直线电机在轨道车辆运用中的三维分析

　　研究开发直线电机在轨道车辆运用中的三维分析庞绍煌，耿明（广州市地下铁道总公司，广东广州510380）的设计概念带来重大的变化。通过对目前世界上直线电机车辆使用的实际业绩的分析，提出车辆质量可减轻的观点。

　　广州市地下铁道总公司建设事业总部车辆项目经理，从事广州地铁新线车辆的引进和技术、项目管理工作。

　　直线电机是一种将电能直接转换成直线运动，而不需通过任何中间转换机构的电机。城市轨道交通系统采用直线电机传动的优越性已被越来越多的人所认识，目前世界上已有7个城市相继建成了采用直线电机车辆的城市轨道交通系统。

　　直线电机的车辆较普通旋转电机车辆的优势就尽显出来了。直线电机的优点如目前所有书籍中介绍的，列车的牵引不再依靠轮轨的黏着作用，而是直接由转向架（一般作为定子）与线路（一般作为转子）的相互作用而产生，转穹半径小，可减少支撑轮半径，从而减小地铁隧道的断面面积，降低地铁造价等等，但这些都仅仅是从直线电机的牵引方向的一维概念中引伸出来的，笔者认为还必须重视直线电机的其他两维概念在直线电机车辆设计中的运用。

　　下面将从三维方向分析直线电机与旋转电机在有轮的车辆上的不同之处（见），然后再谈其对直线电机车辆设计方面以及轨枕上的影响。

　　1W方向（即牵引方向）对于鼠笼式异步电动机而言，电磁转矩可由下式表示：子折合电阻；r1一定子电阻X1?定子漏抗X2Y?转子折合漏抗S1=（n1-n）/，其中n1为同步转速，n为转子转速"f?定子绕组频率。

　　相对应的车辆制动为再生制动、电阻制动并配合转电机的车辆其空车轴重为）而直线电机若忽略纵向端部效应，采用其稳态方程，则可推算出电磁推力：级电阻和漏电感；T一极距；S2=（vs-V）/vs，其中vs为同步速度，4为实际速度；f2?次级频率；《1?初级角频率；Ci！1+LS/Lm，其中L'为初级漏电感，Lm为激磁电感。

　　电动机可在3个阶段中使用。现在有一种技术是在再生制动与机械制动之间插入移相制动（电磁制动状态），将动能消耗在感应板上（当Si，S2>1时），由于随着车辆的移动，这种热能能留在轨道上的感应板上而取代电阻制动，而普通旋转的电机难以承受这种散不去的热量。

　　+牵引方向概念已有一些书籍讨论，并引伸分析了目前众所周知的直线电机的优缺点，在此笔者就不进一步展开讨论。下面仅就另外两维概念（目前尚未有书籍在有轮车辆的实际运用中讨论）来展开讨论。

　　2y方向在普通旋转电机中由于电磁吸力对转子的对称性，互相平衡，电磁吸引力仅为转子的内力，在电机外表而言除了重力，电磁力外合力为零。而直线电机就大不相同，三维的电磁力都尽现在外面，初级对次级的电磁吸引力是相当大的（见表1）。但如何利用这种电磁吸引力，这就是笔者重点要阐述的问题。

　　为了确保脱轨系数，似乎只要将普通旋转电机车辆换上直线电机就行了，但从y方向来看，使用普通旋表1各公司实际运用中的直线电机三维力实测数据（kN（x轴向牵引力y轴向电磁吸引力j轴向横向剪切力A公司B公司C公司由于城市轨道交通在繁华市区穿行，站间距一般较短，约1km左右，因此站间运行时间必须要短才能实现其他地面交通工具无法实现的优势。初始加速度一般采用a加=1.0m/s2，而制动时一般采用a减=因此列车基本上是加速到最高速度后，匀速很短时间马上转入制动工况，直线电机的定子线圈始终都有很大的电流通过，也就是说y方向的吸引力的作用贯穿列车的整个运行过程。

　　F吸为初级对次级的电磁吸引力，F吸m+甚至会大于直线电机的牵引力，也就是说每辆车两台直线电机（160~180kW/台）的F吸ma+达10t，占了普通旋转电机车辆空车重的1/4.因此电磁吸引力给出了两刃的问题，如果仅沿用老的普通旋转电机车辆的思维设计，必然不能将车轮的轮径减小，因为轮径跟轴重有直接的关系。根据数据统计（见），在轴重不变的情况下，车轮踏面的剥离发生率，随车轮踏面受力处压强的增加而增加。

　　也就是说失去了减小车辆高度及减小隧道挖掘面积的优势。从另一方面来看，则芫全不同。首先从脱轨系数分析入手，来分析这两种类型电机的不同之处。

　　0.6（直线电机车辆）F吸的存在为直线电机车辆的减重提供了重要的依据，而F吸所做的功W功可以用下式来表示角，由于F吸在直线轨道上是垂直于车辆的运动方向的，通常情况下0因此F吸是不需消耗功率的力，而是一种将转向架吸向感应板的力。如果在直线电机车辆的设计中能运用这种新的概念，就能在保证脱轨系数小于0.6的情况下，尽可能的减少车辆的质量，以减少运营能耗，降低噪声，减小轮径以及使转向架一系簧下的质量减少，结构紧凑，从而最终达到减少车辆质量，降低车辆设计高度，减小隧道断面尺寸，节省建设投资的目的。所以在与轨道的接口中，轨枕的受力不同（见）。故对于直线电机车辆来说不能只考虑车辆质量P.作为对在3方向分析的辅证，从各直线电机车辆制造公司公布的业绩中可以看出，对于不同公司生产的几乎相同尺寸和功率的直线电机车辆，其空车质量最大竟相差近10t/辆。笔者假设按照一辆车定员载客180人，平均每人体重为60kg来计算，则负载质量为00：200：10800kg，即10.8 5重。可以看出，如果将直线电机3方向吸引力考虑在车辆设计中，其使每辆空车减轻101质量后再加上180人的定员载荷，几乎与原来没有考虑吸引力的每辆空车的质量相等。

　　3z方向对于=方向，笔者在此提出一个转向架“磁迫导”的新概念，这是直线电机带来的另一优点。由于车辆设计时，机械中心线在静止停放在平直轨道的状态下与磁中心线是重合的；而在运动状态下，电磁场的作用使得直线电机定子（初级）的机械中心线有磁吸引自动对中感应板（次级）机械中心线的作用（见）。

　　<定子中心线转子，直线电机定子、转子自动对中的z方向吸引力示意图这无形中有效起到抑制车辆蛇行运动的作用，再配以自导径向转向架，对减少轮缘磨耗以及减少车轮踏面偏磨将有积极作用，并有利于车辆快速通过较小的曲线半径，降低轮缘与轨道的冲击噪声，同时也可以减去转向架有关的抑制蛇行运动的设备。从表1可以看到这个z方向的力Fm达到1kN.