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    軌道交通用直線感應電機

    直線電機的全稱是直線感應電機(Linear Induction Motor,LIM),LIM牽引系統結構簡單、能耗小、造價低,在軌道交通中廣泛應用。因磁路開斷、初次級間隙大等特性,LIM的分析較傳統電機更復雜。文章總結了軌道交通用LIM牽引系統的優點,介紹了四種主要結構和研究進展,探討了軌道交通用LIM的一些關鍵技術難題。
    1 直線電機驅動系統的優點

    LIM牽引系統是一種輪軌支撐及導向、非黏著直接驅動的新型交通方式,近年來在低速磁浮列車、地鐵、輕軌中廣泛應用。LIM是由旋轉感應電機(Rotating Induction Motor,RIM)沿縱向剖開,橫向展平后形成。RIM的定子對應LIM的初級,轉子對應次級,力矩對應推力。

    和RIM驅動系統相比,LIM系統有如下優點。
    1
    整體能耗低。系統直接驅動,取消中間齒輪箱等機械傳遞。LIM軌道交通能耗與常規地鐵相當,比輕軌省電50%左右。
    2
    轉彎半徑小。采用徑向轉向架,線路曲線半徑可減少到80m(傳統地鐵是300m)。在溫哥華,最小曲線半徑達50m。小曲線半徑大大增加了選線靈活性,可減少建筑物的拆遷量。車輛在平面上拐彎自如,可方便地繞過城市建筑物。

    3
    爬坡能力強。列車前進靠磁力推動,鋼輪僅起支撐和導向作用。具有優良的動力性能、爬坡能力,最大坡度為8%,遠大于傳統輪軌系統的(3-4)%,加速度最高達1.2m/s^2。因此選線時較自由,可直接穿過較陡的山坡、障礙物,也可設置較陡的高架,線路大為縮短。

    4
    隧道盾構面減小,建設成本降低。日本福岡3號線的隧道盾構面為22平方米,1、2號線傳統IM的斷面為41平方米,土方面積減少了47%。因此LIM地鐵系統造價大為減少。

    軌道交通用感應直線電機

    5
    噪音小,維護簡單。輪軌只起支撐作用,列車靠電磁推力前進,噪音僅有65-74dB,比輕軌低10dB以上,列車可從窗戶旁通過而不影響人的休息。次級放在軌道上,結構簡單牢固,車輪對軌道的磨損很小,系統維護費用僅為傳統輪軌的1/5,運營成本大大降低。
    2 交通用LIM的主要結構

    交通中直線電機常見結構分4類:短初級單邊LIM、短次級單邊LIM、短初級雙邊LIM、短次級雙邊LIM。其中短初級是把初級放在車上,短次級是把初級放在地面上,雙邊是指一臺電機有兩個對稱的初級繞組。

     

    與短次級LIM相比,短初級LIM的優點是:1)運行耗能較小。2)功率吸收較好。3)次級可以是一塊導電板,結構簡單,造價低,維修方便。

    單邊LIM特點:1)水平安裝,在橫向上可自由移動,簡化了車輛和軌道間的轉轍問題。2)氣隙控制有一定波動范圍。3)反應軌熱膨脹不產生任何嚴重問題。4)導軌垂直方向有作用力,有效利用可以抵消部分車體重量。5)簡化車輛的開關配電設備,導軌結構簡單,容易做到單邊結構和導軌的混用。

    雙邊LIM特點:1)垂直次級(反應軌結構)在道路交叉口和轉轍點靈活性較差,活動范圍小。2)電機和地面之間有適當的距離,導致反應軌的寬度大于電氣性能寬度。為保證結構牢固,就必須增加反應軌厚度,導致造價增加。3)氣隙大小必須嚴格控制,否則會影響推力,控制難度大。4)結構對稱,不存在導軌垂直方向的作用力。

    因此,實際交通系統多采用單邊短初級LIM。
    3 交通用LIM的研究進展


    LIM最早出現于19世紀,主要發達國家都進行了研究。其中最具代表性的是日本的HSST、加拿大的Bombardier,均采用單邊短初級LIM。

    1922年,德國工程師Kamper提出了直線電機驅動模型,并在1934年獲得了世界上第一項專利。1969-1975間研發了短定子LIM牽引的TR02(1971)和TR04(1974)。

    日本從1962年開始LIM牽引系統研究,1975-1990年間成功研制出短定子LIM驅動的HSST系統。在20世紀90年代之前,日本在LIM牽引系統的高速領域做了很多研究,由于電機邊端效應影響嚴重導致推力急劇下降,實際很難應用。日本最后放棄了高速領域的研究,致力于國內低速磁浮系統HSST的開發、直線地鐵和輕軌的研制,目前已開始工程應用。

    加拿大1975年開始非黏著直線驅動方式研究,1976年確定國內運作需求和工程評估,1980-1983年提出并生產樣機,1986年世界上第一條商業運營的直線牽引溫哥華ALRT系統投入運行。經過不斷探索,Bombardier直線牽引系統享譽全球。

    英國鐵路協會1974年在德比進行LIM驅動試驗,1984年修建成連接伯明翰機場和國際博覽會展區及火車站的LIM驅動鐵路線。

    美國1989年提出新型LIM驅動系統,1990年交通部對本國10余條線路采用直線牽引系統的可行性進行研究。近年來結合Detroit的直線系統積極開展相關研究。

    法國研制出LIM驅動的U-LIM-AS系統,采用馬碲型反作用軌道包圍的新型電磁式支承結構,現以STAR LIM運行于城郊,車速達150km/h。

    瑞士政府聯合幾十家公司共同開發瑞士地鐵,建議修建貫通全國兩條雙隧道線路:日內瓦到圣加侖;巴賽爾到貝林佐納。該系統的推進擬采用固定于隧道內直線電機驅動。

    韓國現代公司正在漢城以西的永宗島修建62km,連接漢城—大市新機場線路,同時還建議在濟州島修建180km的試驗環線,均擬采用短定子LIM驅動。

    中國從1970年左右開始關注LIM。1975年左右,中科院電工所開始LIM端部效應、電機設計和計算方法研究試驗。浙江大學出版了國內最早直線電機譯文集。1980-2002年,中科院、鐵科院、浙江大學、西南交大、國防科大等單位在關注磁浮技術的同時,對低速范圍的LIM技術進行了深入研究。國家發改委已把LIM軌道交通作為了國家“交通現代化關鍵技術”重大技術開發專項。

    截至目前,直線牽引已在加拿大多倫多、美國底特律和紐約、馬來西亞吉隆坡、日本東京和大阪、中國廣州和北京等地的輕軌和地鐵中應用。
    4 直線電機的難點


    直線電機的結構和直線電機驅動列車分別如圖6和7所示。

     

    為降低造價和控制方便,初級裝在車廂底部轉向架上,次級采用復合材料并直接鋪設在軌道上。軌旁直流電源通過受流器(或受電弓)送到逆變器入端,經DC/AC變換為LIM所需的三相電源。交流電在氣隙中產生行波磁場,在次級導體板中感應出渦流,渦流和氣隙磁鏈相互作用產生水平推力驅動列車前進。

    初級鐵心由硅鋼片疊壓鑄成,次級采用鋁鐵復合材料,有時在大坡度、進站口或出站口等路段需要更大的牽引力或制動力,可選用銅鐵復合材料。為了減小橫向邊端效應,次級的寬度要比初級大,伸出長度c與極距成正比。通常極距與氣隙之比越大,氣隙中的漏磁越少,電機效率與功率因數會變大,但導致端部繞線長度增加,造價上升,同時影響基速時的滑差頻率和品質因數,因此設計電機時應綜合考慮性價比選用合理極距值。

    LIM因縱向磁路開斷、初次級間隙較大等特性,其分析研究比RIM更復雜。
    1
    LIM電磁設計方法
    1
    磁路開斷結構非對稱。因縱向鐵心開斷,三相繞組互感不等,即使在對稱電壓作用下也會產生非對稱的電流,包括正序正向磁場,逆序反向磁場和零序脈振磁場。這種現象是LIM結構導致的,逆序和零序磁場將產生阻力,增加附加損耗,影響電機效率。
    2
    橫向和縱向邊端效應。氣隙大、初次級寬度不等導致了橫向邊端效應,導致了橫向磁通密度分布不均勻,次級導體板等效電阻率增加。縱向邊端效應是電機運行中產生的。在LIM初級進入和離開端,氣隙磁場因磁鏈守恒,在次級導體板中會感應出和初級端部繞組電流大小相等、方向相反的渦流,使氣隙有效磁場在入端削弱,出端加強,牽引力產生脈動,電機控制難度增加,牽引系數降低。情況嚴重時,會加劇電流不平衡,產生較大阻力。
    3
    初級繞組端部半填充槽。由于磁路開斷后,端部繞組數為中間的一半,縱向磁通密度和電流密度發生了變化,影響電機參數和牽引特性。
    4
    集膚效應影響。當滑差頻率增加,氣隙磁密透過次級導體板進入次級背板,對次級支路的漏抗和電阻產生影響。
    5
    垂直力的存在。該力由初次級線圈電流排斥力和初次級鐵芯之間的吸引力合成。前者與氣隙寬度成反比,與次級感應電流成正比;后者受氣隙主磁通影響,與勵磁電流和互感等相關。受磁場儲能和滑差頻率等影響,系統整體垂直力表現為吸引或排斥,有時會達到牽引力的3~5倍(單邊型鋼次級會更大)。它會導致牽引損耗,對控制造成較大干擾,其數學模型的建立需考慮眾多非線性因數。
    2
    LIM高性能控制技術
    1
    適合動態控制的數學模型。因持續高速運行,不斷受邊端效應、集膚效應、溫升、磁飽和度等影響,電機參數(勵磁電感、次級電阻等)變化較大,給相關控制帶來極大干擾(如磁鏈觀測器的精度下降),系統動態性能變差。
    2
    動態牽引力。隨著速度增加,次級導板中的渦流反應加劇,不斷削弱電機等效互感,嚴重降低牽引力。同時由于車載變流器在不同工作模式下的切換,增加了牽引力的波動。
    3
    運行效率提升。因磁路開端和大氣隙影響,LIM效率較低(低速、輕載時更明顯)。需要在保證牽引能力和快速響應的前提下,研究LIM效率優化控制策略,減小系統能耗。


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