磁悬浮列车用直线电机推进系统发展综述
宋 凯 宋亦旭 程树康（哈尔滨工业大学150001）
摘 要 在综述了磁悬浮列车用直线电机推进系统的发展现状基础上，分析总结了各类推进系统的特点。
叙 词 磁悬浮直线电动机综述
1 引 言
目前地面交通运输主要以公路和铁路交通为主，虽然公路与铁路的运输费用较低，但随着社会的发展，其快捷性越来越赶不上时代的步伐，丽在这两大地面运输系统中，只有在铁路运输系统中能够进一涉提高运输的快捷性。在地面运输系统中由于粘着力和其它机械上的原因，当速度大于2 50km/h时，选用旋转运动的电动机是不理想的。磁悬浮列车速度可以达到或超过5ookm/h，噪声与振动比常轨铁路车辆，****牵引力不受轮轨间粘着条件的限制，能耗量也比飞机明显减少。据文献报道，磁悬浮列车每个座位的投资是飞机的1/3。由于这些优点，从事磁悬浮列车研究的德、日专家宣称：“21世纪的理想交通工具是磁悬浮列车”、“磁悬浮列车可以取代轮轨系统的铁路列车”。
磁悬浮列车是以电力为动力能源的，因此对解决石油能源危机、保护地球环境是十分有益的。正因如此，目前世界上许多发达国家都在开发、研制高速磁悬列车。70年代以后有轨交通的重大成果就是由欧、美和日本相继开始研究和试制的常导型(EMS)和超导型(EDS)磁悬浮列车。在取得一系列研究和实验成果后，1990年日本开始建造速度为500km／h、长48. 2km的超导磁悬浮列车线路。德国则在2005年可以建成柏林与汉堡之间284km的常导型磁悬列车正式运营线路，其速度为420ktn/h。英国早在80年代中就已建成从伯明翰机场到市区的低速常导型磁悬浮列车实用线路。此外法国、美囤、加拿大等国也在这方面进行了众多项目的研制和开发。前不久，日本研制的高速磁悬浮列车，在试验阶段已创出磁悬浮列车的****速度517km/h。2磁悬浮列车用直线电机推进系统的发展及分析。
2.1直线感应电动机的发展现状及分析
1905年有两入分别建议用直线感应电动机作为火车的推进机构。一位是英国的H. Wilson[1]建议把许多初级短段嵌入轨道，在需要时就接上电源。另一位是德国的A．Zehden[2]建议把许多初级装在车上，把片状次级轨条装在轨道上，A. Zehden的想法正是目前一些国家正在进行大规模试验的几种直线电动机的先驱。这个想法之所以直到半个世纪以后才得到普遍采用，主要是因为其它形式的推进装置在速度、加速度和可靠性方面已能够满足当时的有限要求。从1995年到60年代中期，直线感应电动机的****进展是用于飞机投掷起飞装置。该种电动机的结构很像图1所示的原始的直线电动机，只是次级加长了。它利用电刷进行集流，电刷都在次级侧边的槽中运行。电动机功率达735. 499kW，逮度可达362km/h以上。一架4536kg重的喷气飞机在162m的行程内从静止状态加速到188km/h只需要4.2s。但由于建造成本太高，该系统最终被放弃了。但在50年代英国曼彻斯特大学的E．R. Laithwaite和他的同事就直线感应电动机所进行的一系列实险使人们重新恢复了对这方面的兴趣。此后在直线感应电动机用于推进和运输方面取得了相当大的进展。
直线感应电动机是由一个定子（即初级）和一个转子（即次级）组成。各方面的考察表明，若以直线电动机作为牵引之用，****把初级装在车上，让轨道本身作为次级。参考文献[8]较详细地论述了轨道设计和经济成本。参考文献[9]提出一种如图2所示的电磁双边的轨道设计方案；在参考文献[8]中提出了几种电单边而磁双边的直线电动机的选择方案，其中之一示于图3中。
基于效率和力平衡的考虑，电磁双边直线电动机是****提出来的。后来又逐渐认识到垂直反应轨的安全性以及建造和维护这样具有较强强度的反应轨是十分困难的，设计者开始转向设计单边结构的直线电动机，从而简化了轨道的建造。另外，传统的纵向磁通直线感应电动机，由于其纵向端部效应的影响，而将逐步被横向磁通式直线感应电动机所取代。端部效应会产生附加损耗和附加力，这些附加损耗和附加力是随着速度的增加而增加。高速直线感应电动机的这种附加力在低滑差区域是制动力。
用于运输育面的直线电动机基本上属于一种产生功率的电机，因此必须是高效率、大功率（或大体积）的电机。据报道，国外一公司设计制造了1837. skW的直线感应电动机，应用在速度为402km的火车上，要求电机体积大这一点对设计是很有利的，因为以大气隙和大极距工作的高效率电机是易于设计的。大气隙对直线电动机是一个不利因素。采用直线感应电动机的常导磁悬浮列车的气隙比普通感应电动机的气隙大约大10倍，故直线感应电动机的励磁电流约需相应地增大10倍，使电动机的功率因数下降到0. 5～0.6左右，从而其效率也只有0. 5～0.6左右。
综合以上分析，直线感应电动机的特点：
①具有较大的起动力矩而不需要辅助起动设备，并可实行大范围的加速和减速。
②具有较大的气隙，且其推力随着气隙的增大而减少。
③直线感应电动机的功率因数和效率都比较低。
④直线感应电动机具有端部效应，这是与旋转电动机的根本差别，其端部效应包括纵向效应和横向端部效应，特别在高速区域其端部效应特别明显，并起到减少推力的作用。
⑤工业用的直线感应电动机一般都运行在滑差率较大的区域。
⑥横向磁通式直线感应电动机由于其磁通的连续性而使其端部效应所引起损耗比纵向磁通式直线感应屯动机要少得多，因而其需要的激磁电流也较小，但这种结构的电动机却增加了初级的重量和结构的复杂性。
⑦应用直线感应电动机的磁悬浮列车需要辅助的悬浮系统。
2.2直线同步电动机的发展与分析
近几十年，直线同步电动机逐渐引起各国科学家的重视，这主要是因为异步工作方式的效率低下及同步方式运行的优点所决定的。直线同步电动机的历史可以追溯到1953年，H. Kenper为40t重的车辆设计了同步推动和悬浮系统，车辆可以运行到250km/h，此直线同步电动机系统具有80 000N的推力和百分之98的效率。直线同步电动机可以分为铁心式和空心式两类。铁心式直线同步电动机可以有多种结构型式。直流磁场的激磁方式可以是常导式的，也可以由超导体激磁绕组来激磁。虽然原理上直线同步电动机作成电枢移动式或是磁场多动式都可以，但似乎后一种型式更实用些。
最普通的直线同步电动机是凸极直线同步电动机，结构原理如图4所示，其直流激磁绕组由车上的电源供给，地面上铺设由地面电源供电的三相绕组。直线同步电动机的这种结构与直线感应电动机相比****的优点是用直流电激磁，因而提高了功率因数，而三相绕组的激磁，功率因教较低，****的缺点是三相绕组导致了轨道成本的增加。为了减少供电费用，三相绕组通常采用分段供电方式。德国和日本所建造的磁悬浮列车采用的都是这种型式的直线同步电动机。
另外几种结构型式的直线同步电动机如图5、图6、图7所示。在这几种结构中，直流激磁绕组和多相绕组都放在车上，而轨道上没有绕组。
图6为变极式直线同步电动机，其轨道导磁条左右交错地放在纵向中心线两侧，因此从铁心臂交替流过正向或反向磁通。
铁心的中心臂绕有多相绕组并与反应轨相作用而产生推力。
图6、图7是同极式直线同步电动机。图6其实是图7的一个横向磁通结构型式的变种。在这种结构中，初级的两个臂由两个直流绕组激磁，一个产生N极，一个产生S极。左臂上的多相绕组在运动时交替感受着强弱的南极磁场。左臂的多相绕组也经历着同样的北极的磁场变化形式。
图8是同极直线同步电动机的另一种结构型式——锯齿型直线同步电动机。
在直线同步电动机中，一般****是三相交流绕组不带铁心。因此产生了空心式直线同步电动机。在这种情况下，都采用超导磁体作磁场线圈。这是一种相当经济的方法，因为它使得相应的交流线圈系统具有较低的价格。它可以运行在较犬气隙情况下，因而适合于高速磁悬浮动输系统中。再则，因为在一段时间内只有l～lOkm的轨道上通电，所以功率调节设备的容量比较小，而价格比较低廉。日本的、加拿大采用的推力系统即是这种直线同步电动机。
采用超导磁体的直线同步电动机可以运行在大气隙状态下，因而适合于高速磁悬浮运输系统中。日本、加拿大都建造了这样的磁悬浮运输系统。显然冷却设备从经济和可靠性角度来看是这个运输系统的缺点，但超导技术的发展将给予这种电机以新的希望。
综合以上分析，直线同步电动机的特点：
①采用直流激磁绕组，因而具有较高的功率因数，使得激磁损耗大为减少，特别是超导磁铁的使用。
②直线同步电动机的推力与悬浮力可由同一系统提供，且对电机气隙的要求不像直线感应电动机那样严格，可运行在较大的气隙状态下，因而对轨道要求不高。
③对于常规的直线同步电动机，三相交流绕组铺在地面使得轨道价格较高，但却降低了运行车辆的重量，并取消了主动力的拾电设备。
④直线同步电动机与旋转同步电动机一样，都没有自起动能力。因此需要一个完整的控制系统使直线同步电劝机在所有的速度下都保持同步。
⑤直线同步电动机的磁路系统可以同时产生车辆的推力和悬浮力，因此可以使推力系统和悬浮系统合二为一。
⑥直线同步电动机系统的效率比直线感应电动机系统要高，可达百分之90以上，而直线感应电动机系统一般在百分之80左右。
2·3直线磁阻电动机的发展与分析
直线磁阻电动机与旋转磁阻电动机是对应的。这正像直线同步电动机与旋转同步电动机相对应一样。直线磁阻电动机也是同步电动机，但它的次级上没有激磁绕组。它的次级与旋转同步电动机的初级相似，即初级铁心上绕有一多相（或单相）绕组，而次级（移动部分）有两种普通结构型式：
①常规的直线磁阻电动机如图9所示。
②把矩形铁块嵌入非磁性材料（如混凝土）的次级分段式结构。从实用角度上看，后一种即次级分段式直线磁阻电动机更受欢迎。
直线磁阻电动机的推力是与旋转凸极同步电动机由于凸极效应而产生转矩的原理是相类似的。很明显，如果在次级感应的涡流不能产生足够的起动推力，则直线磁阻电动机是不能自起动的。因此直线磁阻电动机的加速度是不大的。直线磁阻电动机之所以引起人们的兴趣，主要是因为它可以通过实现合适的控制策略来提供满意的电机性能。这种推力系统能够产生推动力，也能产生吸引力，这两个力是垂直的，因而可以将推力系统和悬浮系统合成为一体。以上两种型式的直线磁阻电动机，通过改变磁通的流通路线，又可设计成纵向和横向磁通形式的直线磁阻电动机。
图11横向磁通式直线磁阻电动机的纵向和横向结构动机的纵向和横向截面结构图形。横向磁通式直线磁阻电动机，因为其磁通所流过的路径短，因而当磁通流过铁磁性材料时，损失的能量就很少。这样就提高了电机的效率。因为直线磁阻电动机的次级一侧没有激磁绕组，使得它的结杓简单，建造成本大为减少。
综合以上分析，直线磁阻电动机的特点：
①次级一侧无激磁绕组，因而其结构较为简单，建造费用较低。
②功率因数很低，效率比直线感应电动机要高，但比直线同步电动机要低。
③直线磁阻电动机本身即可产生推力又能产生垂直力，因此其推力系统和悬浮系统可以合为一体。
④直线磁阻电动机起动转矩很小，因此其起动能力较差。
3结语
从磁悬浮列车用直线电机推进系统的发展状况来看，以上综述的三种推进系统的进一步发展将取决于它们各自系统的综合指标的开发情况。目前直线感应电动机和直线同步电动机推进系统是正在进入实用阶段的磁悬浮列车所普遍采用的推进系统。而直线磁阻电动机推进系统，由于具有重量较轻、建造费用最少、每公里轨道所需的钢铁较少、整个系统效率较高、磁悬浮控制简单等优点，越来越受到各国科学家的重视。
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