磁懸浮列車用直線電機(jī)推進(jìn)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(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，分析總結(jié)了各類推進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)。
敘 詞 磁懸浮直線電動(dòng)機(jī)綜述
1 引 言
目前地面交通運(yùn)輸主要以公路和鐵路交通為主，雖然公路與鐵路的運(yùn)輸費(fèi)用較低，但隨著社會(huì)的發(fā)展，其快捷性越來越趕不上時(shí)代的步伐，麗在這兩大地面運(yùn)輸系統(tǒng)中，只有在鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中能夠進(jìn)一涉提高運(yùn)輸?shù)目旖菪浴Ｔ诘孛孢\(yùn)輸系統(tǒng)中由于粘著力和其它機(jī)械上的原因，當(dāng)速度大于2 50km/h時(shí)，選用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)是不理想的。磁懸浮列車速度可以達(dá)到或超過5ookm/h，噪聲與振動(dòng)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(jī)明顯減少。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，磁懸浮列車每個(gè)座位的投資是飛機(jī)的1/3。由于這些優(yōu)點(diǎn)，從事磁懸浮列車研究的德、日專家宣稱：“21世紀(jì)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(dòng)力能源的，因此對(duì)解決石油能源危機(jī)、保護(hù)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(dá)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(shí)驗(yàn)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(yùn)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(jī)場(chǎng)到市區(qū)的低速常導(dǎo)型磁懸浮列車實(shí)用線路。此外法國、美囤、加拿大等國也在這方面進(jìn)行了眾多項(xiàng)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(yàn)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(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展及分析。
2.1直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)作為火車的推進(jìn)機(jī)構(gòu)。一位是英國的H. Wilson[1]建議把許多初級(jí)短段嵌入軌道，在需要時(shí)就接上電源。另一位是德國的A．Zehden[2]建議把許多初級(jí)裝在車上，把片狀次級(jí)軌條裝在軌道上，A. Zehden的想法正是目前一些國家正在進(jìn)行大規(guī)模試驗(yàn)的幾種直線電動(dòng)機(jī)的先驅(qū)。這個(gè)想法之所以直到半個(gè)世紀(jì)以后才得到普遍采用，主要是因?yàn)槠渌问降耐七M(jìn)裝置在速度、加速度和可靠性方面已能夠滿足當(dāng)時(shí)的有限要求。從1995年到60年代中期，直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的****進(jìn)展是用于飛機(jī)投擲起飛裝置。該種電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)很像圖1所示的原始的直線電動(dòng)機(jī)，只是次級(jí)加長了。它利用電刷進(jìn)行集流，電刷都在次級(jí)側(cè)邊的槽中運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)功率達(dá)735. 499kW，逮度可達(dá)362km/h以上。一架4536kg重的噴氣飛機(jī)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(dòng)機(jī)所進(jìn)行的一系列實(shí)險(xiǎn)使人們重新恢復(fù)了對(duì)這方面的興趣。此后在直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)用于推進(jìn)和運(yùn)輸方面取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。
 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是由一個(gè)定子（即初級(jí)）和一個(gè)轉(zhuǎn)子（即次級(jí)）組成。各方面的考察表明，若以直線電動(dòng)機(jī)作為牽引之用，****把初級(jí)裝在車上，讓軌道本身作為次級(jí)。參考文獻(xiàn)[8]較詳細(xì)地論述了軌道設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)成本。參考文獻(xiàn)[9]提出一種如圖2所示的電磁雙邊的軌道設(shè)計(jì)方案；在參考文獻(xiàn)[8]中提出了幾種電單邊而磁雙邊的直線電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)是****提出來的。后來又逐漸認(rèn)識(shí)到垂直反應(yīng)軌的安全性以及建造和維護(hù)這樣具有較強(qiáng)強(qiáng)度的反應(yīng)軌是十分困難的，設(shè)計(jì)者開始轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)單邊結(jié)構(gòu)的直線電動(dòng)機(jī)，從而簡(jiǎn)化了軌道的建造。另外，傳統(tǒng)的縱向磁通直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)所取代。端部效應(yīng)會(huì)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(dòng)機(jī)的這種附加力在低滑差區(qū)域是制動(dòng)力。
用于運(yùn)輸育面的直線電動(dòng)機(jī)基本上屬于一種產(chǎn)生功率的電機(jī)，因此必須是高效率、大功率（或大體積）的電機(jī)。據(jù)報(bào)道，國外一公司設(shè)計(jì)制造了1837. skW的直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，應(yīng)用在速度為402km的火車上，要求電機(jī)體積大這一點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)是很有利的，因?yàn)橐源髿庀逗痛髽O距工作的高效率電機(jī)是易于設(shè)計(jì)的。大氣隙對(duì)直線電動(dòng)機(jī)是一個(gè)不利因素。采用直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的常導(dǎo)磁懸浮列車的氣隙比普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙大約大10倍，故直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流約需相應(yīng)地增大10倍，使電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：
①具有較大的起動(dòng)力矩而不需要輔助起動(dòng)設(shè)備，并可實(shí)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(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率都比較低。
④直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有端部效應(yīng)，這是與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)一般都運(yùn)行在滑差率較大的區(qū)域。
⑥橫向磁通式直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)卻增加了初級(jí)的重量和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。
⑦應(yīng)用直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的磁懸浮列車需要輔助的懸浮系統(tǒng)。
2.2直線同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展與分析
近幾十年，直線同步電動(dòng)機(jī)逐漸引起各國科學(xué)家的重視，這主要是因?yàn)楫惒焦ぷ鞣绞降男实拖录巴椒绞竭\(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)所決定的。直線同步電動(dòng)機(jī)的歷史可以追溯到1953年，H. Kenper為40t重的車輛設(shè)計(jì)了同步推動(dòng)和懸浮系統(tǒng)，車輛可以運(yùn)行到250km/h，此直線同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具有80 000N的推力和百分之98的效率。直線同步電動(dòng)機(jī)可以分為鐵心式和空心式兩類。鐵心式直線同步電動(dòng)機(jī)可以有多種結(jié)構(gòu)型式。直流磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)作成電樞移動(dòng)式或是磁場(chǎng)多動(dòng)式都可以，但似乎后一種型式更實(shí)用些。
最普通的直線同步電動(dòng)機(jī)是凸極直線同步電動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)的這種結(jié)構(gòu)與直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比****的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是三相繞組導(dǎo)致了軌道成本的增加。為了減少供電費(fèi)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(dòng)機(jī)。
另外幾種結(jié)構(gòu)型式的直線同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)，其軌道導(dǎo)磁條左右交錯(cuò)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(dòng)機(jī)。圖6其實(shí)是圖7的一個(gè)橫向磁通結(jié)構(gòu)型式的變種。在這種結(jié)構(gòu)中，初級(jí)的兩個(gè)臂由兩個(gè)直流繞組激磁，一個(gè)產(chǎn)生N極，一個(gè)產(chǎn)生S極。左臂上的多相繞組在運(yùn)動(dòng)時(shí)交替感受著強(qiáng)弱的南極磁場(chǎng)。左臂的多相繞組也經(jīng)歷著同樣的北極的磁場(chǎng)變化形式。
圖8是同極直線同步電動(dòng)機(jī)的另一種結(jié)構(gòu)型式——鋸齒型直線同步電動(dòng)機(jī)。
在直線同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)。在這種情況下，都采用超導(dǎo)磁體作磁場(chǎng)線圈。這是一種相當(dāng)經(jīng)濟(jì)的方法，因?yàn)樗沟孟鄳?yīng)的交流線圈系統(tǒng)具有較低的價(jià)格。它可以運(yùn)行在較犬氣隙情況下，因而適合于高速磁懸浮動(dòng)輸系統(tǒng)中。再則，因?yàn)樵谝欢螘r(shí)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(jià)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(dòng)機(jī)。
采用超導(dǎo)磁體的直線同步電動(dòng)機(jī)可以運(yùn)行在大氣隙狀態(tài)下，因而適合于高速磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)中。日本、加拿大都建造了這樣的磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)。顯然冷卻設(shè)備從經(jīng)濟(jì)和可靠性角度來看是這個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)的缺點(diǎn)，但超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展將給予這種電機(jī)以新的希望。
綜合以上分析，直線同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：
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(dòng)機(jī)的推力與懸浮力可由同一系統(tǒng)提供，且對(duì)電機(jī)氣隙的要求不像直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)那樣嚴(yán)格，可運(yùn)行在較大的氣隙狀態(tài)下，因而對(duì)軌道要求不高。
③對(duì)于常規(guī)的直線同步電動(dòng)機(jī)，三相交流繞組鋪在地面使得軌道價(jià)格較高，但卻降低了運(yùn)行車輛的重量，并取消了主動(dòng)力的拾電設(shè)備。
④直線同步電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)同步電動(dòng)機(jī)一樣，都沒有自起動(dòng)能力。因此需要一個(gè)完整的控制系統(tǒng)使直線同步電勸機(jī)在所有的速度下都保持同步。
⑤直線同步電動(dòng)機(jī)的磁路系統(tǒng)可以同時(shí)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(dòng)機(jī)系統(tǒng)的效率比直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)要高，可達(dá)百分之90以上，而直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)一般在百分之80左右。
2·3直線磁阻電動(dòng)機(jī)的發(fā)展與分析
直線磁阻電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)磁阻電動(dòng)機(jī)是對(duì)應(yīng)的。這正像直線同步電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)同步電動(dòng)機(jī)相對(duì)應(yīng)一樣。直線磁阻電動(dòng)機(jī)也是同步電動(dòng)機(jī)，但它的次級(jí)上沒有激磁繞組。它的次級(jí)與旋轉(zhuǎn)同步電動(dòng)機(jī)的初級(jí)相似，即初級(jí)鐵心上繞有一多相（或單相）繞組，而次級(jí)（移動(dòng)部分）有兩種普通結(jié)構(gòu)型式：
①常規(guī)的直線磁阻電動(dòng)機(jī)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(jí)分段式結(jié)構(gòu)。從實(shí)用角度上看，后一種即次級(jí)分段式直線磁阻電動(dòng)機(jī)更受歡迎。
直線磁阻電動(dòng)機(jī)的推力是與旋轉(zhuǎn)凸極同步電動(dòng)機(jī)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(jí)感應(yīng)的渦流不能產(chǎn)生足夠的起動(dòng)推力，則直線磁阻電動(dòng)機(jī)是不能自起動(dòng)的。因此直線磁阻電動(dòng)機(jī)的加速度是不大的。直線磁阻電動(dòng)機(jī)之所以引起人們的興趣，主要是因?yàn)樗梢酝ㄟ^實(shí)現(xiàn)合適的控制策略來提供滿意的電機(jī)性能。這種推力系統(tǒng)能夠產(chǎn)生推動(dòng)力，也能產(chǎn)生吸引力，這兩個(gè)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(dòng)機(jī)，通過改變磁通的流通路線，又可設(shè)計(jì)成縱向和橫向磁通形式的直線磁阻電動(dòng)機(jī)。
圖11橫向磁通式直線磁阻電動(dòng)機(jī)的縱向和橫向結(jié)構(gòu)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)，因?yàn)槠浯磐ㄋ鬟^的路徑短，因而當(dāng)磁通流過鐵磁性材料時(shí)，損失的能量就很少。這樣就提高了電機(jī)的效率。因?yàn)橹本�磁阻電動(dòng)機(jī)的次級(jí)一側(cè)沒有激磁繞組，使得它的結(jié)杓簡(jiǎn)單，建造成本大為減少。
綜合以上分析，直線磁阻電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：
①次級(jí)一側(cè)無激磁繞組，因而其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，建造費(fèi)用較低。
②功率因數(shù)很低，效率比直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)要高，但比直線同步電動(dòng)機(jī)要低。
③直線磁阻電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩很小，因此其起動(dòng)能力較差。
3結(jié)語
從磁懸浮列車用直線電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r來看，以上綜述的三種推進(jìn)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展將取決于它們各自系統(tǒng)的綜合指標(biāo)的開發(fā)情況。目前直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和直線同步電動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)是正在進(jìn)入實(shí)用階段的磁懸浮列車所普遍采用的推進(jìn)系統(tǒng)。而直線磁阻電動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，由于具有重量較輕、建造費(fèi)用最少、每公里軌道所需的鋼鐵較少、整個(gè)系統(tǒng)效率較高、磁懸浮控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到各國科學(xué)家的重視。
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