直线电机在轨道交通系统中的应用

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直线电机在轨道交通系统中的应用郑龙(上海轨道交通设备发展有限公司， 04,∥工程师) 2 01上海 0

摘

要

介绍了直线电机的基本原理、不同的应用方式及其

在城市轨道交通中的应用情况；并就供电系统中存在的变电

叠片铁芯中，面朝下安装在轨道梁两侧的下部( 见图 12。根据电磁原理，、)列车上的悬浮磁铁与轨道梁上的叠片铁芯在磁场中产生吸引力，其结果导致列车被向上拉向轨道梁方向；通过控制这个吸引力的

所较多、能耗较高等问题，出了如何设法减少线路总阻抗、提如何回收利用迷流等初步解决方案。

关键词

直线电机，市轨道交通，电系统城供U 2 1 T 39 4 3; M 5,

大小，可使列车保持在一定的悬浮位置。列车上的导向磁铁确保列车始终沿轨道梁方向排列。

中图分类号

Ap l a in o n a o o b n M a sTr n i p i t fLi e r M t r i Ur a s a st c o n

Z e gL n hn o g Abta t W i n ito u t no h rn il n p la in src t a rd ci ft epicpea da pi t h n o c o o n a tri h n h iMa lvDe o sr t nLiea du— fl ermoo S a g a ge m n tai n r i n o n

bn masta s。t i pp rdsu sst epo l so c le n a S rn i hs a e icse h rbe c ut d i t mtep we u py ssea a d te p emiay s lt n frd - h o rs p l y t, n h rl n r oui o e n i o cesn h n eia c n eli n h ta u rn . raig tel er s n ea drcamigt esryc ret i s t Ke r s l e rmoo, u b n n ywod i a tr ra 煅 ns se a yt n

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图 1同步长定子直线电机原理示意图

直线电机如同将旋转电机的转子与定子展开成直线形状，相当予把一个旋转电机沿旋转方向切开后平铺而成，在理论上，可以把它看成具有无限大半径的传统的旋转电机。直线电机的驱动根据定子、 转子安装的位置可分为两种应用方式：一种为长定子直线电机，定子安装在轨道上，转子安装在车辆上；另一种为短定子直线电机，转子安装在轨道上， 定子安装在车辆上。图 2车上与轨道上元件的横截面图

1直线电机在磁浮项目中的应用上海磁浮示范运营线是一种长定子同步直线电 机系统。其轨道梁上装有直线电机的定子线圈，与车辆上的转子线圈一起构成同步直线电机。同 1 J步电机的转子安装在列车悬浮架的下部，磁铁及线圈面朝上水平排列。这些磁铁同时产生列车的悬浮磁场(因此也称为悬浮磁铁或支撑磁铁)。同步电机的定子是集成在轨道梁上的，三相线圈嵌在平铺的

列车沿轨道方向的移动是通过牵引系统把电压、频率、位可变的三相电能输送到定子线圈中，相

产生一个频率、相位、强度均可变的平移磁场；该磁场吸引或排斥列车上的转子产生位移。 列车的速度取决于通人定子线圈中的三相电流的频率_和电机的极距 r:厂。V= 2 p

在上海磁浮示范运营线中，。 .5则列 r=0 2 8m,

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车运行一个周期 (个齿槽)六的距离为 2 .1 r=0 56m o

向两侧的定子段供电。当列车即将进入定子段S n TS+1时，频器 3的电流减小为零 (变频器也变该

对列车产生的牵引力为：F= ma= C f。

向S S十 T n 2供电)向该定子段供电的接触器断开，,向 S S+l电的接触器闭合， Tn供变频器 2的电流开

式中：盘为加速度；为电机常数； C,为产生牵引 力的定子电流分量。 在实际计算变频器应该输出的牵引力时，还要考虑到各种阻力因素，空气阻力、如线性发电机阻力、轨道侧壁导向面上涡流效应产生的阻力以及上下坡的

阻力等。 要保证牵引力是沿要求的方向作用于列车，则必须实时知道列车的位置，然后产生正确的平移磁

始增加。当列车离开 S S时， S S供电的变频 Tn向 Tn器1的电流减小为零， S S供电的接触器断开。向 Tn 此过程交替反复，向定子段馈电。

三步法的优点是在定子换段时牵引力仍是 10乘客的舒适度良好； 0%,缺点是要使用三套变频器资源和三套馈电电缆系统，资源消耗大。其实在上海磁浮示范运营线中，了使列车在短短 3 m为 0k的路途上能够加速到 40k h的运行速度， 3 m/必须提供足够大的牵引力，因此在正线区段上使用的是六套变频器通过馈电电缆对定子段进行双端供电。

场，这样才能保证列车的正确运行方向。 上海的磁浮列车与轨道两侧的定子构成了两套长定子同步直线电动机。轨道两侧的这两套长定子并不是由两套完整的三相定子线圈叠绕而成的， 因为那样会随着定子线圈的增长及线圈中阻抗的增大，使得变频器输出电压在定子线圈中的压降越来越大。为此，长定子分别采用两步法和三步法进对行了分段，使得牵引系统的牵引电能只送到有列车运行的定子段上。

2直线电机在城市轨道交通系统中的应用城市轨道交通中采用的是短定子直线电机系统。地铁中的直线电机车辆是由固定在转向架上的一

次线圈通过交流电流产生移动磁场(行波磁场 ),

并通过相互作用使固定在整体道床上二次感应板 (展开的转子)产生磁场，通过磁力(吸引，排斥)实现车辆的运行和制动。直线感应电机的工作原理与旋转感应电机的一样，在此不作赘述。 考虑到边端效应，直线感应电机的等值电路如图 4所示。

1两步法 )两步法采用两组变频器向定子段馈电。如图 3变频器 1 S S,向 T n一侧馈电，变频器 2向 S S十 Tn 1一侧馈电。当列车运行在 S n和 S S TS T n+1之间时，变频器 1和变频器 2同时提供列车的牵引力。当列车运行到 S n和 S S TS T n十2中问时，频器 l变

的电流减小到零， S S供电的接触器断开， 向 Tn向 rn 2 S十供电的接触器闭合，变频器 l电流又开的始增加。同样的过程发生在由变频器 2供电的S S十1 S n4 T n和 TS -3之间。 -

两步法的优点是使用两套变频器资源和两

套馈电电缆系统，资源消耗小；缺点是在定子段换段时牵

引力只有 5%, 0会使乘客的舒适度下降。

图 4直线感应电机的等值电路

对直线感应电机进行控制时，了抑制垂直力为

对系统的影响，根据其结构参数确定转差频率并进行恒转差频率控制。在不同的速度运行范围内分别图 3长定子段的划分

2 )三步法

确定初级(定子 )电压与频率的关系，以使直线感应电机以恒力起动，常工作在恒功率区。为改善动正态性能，可以考虑根据给定转差频率、给定牵引力、

三步法采用三组变频器向定子段馈电，增加了一

组变频器 3可向两侧的定子段馈电。如图 3当，

列车在 S S T n区段时，由变频器 1和变频器 3分别

反馈速度通过计算得到初级电流，与实际初级电流通过 P ( I比例积分)调节器后再得到初级电压l, 2以 J

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滞 .潼此进行实时控制。

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广州地铁 4号线变电所也多达 3多个， 0这势必要增加土建和机电设备的投资成本。 在磁浮系统中，= P U0 +,R。其中：,为【 0供电线路出口电压；,为列车的感应电势；为通【P J『过敷设在轨道梁上的长定子电流；为整个馈电回 R

在建中的广州地铁 4号线是国内第一条采用直线电机驱动的城市轨道交通工程。该线直线电机牵引的电压输入是直流 7 0V,定电流 2 0A,率 5额 0频范围为一7~+7 。 0 0Hz

该牵引方式的优点在于：电气制动与电磁驱①动轮轨制动联合作用，能保证在各种条件下都有较

路的线路阻抗，包括出线电缆、弯制的长定子电缆、接头等各部分的阻抗。

短的制动距离，有利于采用小编组、高密度、无人驾驶系统，从而降低工程投资；车辆结构简单，②重量轻，有利于减小车辆的投资；采用非粘着驱动方③式，有较强的爬坡能力，有利于选线设计并可减小列车运行时的振动；车辆采用径向转向架减小了轮④轨的噪声，并允许线路采用小曲线半径；径向转⑤向架可使车辆的轮廓尺寸减小，使地铁隧道的直径减小，而更加经济。因

在出口电压不变的前提下，为了保证足够的列 车感应电势以驱动列车，只有缩小供电距离来减小线路的

阻抗或减少输出电流。因此，为了减少变电所的个数，必须设法减小线路的总阻抗。可以采用材质较好、内阻较小的动力电缆，合理安排变电所的

布局和轨道梁线路的相对位置，使线缆的长度尽可能短；还应探索研制轨道梁上长定子线圈的绕制方法和线圈形状，以达到减小线路阻抗的目的；另外在

3直线电机两种应用方式的比较1直线电机在定子 ( )一次侧 )内通入交流电流， 感应到转子二次侧，产生移动磁场，依靠磁力的吸引

敷设、安装电缆时，也应考虑电缆的走向及间距等因素，以减小线缆的发热。 对于城市轨道交通系统，也可以考虑从减小供电线路阻抗的角度来采取一些措施。另外，广州地铁 4号线拟采用直线电机的牵引电压是直流 70 5 V,而将电压等级提升为常规轮轨系统常用的直流 1 0 0V也不失为一种有益的尝试。 5 2 )由于直线电机很难将定子与转子的空隙做成旋转式电机那么小，且旋转式是无限循环的。而直线电机是有端头的。为此，直线电机的漏泄磁通多， 电气与机械的能量转换效率低，如果要得到相同的 输出，逆变器的容量需要比旋转式大I。直线电机 3 J每吨公里比旋转电机要多消耗 2%能量， O因此如何通过其他技术措施来补偿直线电机的能耗是个很有意义的研究课题。就笔者目前不成熟的看法，应加强电力电子元件 I B绝缘栅门极晶闸管 ) G T(的改进；再生制动产生的能量可采用类似牵引变电所内 的汇流排对迷流加以回收利用的方式来进行改进。

或排斥来牵引驱动车体。所不同的是，上海磁浮示范运营线中，定子沿轨道梁铺设，转子在车体上；而在城市轨道交通系统中。恰恰相反，子在车辆上，定 转子在轨道上。这对磁浮系统来说，直线电机的维护工作主要集中在线路上；而城市轨道交通系统的

直线电机维护工作主要集中在车辆本身。由于直线电机主要部件大都是采用模块化设计，因此具有维护量小和易维护的特点。

2低噪声是采用直线电机无粘着驱动的必然 )结果。对城市轨道交通系统来说，其降噪效果较为明显；而对磁浮系统。虑到高速时空气阻力的因考 素，降噪效果就要差些。

3磁浮系统采用变频调速， )频率调整范围在 0~

20 z 7之间。对城市轨道交通系统， H工频就能满

足列车的牵引驱动要求，但应更多地

考虑在隧道中 开放的直线电机磁场，特别由于漏泄磁通的存在，对无线通信系统可能产生的影响。

参考文献[]吴样明. 1磁浮——2世纪的新型交通[]城市轨道交通研究， 1 J.2 0 ( )3 046:.

4供电系统存在的问题及解决措施1采用直线电机时， )系统中变电所的个数比之同样运行里程的常规轮轨系统要多。如：0k的 3 m 磁浮线路轨旁开关站的个数多达 5 O多个，规划中的

[]刘洪 . 2直线感应电机的转差频率控制仿真研究[]变频器世 J.界，0 4 8:2 20 ()1.

[]俞展猷 . 3直线电机在城市轨道交通系统中的应用[]中国铁 J.路。0 3 4:6 2 0 ( )4 .

(收稿日期：0 5 3 8 2 0一o—1 )

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