磁懸浮列車用直線電機推進系統(tǒng)發(fā)展綜述
宋 凱 宋亦旭 程樹康（哈爾濱工業(yè)大學(xué)150001）
摘 要 在綜述了磁懸浮列車用直線電機推進系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，分析總結(jié)了各類推進系統(tǒng)的特點。
敘 詞 磁懸浮直線電動機綜述
1 引 言
目前地面交通運輸主要以公路和鐵路交通為主，雖然公路與鐵路的運輸費用較低，但隨著社會的發(fā)展，其快捷性越來越趕不上時代的步伐，麗在這兩大地面運輸系統(tǒng)中，只有在鐵路運輸系統(tǒng)中能夠進一涉提高運輸?shù)目旖菪�。在地面運輸系統(tǒng)中由于粘著力和其它機械上的原因，當(dāng)速度大于2 50km/h時，選用旋轉(zhuǎn)運動的電動機是不理想的。磁懸浮列車速度可以達到或超過5ookm/h，噪聲與振動比常軌鐵路車輛，****牽引力不受輪軌間粘著條件的限制，能耗量也比飛機明顯減少。據(jù)文獻報道，磁懸浮列車每個座位的投資是飛機的1/3。由于這些優(yōu)點，從事磁懸浮列車研究的德、日專家宣稱：“21世紀的理想交通工具是磁懸浮列車”、“磁懸浮列車可以取代輪軌系統(tǒng)的鐵路列車”。
磁懸浮列車是以電力為動力能源的，因此對解決石油能源危機、保護地球環(huán)境是十分有益的。正因如此，目前世界上許多發(fā)達國家都在開發(fā)、研制高速磁懸列車。70年代以后有軌交通的重大成果就是由歐、美和日本相繼開始研究和試制的常導(dǎo)型(EMS)和超導(dǎo)型(EDS)磁懸浮列車。在取得一系列研究和實驗成果后，1990年日本開始建造速度為500km／h、長48. 2km的超導(dǎo)磁懸浮列車線路。德國則在2005年可以建成柏林與漢堡之間284km的常導(dǎo)型磁懸列車正式運營線路，其速度為420ktn/h。英國早在80年代中就已建成從伯明翰機場到市區(qū)的低速常導(dǎo)型磁懸浮列車實用線路。此外法國、美囤、加拿大等國也在這方面進行了眾多項目的研制和開發(fā)。前不久，日本研制的高速磁懸浮列車，在試驗階段已創(chuàng)出磁懸浮列車的****速度517km/h。2磁懸浮列車用直線電機推進系統(tǒng)的發(fā)展及分析。
2.1直線感應(yīng)電動機的發(fā)展現(xiàn)狀及分析
1905年有兩入分別建議用直線感應(yīng)電動機作為火車的推進機構(gòu)。一位是英國的H. Wilson[1]建議把許多初級短段嵌入軌道，在需要時就接上電源。另一位是德國的A．Zehden[2]建議把許多初級裝在車上，把片狀次級軌條裝在軌道上，A. Zehden的想法正是目前一些國家正在進行大規(guī)模試驗的幾種直線電動機的先驅(qū)。這個想法之所以直到半個世紀以后才得到普遍采用，主要是因為其它形式的推進裝置在速度、加速度和可靠性方面已能夠滿足當(dāng)時的有限要求。從1995年到60年代中期，直線感應(yīng)電動機的****進展是用于飛機投擲起飛裝置。該種電動機的結(jié)構(gòu)很像圖1所示的原始的直線電動機，只是次級加長了。它利用電刷進行集流，電刷都在次級側(cè)邊的槽中運行。電動機功率達735. 499kW，逮度可達362km/h以上。一架4536kg重的噴氣飛機在162m的行程內(nèi)從靜止?fàn)顟B(tài)加速到188km/h只需要4.2s。但由于建造成本太高，該系統(tǒng)最終被放棄了。但在50年代英國曼徹斯特大學(xué)的E．R. Laithwaite和他的同事就直線感應(yīng)電動機所進行的一系列實險使人們重新恢復(fù)了對這方面的興趣。此后在直線感應(yīng)電動機用于推進和運輸方面取得了相當(dāng)大的進展。
直線感應(yīng)電動機是由一個定子（即初級）和一個轉(zhuǎn)子（即次級）組成。各方面的考察表明，若以直線電動機作為牽引之用，****把初級裝在車上，讓軌道本身作為次級。參考文獻[8]較詳細地論述了軌道設(shè)計和經(jīng)濟成本。參考文獻[9]提出一種如圖2所示的電磁雙邊的軌道設(shè)計方案；在參考文獻[8]中提出了幾種電單邊而磁雙邊的直線電動機的選擇方案，其中之一示于圖3中。
基于效率和力平衡的考慮，電磁雙邊直線電動機是****提出來的。后來又逐漸認識到垂直反應(yīng)軌的安全性以及建造和維護這樣具有較強強度的反應(yīng)軌是十分困難的，設(shè)計者開始轉(zhuǎn)向設(shè)計單邊結(jié)構(gòu)的直線電動機，從而簡化了軌道的建造。另外，傳統(tǒng)的縱向磁通直線感應(yīng)電動機，由于其縱向端部效應(yīng)的影響，而將逐步被橫向磁通式直線感應(yīng)電動機所取代。端部效應(yīng)會產(chǎn)生附加損耗和附加力，這些附加損耗和附加力是隨著速度的增加而增加。高速直線感應(yīng)電動機的這種附加力在低滑差區(qū)域是制動力。
用于運輸育面的直線電動機基本上屬于一種產(chǎn)生功率的電機，因此必須是高效率、大功率（或大體積）的電機。據(jù)報道，國外一公司設(shè)計制造了1837. skW的直線感應(yīng)電動機，應(yīng)用在速度為402km的火車上，要求電機體積大這一點對設(shè)計是很有利的，因為以大氣隙和大極距工作的高效率電機是易于設(shè)計的。大氣隙對直線電動機是一個不利因素。采用直線感應(yīng)電動機的常導(dǎo)磁懸浮列車的氣隙比普通感應(yīng)電動機的氣隙大約大10倍，故直線感應(yīng)電動機的勵磁電流約需相應(yīng)地增大10倍，使電動機的功率因數(shù)下降到0. 5～0.6左右，從而其效率也只有0. 5～0.6左右。
綜合以上分析，直線感應(yīng)電動機的特點：
①具有較大的起動力矩而不需要輔助起動設(shè)備，并可實行大范圍的加速和減速。
②具有較大的氣隙，且其推力隨著氣隙的增大而減少。
③直線感應(yīng)電動機的功率因數(shù)和效率都比較低。
④直線感應(yīng)電動機具有端部效應(yīng)，這是與旋轉(zhuǎn)電動機的根本差別，其端部效應(yīng)包括縱向效應(yīng)和橫向端部效應(yīng)，特別在高速區(qū)域其端部效應(yīng)特別明顯，并起到減少推力的作用。
⑤工業(yè)用的直線感應(yīng)電動機一般都運行在滑差率較大的區(qū)域。
⑥橫向磁通式直線感應(yīng)電動機由于其磁通的連續(xù)性而使其端部效應(yīng)所引起損耗比縱向磁通式直線感應(yīng)屯動機要少得多，因而其需要的激磁電流也較小，但這種結(jié)構(gòu)的電動機卻增加了初級的重量和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。
⑦應(yīng)用直線感應(yīng)電動機的磁懸浮列車需要輔助的懸浮系統(tǒng)。
2.2直線同步電動機的發(fā)展與分析
近幾十年，直線同步電動機逐漸引起各國科學(xué)家的重視，這主要是因為異步工作方式的效率低下及同步方式運行的優(yōu)點所決定的。直線同步電動機的歷史可以追溯到1953年，H. Kenper為40t重的車輛設(shè)計了同步推動和懸浮系統(tǒng)，車輛可以運行到250km/h，此直線同步電動機系統(tǒng)具有80 000N的推力和百分之98的效率。直線同步電動機可以分為鐵心式和空心式兩類。鐵心式直線同步電動機可以有多種結(jié)構(gòu)型式。直流磁場的激磁方式可以是常導(dǎo)式的，也可以由超導(dǎo)體激磁繞組來激磁。雖然原理上直線同步電動機作成電樞移動式或是磁場多動式都可以，但似乎后一種型式更實用些。
最普通的直線同步電動機是凸極直線同步電動機，結(jié)構(gòu)原理如圖4所示，其直流激磁繞組由車上的電源供給，地面上鋪設(shè)由地面電源供電的三相繞組。直線同步電動機的這種結(jié)構(gòu)與直線感應(yīng)電動機相比****的優(yōu)點是用直流電激磁，因而提高了功率因數(shù)，而三相繞組的激磁，功率因教較低，****的缺點是三相繞組導(dǎo)致了軌道成本的增加。為了減少供電費用，三相繞組通常采用分段供電方式。德國和日本所建造的磁懸浮列車采用的都是這種型式的直線同步電動機。
另外幾種結(jié)構(gòu)型式的直線同步電動機如圖5、圖6、圖7所示。在這幾種結(jié)構(gòu)中，直流激磁繞組和多相繞組都放在車上，而軌道上沒有繞組。
圖6為變極式直線同步電動機，其軌道導(dǎo)磁條左右交錯地放在縱向中心線兩側(cè)，因此從鐵心臂交替流過正向或反向磁通。
鐵心的中心臂繞有多相繞組并與反應(yīng)軌相作用而產(chǎn)生推力。
圖6、圖7是同極式直線同步電動機。圖6其實是圖7的一個橫向磁通結(jié)構(gòu)型式的變種。在這種結(jié)構(gòu)中，初級的兩個臂由兩個直流繞組激磁，一個產(chǎn)生N極，一個產(chǎn)生S極。左臂上的多相繞組在運動時交替感受著強弱的南極磁場。左臂的多相繞組也經(jīng)歷著同樣的北極的磁場變化形式。
圖8是同極直線同步電動機的另一種結(jié)構(gòu)型式——鋸齒型直線同步電動機。
在直線同步電動機中，一般****是三相交流繞組不帶鐵心。因此產(chǎn)生了空心式直線同步電動機。在這種情況下，都采用超導(dǎo)磁體作磁場線圈。這是一種相當(dāng)經(jīng)濟的方法，因為它使得相應(yīng)的交流線圈系統(tǒng)具有較低的價格。它可以運行在較犬氣隙情況下，因而適合于高速磁懸浮動輸系統(tǒng)中。再則，因為在一段時間內(nèi)只有l(wèi)～lOkm的軌道上通電，所以功率調(diào)節(jié)設(shè)備的容量比較小，而價格比較低廉。日本的、加拿大采用的推力系統(tǒng)即是這種直線同步電動機。
采用超導(dǎo)磁體的直線同步電動機可以運行在大氣隙狀態(tài)下，因而適合于高速磁懸浮運輸系統(tǒng)中。日本、加拿大都建造了這樣的磁懸浮運輸系統(tǒng)。顯然冷卻設(shè)備從經(jīng)濟和可靠性角度來看是這個運輸系統(tǒng)的缺點，但超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展將給予這種電機以新的希望。
綜合以上分析，直線同步電動機的特點：
①采用直流激磁繞組，因而具有較高的功率因數(shù)，使得激磁損耗大為減少，特別是超導(dǎo)磁鐵的使用。
②直線同步電動機的推力與懸浮力可由同一系統(tǒng)提供，且對電機氣隙的要求不像直線感應(yīng)電動機那樣嚴格，可運行在較大的氣隙狀態(tài)下，因而對軌道要求不高。
③對于常規(guī)的直線同步電動機，三相交流繞組鋪在地面使得軌道價格較高，但卻降低了運行車輛的重量，并取消了主動力的拾電設(shè)備。
④直線同步電動機與旋轉(zhuǎn)同步電動機一樣，都沒有自起動能力。因此需要一個完整的控制系統(tǒng)使直線同步電勸機在所有的速度下都保持同步。
⑤直線同步電動機的磁路系統(tǒng)可以同時產(chǎn)生車輛的推力和懸浮力，因此可以使推力系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)合二為一。
⑥直線同步電動機系統(tǒng)的效率比直線感應(yīng)電動機系統(tǒng)要高，可達百分之90以上，而直線感應(yīng)電動機系統(tǒng)一般在百分之80左右。
2·3直線磁阻電動機的發(fā)展與分析
直線磁阻電動機與旋轉(zhuǎn)磁阻電動機是對應(yīng)的。這正像直線同步電動機與旋轉(zhuǎn)同步電動機相對應(yīng)一樣。直線磁阻電動機也是同步電動機，但它的次級上沒有激磁繞組。它的次級與旋轉(zhuǎn)同步電動機的初級相似，即初級鐵心上繞有一多相（或單相）繞組，而次級（移動部分）有兩種普通結(jié)構(gòu)型式：
①常規(guī)的直線磁阻電動機如圖9所示。
②把矩形鐵塊嵌入非磁性材料（如混凝土）的次級分段式結(jié)構(gòu)。從實用角度上看，后一種即次級分段式直線磁阻電動機更受歡迎。
直線磁阻電動機的推力是與旋轉(zhuǎn)凸極同步電動機由于凸極效應(yīng)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的原理是相類似的。很明顯，如果在次級感應(yīng)的渦流不能產(chǎn)生足夠的起動推力，則直線磁阻電動機是不能自起動的。因此直線磁阻電動機的加速度是不大的。直線磁阻電動機之所以引起人們的興趣，主要是因為它可以通過實現(xiàn)合適的控制策略來提供滿意的電機性能。這種推力系統(tǒng)能夠產(chǎn)生推動力，也能產(chǎn)生吸引力，這兩個力是垂直的，因而可以將推力系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)合成為一體。以上兩種型式的直線磁阻電動機，通過改變磁通的流通路線，又可設(shè)計成縱向和橫向磁通形式的直線磁阻電動機。
圖11橫向磁通式直線磁阻電動機的縱向和橫向結(jié)構(gòu)動機的縱向和橫向截面結(jié)構(gòu)圖形。橫向磁通式直線磁阻電動機，因為其磁通所流過的路徑短，因而當(dāng)磁通流過鐵磁性材料時，損失的能量就很少。這樣就提高了電機的效率。因為直線磁阻電動機的次級一側(cè)沒有激磁繞組，使得它的結(jié)杓簡單，建造成本大為減少。
綜合以上分析，直線磁阻電動機的特點：
①次級一側(cè)無激磁繞組，因而其結(jié)構(gòu)較為簡單，建造費用較低。
②功率因數(shù)很低，效率比直線感應(yīng)電動機要高，但比直線同步電動機要低。
③直線磁阻電動機本身即可產(chǎn)生推力又能產(chǎn)生垂直力，因此其推力系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)可以合為一體。
④直線磁阻電動機起動轉(zhuǎn)矩很小，因此其起動能力較差。
3結(jié)語
從磁懸浮列車用直線電機推進系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r來看，以上綜述的三種推進系統(tǒng)的進一步發(fā)展將取決于它們各自系統(tǒng)的綜合指標的開發(fā)情況。目前直線感應(yīng)電動機和直線同步電動機推進系統(tǒng)是正在進入實用階段的磁懸浮列車所普遍采用的推進系統(tǒng)。而直線磁阻電動機推進系統(tǒng)，由于具有重量較輕、建造費用最少、每公里軌道所需的鋼鐵較少、整個系統(tǒng)效率較高、磁懸浮控制簡單等優(yōu)點，越來越受到各國科學(xué)家的重視。
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