磁悬浮列车的工作原理及技术经济特性

磁悬浮机车及技术经济特性

魏庆朝，冯雅薇（北京交通大学土木建筑工程

学院翃北京 100044）

施翃翃（北京城建设计研究总院

北京 100037)

摘要：直线电机已开始在磁悬浮铁路、城市轨道交通中应用。介绍了直线电机的分类、3种典型的磁悬浮铁路和直线电机驱动的轮轨交通，对上述交通方式的技术经济特征进行了对比，总结了上述交通方式的适用范围。

关键词：直线电机；磁悬浮；城市轨道交通；适用范围

The Modes and features of the Transit Systems Driven by Linear Motor

WEI Qingchao1, FENG Yawei1, SHI Hong1,2

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Beijing Jiaotong University

2. Beijing Urban Engineering Design & Research Institute.) Abstract: Linear motor has been successfully used in Meglev transit system and rapid rail transit system for years. The transit systems driven by linear motor are classified as Maglev system and wheel-rail system. The typical Maglev system includes Japanese MLX system, German TransRapid system and Japanese HSST system. The technical and economic features of these systems are compared and the suitable application fields of these systems are summarized in the paper.

Keywords: linear motor; Maglev; urban rapid rail transit; suitable application fields

1、引言

从1825年世界第一条铁路出现算起，轨道交通已有近180年的历史。特别是上个世纪中叶以来，随着科技的进步，轨道交通运输方式不仅在诸如速度、密度、重量等性能方面有了很大提高，而且轨道交通方式本身也发生了巨大的变革。快速轨道交通有地铁、轻轨、单轨等多种方式。牵引方式历经蒸汽牵引、内燃牵引、电力牵引等阶段，目前在世界范围内又发展出直线电机牵引的交通方式，包括磁悬浮铁路、直线电机轮轨交通、磁悬浮飞机等。该交通方式目前正在迅速发展，将来会成

为本世纪的主要交通方式之一。

本文介绍以直线电机作为牵引方式的新型客运交通方式，主要包括技术原理和技术经济分析，最后对我国发展轨道交通系统提出发展建议。

2. 直线电机及分类

2.1 直线电机原理

传统的轮轨接触式铁路，车辆所获得的牵引力（或称驱动力）、导向力和支承力均依靠轮轨相互作用获得，电传动内燃机车或电力机车的牵引动力来自于传统的旋转电机。直线电机交通系统不使用传统的旋转电机而使用直线电机(liner motor)来获得牵引动力。可以想象将传统的旋转电机从转子中心向一侧切开并且展直，这样旋转电机则变为直线电机。或者认为直线电机是半径无限大的旋转电机。这时定子中的旋转磁场将变为直线移动磁场，车辆将随着直线电机磁场的移动而向前运动。

2.2直线电机分类

直线电机可以根据磁场是否同步、定子长度及驱动方式等因素进行分类。

2.2.1 按直线电机定子长度划分

根据定子长度的不同，直线电机可以划分为长定子直线电机和短定子直线电机。

长定子直线电机的定子（初级线圈）设置在导轨上，其定子绕组可以在导轨上无限长地铺设，故称为“长定子”。长定子直线电机通常用在高速及超高速磁悬浮铁路中，应用在长大干线及城际铁路领域。短定子直线电机的定子设置在车辆上。由于其长度受列车长度的限制，故称为“短定子”。短定子直线电机通常用在中低速磁悬浮铁路及直线电机轮轨交通中，用在城市轨道交通领域。

2.2.2 按直线电机的磁场是否同步划分

导轨磁场与车辆磁场可以同步运行，也可以不同步运行。据此可以将直线电机划分为直线同步电机和直线感应电机两大类型。

直线同步电机LSM(Liner Synchronous Motor)一般采用长定子技术，定子线圈（初级线圈）安装在导轨上，而转子线圈（次级线圈）安装在车辆上。导轨上的转子磁场与车辆上的定子磁场同步运行，控制定子磁场的移动速度就可以准确控制列车的运行速度。高速、超高速磁悬浮铁路一般使用该种长定子直线同步电机。德国的运捷TR和日本的MLX

系统均使用这种直线同步电机。其原理见图1。

图1 长定子直线同步电机原理图

直线感应电机LIM(Liner Induction Motor) 一般采用短定子技术，与LSM正好相反，定子线圈（初级线圈）安装在车辆上，而转子部分则安装在导轨上。转子磁场与定子磁场不同步运行，故也称为直线异步电机。中低速磁悬浮铁路（如HSST）及直线电机轮轨交通一般使用该种电机。其原理见图2。

图2. 短定子直线感应电机原理图

2.2.3 按驱动方式划分

列车的运行工况（牵引、惰行、制动）及运行速度完全由定子绕组中的移动磁场控制。按照直线电机的初级线圈（定子线圈）的安设位置不同，直线电机牵引的轨道交通可以划分为导轨驱动和车辆驱动两种类型。

导轨驱动也称为路轨驱动或地面驱动，采用长定子直线同步电机LSM。直线电机的初级线圈（定子线圈）设置在导轨上，采用长定子同