轨道交通用直线感应电机发展状况综述

黄书荣，徐伟，胡冬

(1. 广东电网有限责任公司佛山供电局，佛山 528000；2. 华中科技大学，武汉 430074)

轨道交通用直线感应电机发展状况综述

黄书荣1，徐伟2，胡冬2

(1. 广东电网有限责任公司佛山供电局，佛山 528000；2. 华中科技大学，武汉 430074)

直线感应电机牵引系统由于结构简单、系统能耗小、造价低等优点，近年来在轨道交通中得到广泛应用。然而直线感应电机因磁路开断、初次级间隙大等特性，其研究比传统感应电机更复杂。文章对轨道交通用直线感应电机牵引系统的优点进行了简要综述，介绍了直线感应电机四种主要结构形式和国内外相关研究进展，探讨了轨道交通用直线感应电机的一些关键技术难题。

直线感应电机；轨道交通；牵引系统

1 直线电机驱动系统的优点

直线感应电机(Linear Induction Motor，简称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，近年来在低速磁悬浮列车、城内地铁与轻轨中得到广泛应用。直线感应电机(以下简称直线电机)是由旋转感应电机沿纵向剖开，横向展平后形成，如图1所示。旋转电机中定子对应直线电机中的初级，转子对应次级，力矩对应推力。

和旋转电机驱动系统相比，直线电机系统(简称系统)具有如下几大优点[1-3]。

1)系统整体能耗低。系统直接驱动，取消中间齿轮箱等机械传递。据日本地铁协会公布的权威数据，直线电机轨道交通能耗与常规地铁相当，比轻轨省电50%左右。

2)转弯半径小。系统采用径向转向架，线路曲线半径可减少到80m，而传统地铁是300m。在温哥华，最小曲线半径达50m，如图2所示。小曲线半径大大增加了选线灵活性，可减少地面建筑物的拆迁量。车辆在平面上拐弯自如，可方便地绕过城市地下和地上建筑物。

图1 直线电机结构形成图Fig. 1 Structure of linear motor derived from rotary motor

图2 LIM系统和传统轮轨系统曲率半径对比Fig. 2 Comparison of turning radius between LIM system and traditional railway system

图3 LIM系统与传统轮轨系统的坡度对比Fig. 3 Comparison of slope gradient between LIM system and traditional railway system

图4 日本直线电机和旋转电机盾构面比较Fig. 4 Comparison of tunnel cross section between LIM and rotary motor applied in metro in Japan

3)爬坡能力强。LIM牵引系统的钢轮仅起支撑和导向作用，列车前进靠直线电机的磁力推动。系统具有优良的动力性能和爬坡能力，其线路的最大坡度为8%，远大于传统轮轨系统的(3-4)%的最大坡度，加速度最高可达1.2m/s2，如图3所示。系统在选线时比较自由，可以直接穿过比较陡的山坡和障碍物，也可以设置较陡的高架，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(七隈线)LIM系统隧道断面与1、2号线(空港线和箱崎线)隧道断面的比较如图4所示。结果表明，3号线LIM的隧道盾构面为22m2，只有1、2号线传统IM的隧道断面41m2的53%，土方面积减少了47%.因此在地铁系统中，直线电机系统造价大为减少。

5)噪音小和维护简单。由于系统的轮轨只起支撑作用，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。另外系统的次级放在轨道上，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[4]。

2 交通用直线电机主要结构形式

按初级和次级不同，交通中直线电机常见结构可分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，具体如图5所示。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。

短初级LIM和短次级LIM相比具有如下优点：1)短初级运行耗能较小；2)短初级功率吸收较好；3)短初级中，次级可以是一块导电板，结构简单，造价低，维修方便等。

单边LIM特点为[5-6]：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，没有双边电机要求那样严格。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的特点为[7-9]：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，活动范围较小；2)电机和地面之间有适当的距离，会导致反应轨的宽度大于电气性能宽度。实际中，为保证结构牢固，必须增加反应轨厚度，从而造价增加；3)电机运行时，两边气隙大小必须严格控制，否则会影响推力等特性量，增加了系统控制的难度；4)结构对称，不存在导轨垂直方向的作用力。

综合上述各种结构的特点，实际交通系统中，多采用单边短初级直线感应电机(Short primary single-side linear induction motor，即SLIM )，平时谈的直线轨道交通系统的驱动电机结构均指该类型。

3 交通用直线电机的研究进展

直线电机最早出现于19世纪，在100多年发展过程中，人们不断探索用于轨道交通中的大功率直线电机的新型结构。到目前为止，研究的主要国家有德国、日本、加拿大、英国、美国、法国、韩国和中国等。其中最具代表性的是日本的HSST和加拿大Bombardier系统，它们均采用SLIM结构，具体如图5。

图5 牵引系统中LIM常用结构形式Fig. 5 Typical structures of LIM applied in traction system

3.1 国外研究现状

德国工程师Kamper在1922年提出直线电机驱动模型，并在1934年获得世界上第一项专利[10]。1969-1975间研发了短定子LIM牵引的TR02(1971)和TR04(1974)。

日本从1962年开始直线电机牵引系统研究，1975-1990年间成功研制出短定子LIM驱动的HSST系统[11]。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。日本科学家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，目前该系统已应用在国内的几条线路中，收到良好效益。

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[12]。经过不断探索，国内的Bombardier直线牵引系统享誉全球。

英国铁路协会(BR)1974年在德比进行直线牵引电机驱动试验，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直线电机驱动铁路线[13]。

美国1989年提出新型直线电机驱动系统，1990年交通部对本国短、中、长距离共10余条线路采用直线牵引系统的可行性进行研究[14]。近年来国内研究者结合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[15]。

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[16]。

韩国现代和大宇两家公司投入大量精力，深入研究LIM电机驱动。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[17]。

3.2 国内研究现状

中国从1970年左右开始关注直线电机牵引技术。中国科学院电工研究所1975年左右开始LIM端部效应、电机设计和计算方法研究试验。浙江大学先后着手理论研究，出版国内最早直线电机译文集。1980～2002年之间，中国科学院电工研究所、浙江大学、西南交通大学、国防科技大学、铁科院等单位在关注磁悬浮技术的同时，对低速范围的直线感应电机相关技术进行了较深入的研究[18]。

到目前为止，直线牵引系统已在加拿大多伦多、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、北京等地的轻轨和地铁中应用。直线牵引系统的前景十分广阔，它的众多优点尤其适合我国国情[19]。深入开展直线电机系统的研究，对推广直线电机在国内城轨交通的应用、实现交通系统的牵引技术跨越等具有重要的现实意义。

4 直线电机研究的难点

日本和加拿大在LIM驱动系统进行大量研究并各自开发出产品。国内目前在广州4号线、5号线、北京东直门－北京机场线引进该系统，开启了我国新型城轨交通的起点。国家发改委已把LIM轨道交通作为国家“交通现代化关键技术”重大技术开发专项。因LIM是该系统核心之一，准确研究LIM牵引特性是其基础和重点。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。

图6 直线电机结构示意图Fig. 6 Structure of LIM

图7 直线电机驱动列车示意图Fig. 7 Diagram of train driven by LIM

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。不断变化三相交流电在气隙中产生行波磁场，并在次级导体板中感应出涡流，于是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LIM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[20]。通常极距与气隙之比越大，气隙中的漏磁越少，电机的效率与功率因数会变大，但导致端部绕线长度增加和造价上升，同时影响基速时的滑差频率和品质因数[21]，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，具体表现如下。

(1) LIM电磁设计方法

1)磁路开断结构非对称。直线电机因纵向铁心开断，三相绕组互感不等，即使在对称外电压作用下会产生非对称的三相电流，包括正序正向磁场，逆序反向磁场和零序脉振磁场。这种现象是直线电机结构所导致的，逆序和零序磁场在电机静止或运行中，将产生阻力和增加附加损耗，从而影响电机效率[19]。

2)横向和纵向边端效应。横向边端效应是因气隙大，初次级宽度不等导致，结果使横向磁通密度分布不均匀，次级导体板等效电阻率增加。纵向边端效应是在电机运行过程中产生的。在LIM初级进入和离开端，气隙磁场因磁链守恒，由楞次定律知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。产生的涡流使得气隙有效磁场在入端削弱，出端加强，使其牵引力产生脉动，电机控制难度增加[22-23]，牵引系数降低。情况严重时，会加剧三相电流不平衡和产生较大阻力。

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[24]。

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[25]。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(又叫法向力)表现为吸引或排斥，有时候会达到牵引力的3～5倍(单边型钢次级会更大)[26-27]。它会导致驱动系统的牵引损耗，对控制过程造成较大干扰，其数学模型的建立需考虑众多非线性因数[28-30]。

(2) LIM高性能控制技术

1)适合动态控制的数学模型。大功率牵引LIM因持续高速运行，不断受纵向和横向边端效应、集肤效应、温升、磁饱和度等影响，电机主要参数(包括励磁电感、次级电阻等)变化较大，给相关控制策略带来极大干扰(如磁场定向控制中磁链观测器的精度下降)，系统的动态性能变差[31-32]。

2)动态牵引力。随着运行速度的增加，LIM次级导板中的涡流反应加剧，将不断削弱电机等效互感，严重降低牵引力及驱动能力[26]。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[33]。

3)运行效率的提升。LIM因磁路开端和大气隙的影响，运行效率较低(低速和轻载时更明显)[34]。在保证LIM牵引能力和快速响应的前提下，需要研究LIM效率优化控制策略，减小系统能耗。

5 结论

本文对直线电机牵引系统的优点、直线电机结构、直线电机研究现状、直线电机研究难点等进行了详细论述，得出以下几点有益的结论。

1)直线电机系统是一种非黏着直驱的新型交通模式，相对传统旋转电机系统拥有自己的特点，其爬坡能力强、盾构面小、转弯半径小等特点表明该系统在大城市的城内交通中拥有广泛的潜在市场。

2)国外的主要发达国家对直线电机系统先后进行了较深入的研究，尤其是加拿大和日本已开发出较成熟的产品并应用于实际线路中。我国科研工作者已在该领域开展了一些相应的研究和取得一定成绩，但深度和广度还不够。

3)直线电机因纵向磁路开断、端部有半填充槽、三相绕组不平衡、垂直方向具有垂直力等原因，其数学模型和相关性能相对旋转电机更复杂。国内广州、北京等地先后引入日本、加拿大的相关系统，企业和高校、科研院所应该充分利用各自的优势，取长补短，不断深入的合作，争取早日实现直线电机驱动系统的国产化。

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Survey on the Development of Linear Induction Motor Based on Railway Transportation

HUANG Shurong1, XU Wei2, HU Dong2
(1. Guangdong Power Grid Co. Ltd. Foshan Power Supply Bureau, 528000, China; 2. Huazhong Uniνersity of Science and Technology, Wuhan, 430074, China)

Linear induction motors (LIMs) have been widely applied in railway transportation systems in the past thirty years. This is basically due to its merits of simple structure, less energy consumption, less manufacturing cost, etc. However, for the LIMs special characters such as cut-open magnetic circuit and large air gap length, survey on LIM is much more difficult than traditional rotary motor. This paper briefly describes merits, four main structures and characters of linear induction motor applied in railway transportation. The paper summarizes research and development of linear induction motor at home and abroad, and discusses several key technology problems.

linear induction motor (LIM); railway transportation; drive system

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.01.02

国家自然科学基金项目(基金号51377065和61301035), 湖北省科技支撑计划(基金号XYJ2014000314), 华中科技大学自主创新研究基金(基金号2014TS149)。

黄书荣, 硕士, 高级工程师, 主要从事新能源规划研究; 徐伟, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事新型电机及驱动系统研究; 胡冬, 学士, 主要从事城轨用直线感应电机研究。

黄书荣，徐伟，胡冬．轨道交通用直线感应电机发展状况综述[J]．新型工业化，2015，5(1)：15-21