轨道交通中的直线感应电机

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