨系统的(3-4)的最大坡度。系统在选线时比较自由，可以直接穿过比较陡的山坡和障碍物，也可以设置较陡的高架，线路大为缩短。2) 转弯半径小直线电机牵引系统无需减速齿轮等装置，转向架设计自由度大，系统采用径向转向架，可使得列车的转弯半径大大减小。列车的线路曲线半径可减少到80m，而传统地铁是300m。在温哥华，最小曲线半径达50m。小曲线半径大大增加了线路设计的自由度，可减少地面建筑物的拆迁量。车辆在平面上拐弯自如，可方便地绕过城市地下和地上建筑物。3) 隧道盾构面减小，建设成本降低在直线电机牵引机车中，车轮只起车体的支撑作用，轮径较小，使车辆总高度降低，整个系统小型化，减少了行走区间的断面面积。以日本福冈线为例。采用直线电机牵引的3号线（七隈线）系统隧道断面与传统旋转电机牵引的1、2 号线（空港线和箱崎线）隧道断面的比较如图4所示。结果表明，3号线的隧道盾构面为22m2，只有1、2号线的隧道断面41m2的53，土方面积减少了47。因此在地铁系统中，直线电机系统造价大为减少。4) 噪音小和维护简单由于系统的轮轨只起支撑作用，列车靠电磁推力驱动前进，也没有齿轮传动机构的啮合噪声等，所以车辆振动小，噪音低。行车噪音仅有65-74dB，比轻轨低10dB 以上。另外系统的次级放在轨道上，结构简单牢固，车轮对轨道的磨损很小，系统维护费用仅为传统轮轨的1/5，运营成本大大降低。图3 直线电机牵引系统与传统电机牵引系统爬坡能力对比图4 直线电机牵引系统与传统电机牵引系统转弯曲率图5 日本直线电机和旋转电机盾构面比较4 直线电机的研究难点直线电机的纵向磁路是开断的，初级和次级之间的间隙较大，所以它的分析和研究比旋转电机更为复杂，给直线电机的设计和控制带来了一定的难度。4.1 直线电机的设计1) 磁路开断结构非对称性。直线电机因为铁心纵向开断，使得三相绕组互感不等，即使外加对称的三相电压也会产生非对称的三相电流，非对称电流产生正序正向磁动势，逆序反向磁动势和零序脉振磁动势。逆序和零序磁动势在电机静止或运行中，将对电机产生阻力，增加电机附加损耗，进而影响电机效率。2) 横向和纵向边端效应。电机的气隙大，初次级宽度不等使得横向磁通密度分布不均匀，次级导体板等效电阻率增加，产生横向边端效应。纵向边端效应是在电机运行过程中产生的。在直线电机的初级进入和离开端，气隙磁场的磁链守恒，由楞次定律知在次级导体板中会感应出和初级端部绕组电流大小相等、方向相反的涡流。感应产生的涡流将使气隙有效磁场在入端削弱，出端加强，使其牵引力产生脉动，导致电机控制难度增加，牵引系数降低。情况严重时，会加剧三相电流不平衡和产生较大阻力。3) 初级绕组端部半填充槽。由于磁路开断后，端部绕组数为中间的一半，纵向磁通密度和电流密度发生了变化，影响电机参数和牵引特性。4) 集肤效应影响。当电机的滑差频率增加，气隙磁密透过次级导体板进入次级背板，将会对次级支路的漏抗和电阻产生影响。5) 垂直力的存在。垂直力由初次级线圈间的电流排斥力和初次级铁芯间的吸引力合成得到。前者与气隙宽度成反比，与次级感应电流大小成正比；后者受气隙主磁通影响，与励磁电流和互感等相关。受磁场储能和滑差频率等影响，系统整体垂直力可以表现为吸引或排斥，其大小有时候会达到牵引力的35倍。它会导致驱动系统的牵引损耗，对控制过程造成较大干扰。 4.2 直线电机的控制1) 动态控制的数学模型。大功率牵引直线电机在持续高速运行中不断受纵向和横向边端效应、集肤效应、温升、磁饱和度等因素影响，电机的主要参数如励磁电感、次级电阻等变化较大，给相关控制策略带来极大干扰，导致系统的动态性能变差。2) 动态牵引力。直线电机的次级导板中的涡流反应随运行速度的增加而加剧，将不断削弱电机的等效互感，严重降低电机的牵引力和驱动能力。同时车载变流器在不同工作模式下的切换也增加了牵引力的波动。3) 运行效率的提升。直线电机受磁路开端和气隙较大的影响，运行效率较低，特别是低速和轻载时更为明显。为了提高效率，减小系统能耗，需要在保证牵引能力和响应速度的前提下，进一步研究直线电机的效率优化控制策略。4 结束语直线电机应用于轨道交通具有一系列优势，对轨道交通的发展起到了重要的作用。未来我国也应该加大对直线电机牵引系统的研究，不断实现技术上的创新。参考文献：1 李颖颖, 王海琳, 赵鑫基于信号分析的异步电机故障诊断方法浅析J新型工业化, 2014, 4(2): 62-66.2 S.Abdollahi, M.Mirzayee, M.Mirsalim. Design and analysis of a double sided linear induction motor for transportation J. IEEE Transactions on Magnetics, 2015(2): 1-7.3 Q Liu, R H Zhang, Y M Du, et al. Performance comparison of control methods for high speed long primary double-sided linear induction motor. IEEE International Conference on Electrical Machines and Systems, 2014(10): 1308-1312.4 魏凯, 尚敬. 轨道交通直线感应电机驱动控制技术J. 大功率变流技术, 2014(4): 40-45.5 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(1)：15-216 D. Saha, P. Das, and S