直線電機在軌道車輛運用中的三維分析

研究開發直線電機在軌道車輛運用中的三維分析龐紹煌，耿明（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州510380）的設計概念帶來重大的變化。通過對目前世界上直線電機車輛使用的實際業績的分析，提出車輛質量可減輕的觀點。

　　廣州市地下鐵道總公司建設事業總部車輛項目經理，從事廣州地鐵新線車輛的引進和技術、項目管理工作。

　　直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動，而不需通過任何中間轉換機構的電機。城市軌道交通系統采用直線電機傳動的優越性已被越來越多的人所認識，目前世界上已有7個城市相繼建成了采用直線電機車輛的城市軌道交通系統。

　　直線電機的車輛較普通旋轉電機車輛的優勢就盡顯出來了。直線電機的優點如目前所有書籍中介紹的，列車的牽引不再依靠輪軌的黏著作用，而是直接由轉向架（一般作為定子）與線路（一般作為轉子）的相互作用而產生，轉穹半徑小，可減少支撐輪半徑，從而減小地鐵隧道的斷面面積，降低地鐵造價等等，但這些都僅僅是從直線電機的牽引方向的一維概念中引伸出來的，筆者認為還必須重視直線電機的其他兩維概念在直線電機車輛設計中的運用。

　　下面將從三維方向分析直線電機與旋轉電機在有輪的車輛上的不同之處（見），然后再談其對直線電機車輛設計方面以及軌枕上的影響。

　　1W方向（即牽引方向）對于鼠籠式異步電動機而言，電磁轉矩可由下式表示：子折合電阻；r1一定子電阻X1―定子漏抗X2Y―轉子折合漏抗S1=（n1-n）/，其中n1為同步轉速，n為轉子轉速"f―定子繞組頻率。

　　相對應的車輛制動為再生制動、電阻制動并配合轉電機的車輛其空車軸重為）而直線電機若忽略縱向端部效應，采用其穩態方程，則可推算出電磁推力：級電阻和漏電感；T一極距；S2=（vs-V）/vs，其中vs為同步速度，4為實際速度；f2―次級頻率；《1―初級角頻率；Ci！1+LS/Lm，其中L'為初級漏電感，Lm為激磁電感。

　　電動機可在3個階段中使用。現在有一種技術是在再生制動與機械制動之間插入移相制動（電磁制動狀態），將動能消耗在感應板上（當Si，S2>1時），由于隨著車輛的移動，這種熱能能留在軌道上的感應板上而取代電阻制動，而普通旋轉的電機難以承受這種散不去的熱量。

　　+牽引方向概念已有一些書籍討論，并引伸分析了目前眾所周知的直線電機的優缺點，在此筆者就不進一步展開討論。下面僅就另外兩維概念（目前尚未有書籍在有輪車輛的實際運用中討論）來展開討論。

　　2y方向在普通旋轉電機中由于電磁吸力對轉子的對稱性，互相平衡，電磁吸引力僅為轉子的內力，在電機外表而言除了重力，電磁力外合力為零。而直線電機就大不相同，三維的電磁力都盡現在外面，初級對次級的電磁吸引力是相當大的（見表1）。但如何利用這種電磁吸引力，這就是筆者重點要闡述的問題。

　　為了確保脫軌系數，似乎只要將普通旋轉電機車輛換上直線電機就行了，但從y方向來看，使用普通旋表1各公司實際運用中的直線電機三維力實測數據（kN（x軸向牽引力y軸向電磁吸引力j軸向橫向剪切力A公司B公司C公司由于城市軌道交通在繁華市區穿行，站間距一般較短，約1km左右，因此站間運行時間必須要短才能實現其他地面交通工具無法實現的優勢。初始加速度一般采用a加=1.0m/s2，而制動時一般采用a減=因此列車基本上是加速到最高速度后，勻速很短時間馬上轉入制動工況，直線電機的定子線圈始終都有很大的電流通過，也就是說y方向的吸引力的作用貫穿列車的整個運行過程。

　　F吸為初級對次級的電磁吸引力，F吸m+甚至會大于直線電機的牽引力，也就是說每輛車兩臺直線電機（160~180kW/臺）的F吸ma+達10t，占了普通旋轉電機車輛空車重的1/4.因此電磁吸引力給出了兩刃的問題，如果僅沿用老的普通旋轉電機車輛的思維設計，必然不能將車輪的輪徑減小，因為輪徑跟軸重有直接的關系。根據數據統計（見），在軸重不變的情況下，車輪踏面的剝離發生率，隨車輪踏面受力處壓強的增加而增加。

　　也就是說失去了減小車輛高度及減小隧道挖掘面積的優勢。從另一方面來看，則芫全不同。首先從脫軌系數分析入手，來分析這兩種類型電機的不同之處。

　　0.6（直線電機車輛）F吸的存在為直線電機車輛的減重提供了重要的依據，而F吸所做的功W功可以用下式來表示角，由于F吸在直線軌道上是垂直于車輛的運動方向的，通常情況下0因此F吸是不需消耗功率的力，而是一種將轉向架吸向感應板的力。如果在直線電機車輛的設計中能運用這種新的概念，就能在保證脫軌系數小于0.6的情況下，盡可能的減少車輛的質量，以減少運營能耗，降低噪聲，減小輪徑以及使轉向架一系簧下的質量減少，結構緊湊，從而最終達到減少車輛質量，降低車輛設計高度，減小隧道斷面尺寸，節省建設投資的目的。所以在與軌道的接口中，軌枕的受力不同（見）。故對于直線電機車輛來說不能只考慮車輛質量P.作為對在3方向分析的輔證，從各直線電機車輛制造公司公布的業績中可以看出，對于不同公司生產的幾乎相同尺寸和功率的直線電機車輛，其空車質量最大竟相差近10t/輛。筆者假設按照一輛車定員載客180人，平均每人體重為60kg來計算，則負載質量為00：200：10800kg，即10.8 5重。可以看出，如果將直線電機3方向吸引力考慮在車輛設計中，其使每輛空車減輕101質量后再加上180人的定員載荷，幾乎與原來沒有考慮吸引力的每輛空車的質量相等。

　　3z方向對于=方向，筆者在此提出一個轉向架“磁迫導”的新概念，這是直線電機帶來的另一優點。由于車輛設計時，機械中心線在靜止停放在平直軌道的狀態下與磁中心線是重合的；而在運動狀態下，電磁場的作用使得直線電機定子（初級）的機械中心線有磁吸引自動對中感應板（次級）機械中心線的作用（見）。

　　<定子中心線轉子，直線電機定子、轉子自動對中的z方向吸引力示意圖這無形中有效起到抑制車輛蛇行運動的作用，再配以自導徑向轉向架，對減少輪緣磨耗以及減少車輪踏面偏磨將有積極作用，并有利于車輛快速通過較小的曲線半徑，降低輪緣與軌道的沖擊噪聲，同時也可以減去轉向架有關的抑制蛇行運動的設備。從表1可以看到這個z方向的力Fm達到1kN.