一種地下直線電機創新技術研究

孫照剛，劉 韋，羅世輝，馬衛華，趙 勇

(1.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都 610031;2.加拿大，卡爾加里，T2Y 4K6)

黏著力交通發展至今已有200多年的歷史，其技術已十分成熟，被廣泛應用于地面客、貨運交通運輸。但黏著力交通的驅動力大小與輪軌間的黏著狀態及牽引車輛的質量有關，較難獲得更高的牽引驅動效率。直線電機被認為是最有前途的非黏著直線驅動動力裝置，并已成功應用于磁懸浮列車等城市軌道交通中［1－6］。直線電機具有將電能直接轉換為機械能的能力，且無需任何中間轉換環節。例如，直線電機無需通過黏著力將電機的旋轉機械能轉換為直線驅動機械能，因此驅動力的大小與黏著力的大小和牽引車輛的質量無關。對于磁懸浮和城市軌道使用的單邊直線電機，一個最大的特點是初級與次級之間存在著很大的垂直力，其數值在鋼次級條件下約為水平推力的10倍［7］。受直線電機安裝使用方法的影響，初級與次級間的垂直力對動邊的作用力與車輛重力方向一致，二者疊加在軌道上增大了車輛的運行阻力。直線電機的初、次級間氣隙較旋轉電機大，降低了直線電機的效率，導致直線電機城市輕軌較旋轉電機輕軌耗能增加20%左右［8］。另外，直線電機的磁路是斷開的，存在著端邊效應，這也會導致能耗的增加。磁懸浮和城市輕軌交通都存在道路無法與其他交通工具兼容共享的問題。由于以上原因，直線電機問世一個多世紀以來，一直無法在公路交通領域得到廣泛的應用。

本文提出一種地下直線電機公路交通的創新交通體系。該體系不但可解決直線電機能耗高的問題，還可以成功將直線電機技術應用到公路交通領域。

1 地下直線電機工作原理

本文以城市輕軌為例闡述地下直線電機的工作原理。圖1為傳統城市輕軌示意圖，從圖中可以看到直線電機安裝在車體下方，直線電機初級受到次級的法向吸力，受力方向與車輛重力方向相同。法向吸力對初級的作用力通過車體傳向鋼軌，加大了輪軌間的壓力，從而增大了車輛的滾動阻力，其結果必然是導致車輛能耗的增大。

圖1 傳統城市輕軌示意圖

地下直線電機系統將直線電機的初級置于次級下方，初級做成一個帶輔輪的小車，次級則鋪設于地下通道的頂壁上，當小車運行時便會自動懸浮起來。當小車速度低于懸浮速度時通過輔助輪與地面接觸，如圖2所示。直線電機與車輛間通過柔性牽引桿進行連接，該牽引桿只具有傳遞牽引力的作用，而不傳遞垂向力，可以將上、下兩部分的振動相互隔離(例如該牽引桿可以用一根鐵鏈或是兩段具有柔性部件的桿件來代替)。該方式可以改變法向力的受力方向，不僅能隔離方向力對車輛的影響，還能隔離車輛的振動對直線電機的影響，因而能減小初級與次級之間的間隙，進而提高直線電機的工作效率。對于地面車輛，也可以通過加大車輪直徑、提高輪胎與路面硬度等方法將公路車輛的運行阻力降低至同鐵路相當的水平。地下直線電機的供電方式可采用架空網、第三軌或車輛自帶發電機供電等方式。

圖2 地下直線電機結構示意圖

2 地下直線電機車輛的節能分析

2.1 克服垂直力的影響

對于現行城市直線電機輕軌系統，由于直線電機動邊(初級或次級)安裝在車體上，所以直線電機初級與次級間的垂直力對動邊的作用力方向與重力方向相同，通過車體迭加作用在軌道上，形成附加運行滾動阻力。根據某直線電機地鐵的直線電機牽引曲線，在0～35 km/h速度段，平均垂直力為23 kN，2臺電機的合計垂直力為46 kN，相當于車輛空車質量的30%［9］。由此可見:垂直力造成的附加運行阻力(特別是在車輛起動加速階段)對車輛影響極大，是導致直線電機牽引輕軌較傳統輪軌牽引多耗能的重要原因。

由圖3所示的地面直線電機牽引輕軌受力圖可知，垂直力方向與車輛重力方向相同。假設車體重為W1，滾動摩擦因數為μ，垂直力為水平推力的K倍，則在起動時刻T1，運行阻力F1等于車輛滾動阻力W1×μ與垂直力附加滾動阻力(K×W1×μ)×μ之和:

其中運行阻力F1等于直線電機推力。

令T2時刻車體的相對質量為W2，則有

T2時刻阻力F2為

將其代入式(1)、(2)有

Tn時刻的阻力Fn為

直線電機起動的最大推力約是連續推力的5～6倍，因此垂直力在起動時會造成較大的附加滾動阻力，對車輛起動性能、加速性能非常不利，導致在設計選用直線電機時，需考慮更大的富裕電機容量。在正常連續運行時，出現大馬拉小車的現象，降低了直線電機的使用效率，導致單位功率指標過高。

圖3 地面直線電機牽引輕軌受力

由圖4所示的地下直線電機牽引車輛受力圖可知:垂直力方向與車輛重力方向相反時，車體質量為W1，滾動摩擦系數為μ，垂直力為水平推力的K倍，則起動時刻T1的滾動阻力F1等于車輛滾動阻力W1×μ加上K倍的滾動阻力產生的垂直力K×W1×μ減去直線電機本身質量乘以滾動摩擦因數μ。當忽略直線電機本身質量時，垂直力附加阻力為(K× W1×μ)×μ。

圖4 地下直線電機牽引車輛受力

T2時刻的阻力F2為

T3時刻的阻力F3為

Tn時刻，阻力Fn為等比數列，公比為Kμ。

由等比數列求和公式知

當滾動摩擦因數μ=0.002 5，K=10時，阻力最大值為車輛滾動阻力的1.03倍。在這種情況下，工程上可以認為垂直力不會造成車輛額外的附加運行阻力。

2.2 直線電機效率與能耗分析

直線電機由于受磁路斷開及運行氣隙大等因素的影響，實際運行效率非常低。參照《直線電機技術手冊》及美國Baldor公司產品LMAC系列的三相交流直線感應電機的產品數據［8］，直線電機氣隙在10～12 mm 時，實際效率應在0.2～0.3。美國LMAC系列直線電機的額定電壓為460 V，在15%的持續率時，最高推力可達5 00lb(2 225 N)，加速度可達1 g(9.8 m/s2)，在60 Hz或更高頻率下，速度可達270 in/s(6.8 m/s)，相當于時速 24.48 km/h。

由表1所示的LMAC3216C531直線感應電機技術數據［8］和圖5所示的輸出推力與電機氣隙的關系曲線［8］可知:直線電機輸入功率為1.732×460×14.7/1 000=11.71 kVA，持續有效功率為445 N ×6.8 m/s=3.03 kW，功效系數(功率因數與效率乘積)為 3.03/11.71=0.26。功率因數取0.35，有效功率為11.71 ×0.35=4.10 kW，效率為0.75。在運行氣隙12 mm、40%推力時，持續有效功率為445 N ×6.8 m/s×0.4=1.12 kW，有效功率與輸入功率之比為0.1 kW/kVA，直線電機運行效率為0.3;功率因數取0.52 時，效率為0.5，運行氣隙12mm，40%推力時，直線電機運行效率為0.2。

表1 LMAC3216C531直線感應電機技術數據

圖5 輸出推力與電機氣隙的關系曲線

以直線電機效率0.2、0.3為參考值，鐵路貨車基本阻力為2.65 N/kN，鐵路客車基本阻力為3.96 N/kN，時速為100 km/h時每1 000 kg質量的滾動阻力、滾動阻力功率、驅動功率(數值上等于單位能耗:kw·h/100 t·km)詳見表2。

表2 不同驅動效率在時速100 km/h條件下所需電機功率

表2數據表明:直線電機效率取0.3，基本運行阻力按貨車基本運行阻力考慮時，單位能耗為2.41 kw·h/100 t·km。按一次能源熱值換算，大約相當于柴油1 L/100 t·km，是公路貨運能耗(5～7 L/100 t·km)的 1/7 ～1/5，相對節能可達80%以上。

根據文獻［10－12］、圖6及圖7可知:汽車只有12%的能量用于驅動車輪，鐵路車輛只有6.8%的能量用于克服空氣阻力和地面滾動阻力，其他大部分能量均消耗在克服車輛發動機阻力及其他損耗上。鐵路與公路同屬黏著力驅動交通，鐵路與公路作用到車輪上的能源利用率大體相當，鐵路較公路節能的原因在于鐵路的滾動摩擦阻力遠小于公路。由圖8所示的直線電機牽引能量流可以看出:由于直線電機直接將能量轉換成水平推力，中間無需轉換裝置，因此其作用在車輪上的能量與鐵路、公路作用在車輪上的能量基本相同，均在12%左右。以此判斷，如果將地下直線電機牽引車輛的運行阻力降至與鐵路大體相當的水平，地下直線電機牽引道路運輸系統即可達到較公路運輸節能80%的目標。

圖6 典型城市車輛能量流

圖7 鐵路車輛模型能量流

由圖8直線電機能量流分析可以看出:由于直線電機無需傳動裝置將電能直接轉換成水平牽引力，因此在直線電機效率為0.75，氣隙為10 mm，推力為40%，實際效率為0.3的情況下，有效能量仍可達到12%。同時，直線電機牽引可以利用再生制動將剎車能耗反饋回電網，從而提高能源利用率。表3是速度為90 km/h時不同車輛的基本運行阻力及直線電機驅動效率分別為0.2和0.3時所需的功率。由表3可以看出:直線電機列車的基本阻力相比一般列車和電動車組的基本阻力約高出一倍左右，可以認為直線電機的垂直力及由此產生的其他后果是造成直線電機列車基本運行阻力高的主要原因。因此，地下直線電機牽引可以擺脫垂直力對直線電機列車的不利影響，提高能量的利用效率。

圖8 直線電機牽引能量流

表3 不同車輛的基本運行阻力及直線電機驅動效率0.2和0.3時所需功率

3 地下直線電機技術在交通中的應用

由以上分析可知，地下直線電機車輛具有節能的作用，本節分別將其應用于軌道交通和公路交通，并初步提出設計方案。

3.1 地下直線電機技術在軌道交通中的應用

圖9和圖10為地下直線電機技術在軌道交通中應用的初步設計方案。其中圖9為改進前后的地下直線電機地鐵車輛，圖10為地下直線電機下部安裝結果示意圖。從圖9、10可以看出:將直線電機安裝在軌道下方的通道內，通過柔性牽引桿牽引地面地鐵車輛前進，可以實現地下直線電機牽引地面軌道車輛行駛的功能。

圖9 改進前后的地下直線電機地鐵車輛

圖10 地下直線電機下部安裝結構示意圖

3.2 地下直線電機技術在公路交通中的應用

可將地下直線電機技術應用于公路交通領域。圖11為地下直線電機技術在公路交通中應用的初步設計方案。將直線電機放置于公路下方的地下通道內，地下直線電機通過一根柔性拖拽桿與地面車輛相連，將牽引力從直線電機傳遞到地面車輛上。柔性拖拽桿可大大降低被拖車輛顛簸時對直線電機初/次級間隙的影響，將其間隙控制在3～5 mm范圍內，進而提高直線電機效率，減少能量的損失(如圖11所示)，最終實現地下直線電機牽引公路車輛行駛的目的。

圖11 地下直線電機在公路交通中的應用設計

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