一种地下直线电机创新技术研究

孙照刚，刘 韦，罗世辉，马卫华，赵 勇

(1.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都 610031;2.加拿大，卡尔加里，T2Y 4K6)

黏着力交通发展至今已有200多年的历史，其技术已十分成熟，被广泛应用于地面客、货运交通运输。但黏着力交通的驱动力大小与轮轨间的黏着状态及牵引车辆的质量有关，较难获得更高的牵引驱动效率。直线电机被认为是最有前途的非黏着直线驱动动力装置，并已成功应用于磁悬浮列车等城市轨道交通中［1－6］。直线电机具有将电能直接转换为机械能的能力，且无需任何中间转换环节。例如，直线电机无需通过黏着力将电机的旋转机械能转换为直线驱动机械能，因此驱动力的大小与黏着力的大小和牵引车辆的质量无关。对于磁悬浮和城市轨道使用的单边直线电机，一个最大的特点是初级与次级之间存在着很大的垂直力，其数值在钢次级条件下约为水平推力的10倍［7］。受直线电机安装使用方法的影响，初级与次级间的垂直力对动边的作用力与车辆重力方向一致，二者叠加在轨道上增大了车辆的运行阻力。直线电机的初、次级间气隙较旋转电机大，降低了直线电机的效率，导致直线电机城市轻轨较旋转电机轻轨耗能增加20%左右［8］。另外，直线电机的磁路是断开的，存在着端边效应，这也会导致能耗的增加。磁悬浮和城市轻轨交通都存在道路无法与其他交通工具兼容共享的问题。由于以上原因，直线电机问世一个多世纪以来，一直无法在公路交通领域得到广泛的应用。

本文提出一种地下直线电机公路交通的创新交通体系。该体系不但可解决直线电机能耗高的问题，还可以成功将直线电机技术应用到公路交通领域。

1 地下直线电机工作原理

本文以城市轻轨为例阐述地下直线电机的工作原理。图1为传统城市轻轨示意图，从图中可以看到直线电机安装在车体下方，直线电机初级受到次级的法向吸力，受力方向与车辆重力方向相同。法向吸力对初级的作用力通过车体传向钢轨，加大了轮轨间的压力，从而增大了车辆的滚动阻力，其结果必然是导致车辆能耗的增大。

图1 传统城市轻轨示意图

地下直线电机系统将直线电机的初级置于次级下方，初级做成一个带辅轮的小车，次级则铺设于地下通道的顶壁上，当小车运行时便会自动悬浮起来。当小车速度低于悬浮速度时通过辅助轮与地面接触，如图2所示。直线电机与车辆间通过柔性牵引杆进行连接，该牵引杆只具有传递牵引力的作用，而不传递垂向力，可以将上、下两部分的振动相互隔离(例如该牵引杆可以用一根铁链或是两段具有柔性部件的杆件来代替)。该方式可以改变法向力的受力方向，不仅能隔离方向力对车辆的影响，还能隔离车辆的振动对直线电机的影响，因而能减小初级与次级之间的间隙，进而提高直线电机的工作效率。对于地面车辆，也可以通过加大车轮直径、提高轮胎与路面硬度等方法将公路车辆的运行阻力降低至同铁路相当的水平。地下直线电机的供电方式可采用架空网、第三轨或车辆自带发电机供电等方式。

图2 地下直线电机结构示意图

2 地下直线电机车辆的节能分析

2.1 克服垂直力的影响

对于现行城市直线电机轻轨系统，由于直线电机动边(初级或次级)安装在车体上，所以直线电机初级与次级间的垂直力对动边的作用力方向与重力方向相同，通过车体迭加作用在轨道上，形成附加运行滚动阻力。根据某直线电机地铁的直线电机牵引曲线，在0～35 km/h速度段，平均垂直力为23 kN，2台电机的合计垂直力为46 kN，相当于车辆空车质量的30%［9］。由此可见:垂直力造成的附加运行阻力(特别是在车辆起动加速阶段)对车辆影响极大，是导致直线电机牵引轻轨较传统轮轨牵引多耗能的重要原因。

由图3所示的地面直线电机牵引轻轨受力图可知，垂直力方向与车辆重力方向相同。假设车体重为W1，滚动摩擦因数为μ，垂直力为水平推力的K倍，则在起动时刻T1，运行阻力F1等于车辆滚动阻力W1×μ与垂直力附加滚动阻力(K×W1×μ)×μ之和:

其中运行阻力F1等于直线电机推力。

令T2时刻车体的相对质量为W2，则有

T2时刻阻力F2为

将其代入式(1)、(2)有

Tn时刻的阻力Fn为

直线电机起动的最大推力约是连续推力的5～6倍，因此垂直力在起动时会造成较大的附加滚动阻力，对车辆起动性能、加速性能非常不利，导致在设计选用直线电机时，需考虑更大的富裕电机容量。在正常连续运行时，出现大马拉小车的现象，降低了直线电机的使用效率，导致单位功率指标过高。

图3 地面直线电机牵引轻轨受力

由图4所示的地下直线电机牵引车辆受力图可知:垂直力方向与车辆重力方向相反时，车体质量为W1，滚动摩擦系数为μ，垂直力为水平推力的K倍，则起动时刻T1的滚动阻力F1等于车辆滚动阻力W1×μ加上K倍的滚动阻力产生的垂直力K×W1×μ减去直线电机本身质量乘以滚动摩擦因数μ。当忽略直线电机本身质量时，垂直力附加阻力为(K× W1×μ)×μ。

图4 地下直线电机牵引车辆受力

T2时刻的阻力F2为

T3时刻的阻力F3为

Tn时刻，阻力Fn为等比数列，公比为Kμ。

由等比数列求和公式知

当滚动摩擦因数μ=0.002 5，K=10时，阻力最大值为车辆滚动阻力的1.03倍。在这种情况下，工程上可以认为垂直力不会造成车辆额外的附加运行阻力。

2.2 直线电机效率与能耗分析

直线电机由于受磁路断开及运行气隙大等因素的影响，实际运行效率非常低。参照《直线电机技术手册》及美国Baldor公司产品LMAC系列的三相交流直线感应电机的产品数据［8］，直线电机气隙在10～12 mm 时，实际效率应在0.2～0.3。美国LMAC系列直线电机的额定电压为460 V，在15%的持续率时，最高推力可达5 00lb(2 225 N)，加速度可达1 g(9.8 m/s2)，在60 Hz或更高频率下，速度可达270 in/s(6.8 m/s)，相当于时速 24.48 km/h。

由表1所示的LMAC3216C531直线感应电机技术数据［8］和图5所示的输出推力与电机气隙的关系曲线［8］可知:直线电机输入功率为1.732×460×14.7/1 000=11.71 kVA，持续有效功率为445 N ×6.8 m/s=3.03 kW，功效系数(功率因数与效率乘积)为 3.03/11.71=0.26。功率因数取0.35，有效功率为11.71 ×0.35=4.10 kW，效率为0.75。在运行气隙12 mm、40%推力时，持续有效功率为445 N ×6.8 m/s×0.4=1.12 kW，有效功率与输入功率之比为0.1 kW/kVA，直线电机运行效率为0.3;功率因数取0.52 时，效率为0.5，运行气隙12mm，40%推力时，直线电机运行效率为0.2。

表1 LMAC3216C531直线感应电机技术数据

图5 输出推力与电机气隙的关系曲线

以直线电机效率0.2、0.3为参考值，铁路货车基本阻力为2.65 N/kN，铁路客车基本阻力为3.96 N/kN，时速为100 km/h时每1 000 kg质量的滚动阻力、滚动阻力功率、驱动功率(数值上等于单位能耗:kw·h/100 t·km)详见表2。

表2 不同驱动效率在时速100 km/h条件下所需电机功率

表2数据表明:直线电机效率取0.3，基本运行阻力按货车基本运行阻力考虑时，单位能耗为2.41 kw·h/100 t·km。按一次能源热值换算，大约相当于柴油1 L/100 t·km，是公路货运能耗(5～7 L/100 t·km)的 1/7 ～1/5，相对节能可达80%以上。

根据文献［10－12］、图6及图7可知:汽车只有12%的能量用于驱动车轮，铁路车辆只有6.8%的能量用于克服空气阻力和地面滚动阻力，其他大部分能量均消耗在克服车辆发动机阻力及其他损耗上。铁路与公路同属黏着力驱动交通，铁路与公路作用到车轮上的能源利用率大体相当，铁路较公路节能的原因在于铁路的滚动摩擦阻力远小于公路。由图8所示的直线电机牵引能量流可以看出:由于直线电机直接将能量转换成水平推力，中间无需转换装置，因此其作用在车轮上的能量与铁路、公路作用在车轮上的能量基本相同，均在12%左右。以此判断，如果将地下直线电机牵引车辆的运行阻力降至与铁路大体相当的水平，地下直线电机牵引道路运输系统即可达到较公路运输节能80%的目标。

图6 典型城市车辆能量流

图7 铁路车辆模型能量流

由图8直线电机能量流分析可以看出:由于直线电机无需传动装置将电能直接转换成水平牵引力，因此在直线电机效率为0.75，气隙为10 mm，推力为40%，实际效率为0.3的情况下，有效能量仍可达到12%。同时，直线电机牵引可以利用再生制动将刹车能耗反馈回电网，从而提高能源利用率。表3是速度为90 km/h时不同车辆的基本运行阻力及直线电机驱动效率分别为0.2和0.3时所需的功率。由表3可以看出:直线电机列车的基本阻力相比一般列车和电动车组的基本阻力约高出一倍左右，可以认为直线电机的垂直力及由此产生的其他后果是造成直线电机列车基本运行阻力高的主要原因。因此，地下直线电机牵引可以摆脱垂直力对直线电机列车的不利影响，提高能量的利用效率。

图8 直线电机牵引能量流

表3 不同车辆的基本运行阻力及直线电机驱动效率0.2和0.3时所需功率

3 地下直线电机技术在交通中的应用

由以上分析可知，地下直线电机车辆具有节能的作用，本节分别将其应用于轨道交通和公路交通，并初步提出设计方案。

3.1 地下直线电机技术在轨道交通中的应用

图9和图10为地下直线电机技术在轨道交通中应用的初步设计方案。其中图9为改进前后的地下直线电机地铁车辆，图10为地下直线电机下部安装结果示意图。从图9、10可以看出:将直线电机安装在轨道下方的通道内，通过柔性牵引杆牵引地面地铁车辆前进，可以实现地下直线电机牵引地面轨道车辆行驶的功能。

图9 改进前后的地下直线电机地铁车辆

图10 地下直线电机下部安装结构示意图

3.2 地下直线电机技术在公路交通中的应用

可将地下直线电机技术应用于公路交通领域。图11为地下直线电机技术在公路交通中应用的初步设计方案。将直线电机放置于公路下方的地下通道内，地下直线电机通过一根柔性拖拽杆与地面车辆相连，将牵引力从直线电机传递到地面车辆上。柔性拖拽杆可大大降低被拖车辆颠簸时对直线电机初/次级间隙的影响，将其间隙控制在3～5 mm范围内，进而提高直线电机效率，减少能量的损失(如图11所示)，最终实现地下直线电机牵引公路车辆行驶的目的。

图11 地下直线电机在公路交通中的应用设计

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