直线电机

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轨道交通用感应直线电机


轨道交通用感应直线电机


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轨道交通用直线感应电机

直线电机的全称是直线感应电机(Linear Induction Motor,LIM),LIM牵引系统结构简单、能耗小、造价低,在轨道交通中广泛应用。因磁路开断、初次级间隙大等特性,LIM的分析较传统电机更复杂。文章总结了轨道交通用LIM牵引系统的优点,介绍了四种主要结构和研究进展,探讨了轨道交通用LIM的一些关键技术难题。
1 直线电机驱动系统的优点

LIM牵引系统是一种轮轨支撑及导向、非黏着直接驱动的新型交通方式,近年来在低速磁浮列车、地铁、轻轨中广泛应用。LIM是由旋转感应电机(Rotating Induction Motor,RIM)沿纵向剖开,横向展平后形成。RIM的定子对应LIM的初级,转子对应次级,力矩对应推力。

和RIM驱动系统相比,LIM系统有如下优点。
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整体能耗低。系统直接驱动,取消中间齿轮箱等机械传递。LIM轨道交通能耗与常规地铁相当,比轻轨省电50%左右。
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转弯半径小。采用径向转向架,线路曲线半径可减少到80m(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选线灵活性,可减少建筑物的拆迁量。车辆在平面上拐弯自如,可方便地绕过城市建筑物。

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爬坡能力强。列车前进靠磁力推动,钢轮仅起支撑和导向作用。具有优良的动力性能、爬坡能力,最大坡度为8%,远大于传统轮轨系统的(3-4)%,加速度最高达1.2m/s^2。因此选线时较自由,可直接穿过较陡的山坡、障碍物,也可设置较陡的高架,线路大为缩短。

4
隧道盾构面减小,建设成本降低。日本福冈3号线的隧道盾构面为22平方米,1、2号线传统IM的断面为41平方米,土方面积减少了47%。因此LIM地铁系统造价大为减少。

轨道交通用感应直线电机

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噪音小,维护简单。轮轨只起支撑作用,列车靠电磁推力前进,噪音仅有65-74dB,比轻轨低10dB以上,列车可从窗户旁通过而不影响人的休息。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。
2 交通用LIM的主要结构

交通中直线电机常见结构分4类:短初级单边LIM、短次级单边LIM、短初级双边LIM、短次级双边LIM。其中短初级是把初级放在车上,短次级是把初级放在地面上,双边是指一台电机有两个对称的初级绕组。

 

与短次级LIM相比,短初级LIM的优点是:1)运行耗能较小。2)功率吸收较好。3)次级可以是一块导电板,结构简单,造价低,维修方便。

单边LIM特点:1)水平安装,在横向上可自由移动,简化了车辆和轨道间的转辙问题。2)气隙控制有一定波动范围。3)反应轨热膨胀不产生任何严重问题。4)导轨垂直方向有作用力,有效利用可以抵消部分车体重量。5)简化车辆的开关配电设备,导轨结构简单,容易做到单边结构和导轨的混用。

双边LIM特点:1)垂直次级(反应轨结构)在道路交叉口和转辙点灵活性较差,活动范围小。2)电机和地面之间有适当的距离,导致反应轨的宽度大于电气性能宽度。为保证结构牢固,就必须增加反应轨厚度,导致造价增加。3)气隙大小必须严格控制,否则会影响推力,控制难度大。4)结构对称,不存在导轨垂直方向的作用力。

因此,实际交通系统多采用单边短初级LIM。
3 交通用LIM的研究进展


LIM最早出现于19世纪,主要发达国家都进行了研究。其中最具代表性的是日本的HSST、加拿大的Bombardier,均采用单边短初级LIM。

1922年,德国工程师Kamper提出了直线电机驱动模型,并在1934年获得了世界上第一项专利。1969-1975间研发了短定子LIM牵引的TR02(1971)和TR04(1974)。

日本从1962年开始LIM牵引系统研究,1975-1990年间成功研制出短定子LIM驱动的HSST系统。在20世纪90年代之前,日本在LIM牵引系统的高速领域做了很多研究,由于电机边端效应影响严重导致推力急剧下降,实际很难应用。日本最后放弃了高速领域的研究,致力于国内低速磁浮系统HSST的开发、直线地铁和轻轨的研制,目前已开始工程应用。

加拿大1975年开始非黏着直线驱动方式研究,1976年确定国内运作需求和工程评估,1980-1983年提出并生产样机,1986年世界上第一条商业运营的直线牵引温哥华ALRT系统投入运行。经过不断探索,Bombardier直线牵引系统享誉全球。

英国铁路协会1974年在德比进行LIM驱动试验,1984年修建成连接伯明翰机场和国际博览会展区及火车站的LIM驱动铁路线。

美国1989年提出新型LIM驱动系统,1990年交通部对本国10余条线路采用直线牵引系统的可行性进行研究。近年来结合Detroit的直线系统积极开展相关研究。

法国研制出LIM驱动的U-LIM-AS系统,采用马碲型反作用轨道包围的新型电磁式支承结构,现以STAR LIM运行于城郊,车速达150km/h。

瑞士政府联合几十家公司共同开发瑞士地铁,建议修建贯通全国两条双隧道线路:日内瓦到圣加仑;巴赛尔到贝林佐纳。该系统的推进拟采用固定于隧道内直线电机驱动。

韩国现代公司正在汉城以西的永宗岛修建62km,连接汉城—大市新机场线路,同时还建议在济州岛修建180km的试验环线,均拟采用短定子LIM驱动。

中国从1970年左右开始关注LIM。1975年左右,中科院电工所开始LIM端部效应、电机设计和计算方法研究试验。浙江大学出版了国内最早直线电机译文集。1980-2002年,中科院、铁科院、浙江大学、西南交大、国防科大等单位在关注磁浮技术的同时,对低速范围的LIM技术进行了深入研究。国家发改委已把LIM轨道交通作为了国家“交通现代化关键技术”重大技术开发专项。

截至目前,直线牵引已在加拿大多伦多、美国底特律和纽约、马来西亚吉隆坡、日本东京和大阪、中国广州和北京等地的轻轨和地铁中应用。
4 直线电机的难点


直线电机的结构和直线电机驱动列车分别如图6和7所示。

 

为降低造价和控制方便,初级装在车厢底部转向架上,次级采用复合材料并直接铺设在轨道上。轨旁直流电源通过受流器(或受电弓)送到逆变器入端,经DC/AC变换为LIM所需的三相电源。交流电在气隙中产生行波磁场,在次级导体板中感应出涡流,涡流和气隙磁链相互作用产生水平推力驱动列车前进。

初级铁心由硅钢片叠压铸成,次级采用铝铁复合材料,有时在大坡度、进站口或出站口等路段需要更大的牵引力或制动力,可选用铜铁复合材料。为了减小横向边端效应,次级的宽度要比初级大,伸出长度c与极距成正比。通常极距与气隙之比越大,气隙中的漏磁越少,电机效率与功率因数会变大,但导致端部绕线长度增加,造价上升,同时影响基速时的滑差频率和品质因数,因此设计电机时应综合考虑性价比选用合理极距值。

LIM因纵向磁路开断、初次级间隙较大等特性,其分析研究比RIM更复杂。
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LIM电磁设计方法
1
磁路开断结构非对称。因纵向铁心开断,三相绕组互感不等,即使在对称电压作用下也会产生非对称的电流,包括正序正向磁场,逆序反向磁场和零序脉振磁场。这种现象是LIM结构导致的,逆序和零序磁场将产生阻力,增加附加损耗,影响电机效率。
2
横向和纵向边端效应。气隙大、初次级宽度不等导致了横向边端效应,导致了横向磁通密度分布不均匀,次级导体板等效电阻率增加。纵向边端效应是电机运行中产生的。在LIM初级进入和离开端,气隙磁场因磁链守恒,在次级导体板中会感应出和初级端部绕组电流大小相等、方向相反的涡流,使气隙有效磁场在入端削弱,出端加强,牵引力产生脉动,电机控制难度增加,牵引系数降低。情况严重时,会加剧电流不平衡,产生较大阻力。
3
初级绕组端部半填充槽。由于磁路开断后,端部绕组数为中间的一半,纵向磁通密度和电流密度发生了变化,影响电机参数和牵引特性。
4
集肤效应影响。当滑差频率增加,气隙磁密透过次级导体板进入次级背板,对次级支路的漏抗和电阻产生影响。
5
垂直力的存在。该力由初次级线圈电流排斥力和初次级铁芯之间的吸引力合成。前者与气隙宽度成反比,与次级感应电流成正比;后者受气隙主磁通影响,与励磁电流和互感等相关。受磁场储能和滑差频率等影响,系统整体垂直力表现为吸引或排斥,有时会达到牵引力的3~5倍(单边型钢次级会更大)。它会导致牵引损耗,对控制造成较大干扰,其数学模型的建立需考虑众多非线性因数。
2
LIM高性能控制技术
1
适合动态控制的数学模型。因持续高速运行,不断受边端效应、集肤效应、温升、磁饱和度等影响,电机参数(励磁电感、次级电阻等)变化较大,给相关控制带来极大干扰(如磁链观测器的精度下降),系统动态性能变差。
2
动态牵引力。随着速度增加,次级导板中的涡流反应加剧,不断削弱电机等效互感,严重降低牵引力。同时由于车载变流器在不同工作模式下的切换,增加了牵引力的波动。
3
运行效率提升。因磁路开端和大气隙影响,LIM效率较低(低速、轻载时更明显)。需要在保证牵引能力和快速响应的前提下,研究LIM效率优化控制策略,减小系统能耗。

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