直线电机在轨道交通中的应用与关键技术综述

干线轨道交通领域中，由于轮轨式高速列车始终受到黏着与弓网关系的约束，速度等级难以进一步提升。因此，在更高的运行速度、更短的旅行时间以及更舒适的乘坐环境等要求下，高速磁悬浮列车被列为重点研发对象。城市轨道交通领域中，由于城市化的进一步发展(尤其是大中型城市)，“地下–地面–高架相结合、城区–城郊联运”的新需求表现更加突出。因此，现代城市轨道交通车辆要求有更强的爬坡能力、更小的转弯半径以及全天候的运行性能。

直线电机由于具有非黏着驱动、结构简单与性能可靠等特点，是高速磁悬浮列车和新型非黏着城轨车辆的核心装备。其中，对于磁悬浮列车而言，由于其取消了车轮，直线电机的选择具有唯一性和不可替代性；对于新型非黏着型城轨车辆，直线电机的应用则提升了车辆的爬坡和过曲线能力。因此，直线电机越来越广泛的应用到轨道交通系统中。

本文围绕直线电机在轨道交通中的应用与关键技术，从直线电机的类型、拓扑结构、供电方式以及应用车辆的特征等方面，详细论述直线感应电机、常导直线同步电机、无铁心超导直线同步电机、永磁直线同步电机在轮轨车辆、中低速磁悬浮列车、单轨列车、高速磁悬浮列车等载运工具中的应用。详实阐述了在不同速度等级、车体支撑方式等轨道交通运输条件下，直线电机初/次级沿线路的铺设方式、法向力对悬浮或轮轨关系的影响，直线电机的冷却方式以及采用的不同控制策略等关键问题和技术，为轨道交通的多样化发展提供了思路。

3.1直线感应电机在城市轨道交通车辆的应用

直线感应电机主要应用于城市轨道交通中，电机类型常采用单边型，次级采用铝板(或铜板)与钢板制成的复合次级。按初级放置在车上还是沿轨道铺设，可分为短初级和长初级两种型式。

3.1.1短初级直线感应电机

采用短初级直线感应电机的车型有直线电机轮轨车辆和中低速磁悬浮列车，如图1所示。其主要特点有：1）初级放置于车辆上，车载牵引变流器由受电弓或受流靴通过接触网或接触轨进行供电；2）次级为复合型，铺设于轨道上，结构简单、造价低；3）采用接触轨供电时，运行速度受到限制。

图1  短初级直线感应电机在城市轨道交通车辆的应用

（1）直线电机轮轨车辆

直线电机轮轨车辆中，直线电机的初级悬挂于转向架上，一辆车安装 2 台电机，由一个变压变频型(variable voltage and variable frequency，VVVF)逆变器供电，形成“车控”的形式，如图1 (b)所示。直线电机轮轨车辆的支撑和导向采用传统轮轨系统，仅牵引采用直线电机驱动。

直线电机轮轨车辆所采用的直线电机初级结构，如图2(a)所示。图2(b)是次级拓扑结构与变化规律，其设计关键在于减少次级损耗以及横向边缘效应，提升直线电机的效率。同时，因次级沿线路铺设，需求量较大，造价也是重要的参考因素。

图2  直线轮轨车辆用直线电机的初级和次级

在目前的工程实践中，上图2 (b)所示①和④两种次级型式较为常用，即分别为平板型和帽型叠片次级。其中，平板型次级造价较低，安装方便，但是电机性能略逊；帽型叠片次级损耗较低，性能略好，但是造价稍高。  

根据冷却方式，所用的直线感应电机分为自然风冷和强迫风冷两种形式，如图3所示。

强迫风冷类型的直线感应电机，采用“低电压、大电流”的准则设计与驱动，质量和体积较小，具有较大的功率密度。但是，需要另加风机和风道，以及辅助变流器模块来提供电源。自然风冷类型的直线感应电机，采用“高电压、小电流”的准则设计与驱动，质量和体积较大，因此功率密度略小。但是，整个系统简单、方便维护。

图3  典型直线电机轮轨车辆以及配备的电机

直线电机轮轨车辆的缺点也很明显，即直线感应电机较低的效率和功率因数。该电机效率在70%~80%之间，牵引能耗比同等水平的旋转感应电机高10%~20%。这主要是由于直线感应电机气隙较大，根据线路状况通常设置在9~12mm之间，加之纵向边端效应的影响，使得电机性能略低。

控制策略方面，直线电机轮轨车辆牵引控制方式通常为矢量控制。其特点在于增加了前馈和补偿算法，包括感应板阻抗变化的补偿、气隙变化的补偿、感应板缺失时的过流保护及能量反馈控制等。

（2）中低速磁悬浮列车

中低速磁悬浮列车采用直线感应电机驱动，并且取消了轮轨关系约束，具有爬坡能力强、转弯半径小和振动噪声低等优势。由于中低速磁悬浮列车悬浮于轨道上方10mm 左右，无法使用传统的旋转电机驱动，因此采用直线电机驱动是唯一的选择。考虑到中低速磁悬浮列车速度在100km/h左右，因此采用短初级的方案，如图1(c)所示。

图 4 (a)为中低速磁悬浮列车用直线电机。直线电机初级安装于转向架上，通常采用自然风冷方式，占用空间少、容易安装和维护。次级感应板安装于 F 型轨道背部，表面附铝以提供涡流路径。F轨和U型悬浮磁铁构成闭合磁路，通过气隙传感器和悬浮控制器构成主动控制，保证稳定悬浮和垂直方向的电磁约束。同时，F轨和U型悬浮磁铁构成的闭合磁路遵循磁力线总要沿磁阻最小路径闭合的规律，保证了车辆侧向的稳定性。该类型车辆的具体动力配置如图4 (b)所示, 单辆车配置10 台直线电机进行驱动，于车体下方转向架两侧各布置5 台，采用“5 串2 并”的连接方式。

图4 直线电机在中低速磁浮的应用

控制策略方面，如图4所示的安装结构，考虑到转差频率的变化会引起电机法向力大幅波动，同时该法向力会叠加在悬浮磁铁上成为该装置的扰动负载，影响悬浮稳定性。因此，直线感应电机在中低速磁悬浮环境下，采用的矢量控制要求滑差频率恒定，用以减少法向力波动，为转子磁场定向的恒滑差频率控制。

3.1.2长初级直线感应电机

在一些特殊场合不希望在车辆上安装驱动系统，同时周边安全要求对接触轨或接触网供电约束较大。在此情况下，长初级直线感应电机得到应用。

图5  长初级直线感应电机在城市轨道交通车辆的应用

图5是长初级直线感应电机的拓扑结构，长初级铺设于轨道，由地面牵引变流器供电，无需接触网或者接触轨，但是初级沿线铺设成本较高。短次级悬挂于车下，结构简单，车体轻且无源。此类应用典型线路多为小型地铁载客系统，如图6所示。

图6  长初级直线感应电机的典型应用

3.2电励磁直线同步电机在高速磁浮列车的应用

根据初级是否有铁心以及次级励磁导体类型，高速磁浮列车用直线同步电机可分为“有铁心初级与常导励磁次级”、“无铁心初级与超导励磁次级”两种初/次级匹配形式，分别对应常导直线同步电机与超导直线同步电机。

3.2.1常导直线同步电机

在磁悬浮列车中，长初级安装于T 型轨两侧的下方，列车与轨道为“车抱轨”的形式，增强了安全系数。次级的磁极安装于悬浮臂底部，导向磁铁安装于悬浮臂中部，悬浮臂与车体相连，如图7(a)所示。同时，次级磁极上设计有齿谐波直线发电机，无接触式为列车提供电能，如图7 (b)所示。

图7  常导型磁浮列车的牵引、悬浮与导向系统

磁悬浮列车的支承、导向和牵引的车轨约束关系均采用“电磁”方式完成，其在三维空间电磁约束如下：1）轨道上的长初级与悬浮臂上的次级之间产生电磁推力，完成牵引功能，即x轴方向约束；2）初级和次级之间的法向力将列车向上吸起，通过负反馈调节次级励磁电流，保证悬浮气隙稳定，完成悬浮功能，即z轴方向约束；3）导向磁铁与轨道感应板相互作用，使列车与轨道保持一定距离，完成导向功能，即y轴方向约束。

德国TR系列和我国时速600km高速磁浮列车采用该类型电机，典型应用为上海龙阳路至浦东国际机场约30km的机场线，如图8所示。

图8 典型常导高速磁浮列车

3.2.2无铁心超导直线同步电机

对于超导高速磁浮列车来讲，主要是采用无铁心超导直线同步电机。如图9所示，由于轨道为U型，因此车与轨道为“轨抱车”的形式。无铁心超导直线同步电机的次级超导磁体安装于车体的两侧，初级安装于U 型轨道的两侧墙。同时，用于悬浮的 8 字线圈覆盖于初级绕组外侧。

图9  超导高速磁浮列车系统示意图

该列车完成三维空间电磁约束如下：1）轨道上的无铁心初级与车体两侧的超导次级磁极之间产生牵引力，完成牵引功能，即x轴方向约束；2）列车上超导磁体经过导轨两侧的8字线圈时，感应的涡流使得8字线圈励磁为磁体，分别对列车产生上吸引力和下排斥力，使得列车悬浮，从而完成悬浮功能，即z轴方向约束；3）在行驶过程中如果列车出现横偏，车体两侧的超导磁体就会在远离侧和接近侧的8字线圈分别产生吸引力和排斥力，把列车拉回到中央位置，完成导向，即y轴方向约束。

超导无铁心直线同步电机在高速磁浮列车应用的典型代表是日本山梨试验线以及已经开始建设的中央新干线。列车头型、初级铺设、轨道外形以及超导磁体如图10所示。

图10  日本超导高速磁浮列车、初级绕组以及超导体

3.3 永磁直线同步电机在城市轨道交通的应用

由于直线电机初级和次级分离导致磁场开放，加之轨道交通具有行程长、环境复杂等因素，永磁直线电机目前在轨道交通中应用的较少。其应用实例有德国的M-Bahn以及正处于研究阶段的M3和Indutrack等。

（1）“半悬浮”M-Bahn列车 

M-Bahn车辆采用永磁直线同步电机的长初级沿轨道铺设，车载永磁体次级，利用初级和永磁体次级之间的法向吸引力抵消列车的大部分重量(约85%)，因此车辆对轨道的压力很小。车底部有走行轮和导向轮等用于支承和导向，在严格意义上其不属于磁悬浮列车。

图11  M-Bahn车辆与永磁直线同步电机

（2）M3磁悬浮列车

M3磁浮列车的设计方案：1）利用永磁体提供气隙磁通的主要部分，功能在于抵消车辆重量的主要部分；2）使用电励磁绕组提供气隙磁通的可调部分，实现对悬浮重量变化的动态调节。同时，M3 磁悬浮无专设导向系统，降低了系统复杂性，减轻了车体重量。但是，需要安装在车侧面的导向轮和永磁直线同步电机的侧向力进行联合导向。

图12  M3实验室样机和悬浮架

（3）Indutrack永磁磁浮系统

Inductrack磁浮系统是由美国Lawrence Livermore National Laboratory提出的应用永磁材料和不同拓扑结构来提升浮阻比的磁浮方案。

该系统的优点：1）位于轨道的长初级和车载永磁次级之间存在较大的法向吸引力，该法向力与悬浮方向一致，提供了大部分悬浮力；2）通过调节双Halbach永磁体阵列的相对位置、永磁单体的长度和厚度，可以获得较大的浮阻比；3）综上前两者，该悬浮属于电磁与电动的混合悬浮方式，具有起浮速度小、悬浮间隙较大的特点。

该系统的缺点有：1）利用永磁直线电机的侧向力导向，导向力较小；2）若要达到较高的悬浮高度，需要较多的永磁体，将增加磁体成本和车重；3）永磁体的不可控性，以及电动悬浮的欠阻尼特性，需额外的措施抑制振动。

图13  InductrackII悬浮系统

本文从直线电机的类型、应用特点、供电方式以及车辆特征等方面，详细论述了不同直线电机在不同轨道交通车辆的应用，指出轨道交通直线电机未来的研究热点和难点是结合轨道交通特殊线路条件的暂态分析和结合列车多运行姿态的应用性研究。同时，随着新材料、新工艺、新拓扑等方面的发展，高性能、低造价、少维护的大功率直线电机研究将成为研究趋势，将为轨道交通的多样化发展提供强有力的技术支持。