轨道交通用直线感应电机

发布于：2022-12-07 10:12:07 来自：电气工程/风力发电技术 [复制转发]

知识点：直线电机牵引系统

直线电机的全称是直线感应电机（Linear Induction Motor，LIM），LIM牵引系统结构简单、能耗小、造价低，在轨道交通中广泛应用。因磁路开断、初次级间隙大等特性，LIM的分析较传统电机更复杂。文章总结了轨道交通用LIM牵引系统的优点，介绍了四种主要结构和研究进展，探讨了轨道交通用LIM的一些关键技术难题。

1 直线电机驱动系统的优点

LIM牵引系统是一种轮轨支撑及导向、非黏着直接驱动的新型交通方式，近年来在低速磁浮列车、地铁、轻轨中广泛应用。LIM是由旋转感应电机（Rotating Induction Motor,RIM）沿纵向剖开，横向展平后形成。RIM的定子对应LIM的初级，转子对应次级，力矩对应推力。

和RIM驱动系统相比，LIM系统有如下优点。

整体能耗低。系统直接驱动，取消中间齿轮箱等机械传递。LIM轨道交通能耗与常规地铁相当，比轻轨省电50%左右。

转弯半径小。采用径向转向架，线路曲线半径可减少到80m（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选线灵活性，可减少建筑物的拆迁量。车辆在平面上拐弯自如，可方便地绕过城市建筑物。

爬坡能力强。列车前进靠磁力推动，钢轮仅起支撑和导向作用。具有优良的动力性能、爬坡能力，最大坡度为8％，远大于传统轮轨系统的(3-4)％，加速度最高达1.2m/s^2。因此选线时较自由，可直接穿过较陡的山坡、障碍物，也可设置较陡的高架，线路大为缩短。

隧道盾构面减小，建设成本降低。日本福冈3号线的隧道盾构面为22平方米，1、2号线传统IM的断面为41平方米，土方面积减少了47％。因此LIM地铁系统造价大为减少。

噪音小，维护简单。轮轨只起支撑作用，列车靠电磁推力前进，噪音仅有65-74dB，比轻轨低10dB以上，列车可从窗户旁通过而不影响人的休息。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。

2 交通用LIM的主要结构

交通中直线电机常见结构分4类：短初级单边LIM、短次级单边LIM、短初级双边LIM、短次级双边LIM。其中短初级是把初级放在车上，短次级是把初级放在地面上，双边是指一台电机有两个对称的初级绕组。

与短次级LIM相比，短初级LIM的优点是：1）运行耗能较小。2）功率吸收较好。3）次级可以是一块导电板，结构简单，造价低，维修方便。

单边LIM特点：1）水平安装，在横向上可自由移动，简化了车辆和轨道间的转辙问题。2）气隙控制有一定波动范围。3）反应轨热膨胀不产生任何严重问题。4）导轨垂直方向有作用力，有效利用可以抵消部分车体重量。5）简化车辆的开关配电设备，导轨结构简单，容易做到单边结构和导轨的混用。

双边LIM特点：1）垂直次级（反应轨结构）在道路交叉口和转辙点灵活性较差，活动范围小。2）电机和地面之间有适当的距离，导致反应轨的宽度大于电气性能宽度。为保证结构牢固，就必须增加反应轨厚度，导致造价增加。3）气隙大小必须严格控制，否则会影响推力，控制难度大。4）结构对称，不存在导轨垂直方向的作用力。

因此，实际交通系统多采用单边短初级LIM。

3 交通用LIM的研究进展

LIM最早出现于19世纪，主要发达国家都进行了研究。其中最具代表性的是日本的HSST、加拿大的Bombardier，均采用单边短初级LIM。

1922年，德国工程师Kamper提出了直线电机驱动模型，并在1934年获得了世界上第一项专利。1969-1975间研发了短定子LIM牵引的TR02（1971）和TR04（1974）。

日本从1962年开始LIM牵引系统研究，1975-1990年间成功研制出短定子LIM驱动的HSST系统。在20世纪90年代之前，日本在LIM牵引系统的高速领域做了很多研究，由于电机边端效应影响严重导致推力急剧下降，实际很难应用。日本最后放弃了高速领域的研究，致力于国内低速磁浮系统HSST的开发、直线地铁和轻轨的研制，目前已开始工程应用。

加拿大1975年开始非黏着直线驱动方式研究，1976年确定国内运作需求和工程评估，1980-1983年提出并生产样机， 1986年世界上第一条商业运营的直线牵引温哥华ALRT系统投入运行。经过不断探索，Bombardier直线牵引系统享誉全球。

英国铁路协会1974年在德比进行LIM驱动试验，1984年修建成连接伯明翰机场和国际博览会展区及火车站的LIM驱动铁路线。

美国1989年提出新型LIM驱动系统，1990年交通部对本国10余条线路采用直线牵引系统的可行性进行研究。近年来结合Detroit的直线系统积极开展相关研究。

法国研制出LIM驱动的U-LIM-AS系统，采用马碲型反作用轨道包围的新型电磁式支承结构，现以STAR LIM运行于城郊，车速达150km/h。

瑞士政府联合几十家公司共同开发瑞士地铁，建议修建贯通全国两条双隧道线路：日内瓦到圣加仑；巴赛尔到贝林佐纳。该系统的推进拟采用固定于隧道内直线电机驱动。

韩国现代公司正在汉城以西的永宗岛修建62km，连接汉城—大市新机场线路，同时还建议在济州岛修建180km的试验环线，均拟采用短定子LIM驱动。

中国从1970年左右开始关注LIM。1975年左右，中科院电工所开始LIM端部效应、电机设计和计算方法研究试验。浙江大学出版了国内最早直线电机译文集。1980－2002年，中科院、铁科院、浙江大学、西南交大、国防科大等单位在关注磁浮技术的同时，对低速范围的LIM技术进行了深入研究。国家发改委已把LIM轨道交通作为了国家“交通现代化关键技术”重大技术开发专项。

截至目前，直线牵引已在加拿大多伦多、美国底特律和纽约、马来西亚吉隆坡、日本东京和大阪、中国广州和北京等地的轻轨和地铁中应用。

4 直线电机的难点

直线电机的结构和直线电机驱动列车分别如图6和7所示。

为降低造价和控制方便，初级装在车厢底部转向架上，次级采用复合材料并直接铺设在轨道上。轨旁直流电源通过受流器（或受电弓）送到逆变器入端，经DC/AC变换为LIM所需的三相电源。交流电在气隙中产生行波磁场，在次级导体板中感应出涡流，涡流和气隙磁链相互作用产生水平推力驱动列车前进。

初级铁心由硅钢片叠压铸成，次级采用铝铁复合材料，有时在大坡度、进站口或出站口等路段需要更大的牵引力或制动力，可选用铜铁复合材料。为了减小横向边端效应，次级的宽度要比初级大，伸出长度c与极距成正比。通常极距与气隙之比越大，气隙中的漏磁越少，电机效率与功率因数会变大，但导致端部绕线长度增加，造价上升，同时影响基速时的滑差频率和品质因数，因此设计电机时应综合考虑性价比选用合理极距值。

LIM因纵向磁路开断、初次级间隙较大等特性，其分析研究比RIM更复杂。

LIM电磁设计方法

磁路开断结构非对称。因纵向铁心开断，三相绕组互感不等，即使在对称电压作用下也会产生非对称的电流，包括正序正向磁场，逆序反向磁场和零序脉振磁场。这种现象是LIM结构导致的，逆序和零序磁场将产生阻力，增加附加损耗，影响电机效率。

横向和纵向边端效应。气隙大、初次级宽度不等导致了横向边端效应，导致了横向磁通密度分布不均匀，次级导体板等效电阻率增加。纵向边端效应是电机运行中产生的。在LIM初级进入和离开端，气隙磁场因磁链守恒，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，使气隙有效磁场在入端削弱，出端加强，牵引力产生脉动，电机控制难度增加，牵引系数降低。情况严重时，会加剧电流不平衡，产生较大阻力。

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。

集肤效应影响。当滑差频率增加，气隙磁密透过次级导体板进入次级背板，对次级支路的漏抗和电阻产生影响。

垂直力的存在。该力由初次级线圈电流排斥力和初次级铁芯之间的吸引力合成。前者与气隙宽度成反比，与次级感应电流成正比；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，系统整体垂直力表现为吸引或排斥，有时会达到牵引力的3~5倍（单边型钢次级会更大）。它会导致牵引损耗，对控制造成较大干扰，其数学模型的建立需考虑众多非线性因数。

LIM高性能控制技术

适合动态控制的数学模型。因持续高速运行，不断受边端效应、集肤效应、温升、磁饱和度等影响，电机参数（励磁电感、次级电阻等）变化较大，给相关控制带来极大干扰（如磁链观测器的精度下降），系统动态性能变差。