北京地铁机场线直线电机国产化应用研究*

崔霆锐，　宗立明，　李　熙，　孟　磊

(北京市地铁运营有限公司地铁运营技术研发中心，北京　102208)



北京地铁机场线直线电机国产化应用研究*

崔霆锐，宗立明，李熙，孟磊

(北京市地铁运营有限公司地铁运营技术研发中心，北京102208)

摘要：从电磁性能和工艺结构两方面对电机进行自主优化设计，并将试制的2台国产电机安装在北京地铁机场线车辆上进行静动态调试试验。试验结果表明国产电机各项技术参数与进口电机基本一致，牵引性能及电气性能与进口电机相当，在温升特性和功效等方面有所提升。在此基础上又对2台国产电机进行了十万公里载客运营考核试验，验证了国产电机对北京地铁机场线实际运营环境的适应性，以及对同类进口产品的替代性。

关键词：直线感应电机； 电磁性能； 工艺结构； 城市轨道交通

0引言

由于传统依靠轮轨黏着作用传递动力的地铁车辆的种种弊端，使直线感应电机运载系统走上了历史舞台。直线感应电机驱动的轨道交通模式最早开始于日本和德国对于超导和常导磁悬浮系统的研究[1]。从20世纪80年代中期加拿大多伦多Scarborough线和温哥华Skytrain线的建成通车开始，其后近30年中，直线感应电机运载系统在国外得到了良好的发展，目前全世界已有加拿大、美国、日本等5个国家共10余条直线感应电机驱动地铁线路投入商业运营，总里程超过300km。直线感应电机运载系统正在逐渐成为城市轨道交通的一种主要模式[2]。

北京地铁机场线是国门第一线，于2008年北京奥运会前开通运营，成为国内直线电机运载系统研究应用的开端。机场线QKZ5型车辆是庞巴迪公司配套车辆，关键技术主要为国外所掌握，关键备品备件完全依赖进口，用户购车、用车成本昂贵。购买备品备件困难、采购周期长，关键系统售后服务迟缓。车辆维修成本相对较高，维护依然需要借助外方的技术、备件等。

根据国务院和国家发展改革委员会的要求，实现城市轨道交通车辆国产化具有极其深远的战略意义，不仅可以降低工程造价，方便维修，降低运营成本，也可以推动我国城市轨道交通产业和相关产业的发展。国家制定了城市轨道交通车辆平均国产化率不低于70%，牵引系统的国产化率达到40%以上的原则。

在借鉴国外技术的基础上，国内首次研制了具有完全自主知识产权的大功率强迫风冷式直线感应电机，并在北京地铁机场线完成了静动态调试试验和载客运营考核试验。

1直线电机电磁性能设计

电磁性能设计通过对电机的铁心、绕组、反应板、次级铁轭等部分进行磁路、电路的计算，获得满足电机运行性能的各部分参数，如铁心尺寸、铜线线规、绕组排列参数、次级材料、次级尺寸等。

1.1电磁设计及特性计算

大功率直线牵引电机是一个非线性、强耦合的时变系统，励磁电感和次级电阻等重要参数随电机速度、气隙长度、滑差等变化，并影响着电机的牵引特性。为了满足直线电机牵引的技术要求，电机设计计算方法的准确性是一个重要问题[3]。在直线电机中，铁心在沿磁场行进的方向上的不连续，结构上的特殊性使得直线感应电机存在动静态纵向端部效应、横向端部效应、边端极“半填充槽”、电磁气隙大、次级反应板集肤效应等一些独特的问题，对电机性能计算的准确性影响很大，旋转感应电机的理论不能直接应用于直线电机分析计算上，其理论分析和特性计算更为困难和复杂。

图1　计及端部效应等影响的直线感应电机的T型等效电路

图1中的各修正系数如式(1)～(4)所示。

(1)

(2)

次级相电阻的第二种横向端部效应修正系数Cr(s)：

(3)

次级磁化电抗的第二种横向端部效应修正系数Cx(s)：

(4)

式中：τ——极距；

s——滑差率；

G——品质因数；

p——极对数；

ε——短距的槽数；

q——每极每相槽数；

C1、C2、T为式(1)～(4)推导中的过渡变量，是电机结构参数、滑差率、初级频率、极数、品质因数等的函数，且均为复数量[5]。

这样，就得到了考虑直线感应电机的端部效应、集肤效应及端部半填槽等结构特点的T型等效电路，可以进行电机的各种特性计算。

1.2基于有限元法的电磁设计程序

目前直线电机理论分析方法主要有直接解析法、分层分析法和有限元法[6]。有限元法是根据变分原理和离散化求取近似解的方法，从而对电机的求解域进行剖分。导电媒质中电磁场矢量和位函数的微分方程如下：

(5)

式中：σ——电导率；

v——运动介质的速度；

μ——磁导率；

A——矢量磁位。

要求得到式(5)的完全三维解非常困难，所以这里不求三维解，而是采用图2所示的直线感应电机的二准模拟图来求解。

图2　直线感应电机的二维模拟图

电机电磁场的数值解法常用的有差分法及有限元法。有限元法由于剖分灵活，对求解区域边界的逼近优于差分法，所以计算精度更高，应用更广泛。以变分原理为基础的有限元法在求解电机电磁场问题时，其求解步骤如图3所示。

各场量求解之后可采用软件的后处理功能，对求解结果进行相应的电磁特性分析。

按照QKZ5型车辆牵引系统对直线感应电机的要求，编制电机电磁计算和设计程序。电机电磁设计过程与旋转感应电机的设计过程类似，也需经过主要尺寸、绕组参数确定、磁路计算、电路参数计算等过程，但需考虑直线电机与旋转电机结构上不同，进行一些修正。由求得的等效电路参数，即可求得次级输出的有功功率Pe2及电磁推力F：

图3　有限元法求解电机磁场的过程框图

(6)

(7)

式中：m——相数；

υ2——车速；

υs——同步速度；

电磁设计程序框图如图4所示。

图4　电磁设计程序框图

对于具有非线性导磁材料的直线感应电机磁场，需采用瞬态场进行分析，将矢量磁位A作为该磁场的描述函数，根据式(5)所需求解的非线性磁场的边值问题可描述为

(8)

式中： Ω——求解域；

Γ——求解域的外边界。

v——媒质相对于参考坐标系的运动速度；

Js——外部强加的源电流密度；

σ——媒质的电导率；

μ——媒质的磁导率。

2直线电机结构和工艺设计

根据电磁设计所得参数对直线电机的机械结构参数和电磁参数进行优化计算，提出优化设计方案，使所研制的大功率直线牵引电机在额定工

作点的效率和牵引力矩提高[6]。具体的结构设计与工艺创新点如下：

(1) 冲片和绕组设计。为了提高电机堵动推力，采用一体化设计，即铁心直接带散热齿的形式，加大槽形面积，增加导线面积，降低电流密度的方法，使电机推力提高，温升降低。

(2) 通风设计。强迫风冷电机的关键技术是通风问题。传统的电机铁心散热方法是在铁心轭部安装铝合金散热片。本设计采用在冲片磁轭上方冲制散热片的方式。这种方法成本低，散热效果较好。为了减少风阻采用圆顶梯形散热齿，利于通风散热，经试验效果良好。

(3) 风机设计。在外形及安装尺寸不变的情况下，改变风机电机的装配方式，增加了风机的功率，提高了风机的转速，有利于电机的散热。同时还设计制造了防堵风罩，采用增加垂直面进风口的方法，当机车减速时垂直堵塞物可以自由落下。与机场线原风机的对比试验结果如表1表示。新研发的国产风机各项指标均优于进口风机。

表1　风冷电机用风机性能试验对比表

(4) 线圈绕制工艺。电机绕组端部是电机温升最高的部位，为了加强绕组端部散热，应尽量加大绕组端部的风道距离。传统的做法是线圈从里圈绕到外圈，引出线里圈一根、外圈一根。里圈的引出线夹在两组线圈中间，挡住了风道，不利于通风。改进工艺采用错位交叉换位正反绕工艺方法，使两根引出线都在线圈外圈，便于连线且不挡风道，有利于绕组散热，效果显著。

(5) 线圈热压工艺。为了便于绕组端部散热，改变了绕组热压只压直线部分的传统工艺。采用线圈直线部分和端部同时压模热压的新工艺，保证绕组端部坚实、整齐、规范，有利于通风散热。

(6) 电机浸漆及覆盖漆涂敷工艺。为了提高电机防水性能、绝缘性能和散热性能，采取了有绕组铁心两次真空浸漆工艺，保证浸漆质量，提高散热效果。同时电机绕组外部涂敷防水硅橡胶绝缘覆盖漆，满足了电机浸水试验的性能要求。

3静动态调试试验

调试试验不仅要考核国产电机的性能，更重要的是考核国产电机与车辆牵引系统的配合性，以及与进口电机同车混用时的协调一致性。因此，在一列四节编组的机场线车辆上，用2台国产电机替换同一台变流器供电的2台进口电机，对2台国产电机与6台进口电机同车混用的情况进行试验。

3.1牵引性能比较与分析

额定负载情况下两车牵引整列车的速度加速度曲线如图5所示。随着速度的上升，加速度下降比较明显，2台国产电机和2台进口电机共同牵引时与4台电机牵引时加速度曲线的变化和波动一致。

图5　额定负载两车100%牵引速度加速度曲线

表2给出了每次牵引时加速度的平均值和平均加速度。由表2可以看出加速度在0.45～0.51m/s2范围内波动，二者的波动范围大体相同，从其平均值上可以看出2台国产电机加2台进口电机比4台进口电机的加速度平均值高出0.37%、平均加速度高出0.42%。

表2　额定负载两车100%牵引加速度对比表

3.2电气性能比较与分析

图6～8分别为额定负载时，A1车(由2台国产电机牵引)或者B1车(由2台进口电机牵引)单独牵引整列车时的有功功率、无功功率和功率因数曲线。可以看出国产电机的最大输入有功功率小于进口电机的最大输入有功功率，国产电机的最大输入无功功率与进口电机相当。国产电机的功率因数与进口电机相近。

图6　额定负载单车100%牵引时有功功率曲线

图7　额定负载单车100%牵引时无功功率曲线

图8　额定负载单车100%牵引时功率因数曲线

对各单车牵引时数据平均值的总结分析如表3所示，国产电机相对效率比进口电机高4.53%。

表3　额定负载单车100%牵引时效率相对值对比表

3.3爬道起动能力测试

以4台进口电机牵引情况作为参考，比较两台国产电机与2台进口电机共同牵引时的坡道起动能力。试验结果如表4所示。可见国产电机与进口电机的爬坡性能相当，所出推力一致，仅功率因数略低，但其单位有功所出的力比较大。

表4　坡道起动能力对比测试试验结果

3.4温升比较

试验条件为三节车(2台国产化电机和4台进口电机)牵引的列车按照正常运行图全线运行，国产电机和进口电机运行过程中的温度和速度曲线如图9所示。国产电机和进口电机的初始温度一致。试验过程中，进口电机的温升值一直高于国产电机，进口电机最大温升为52.5K，而国产电机最大温升为40.0K，两者相差12.5K。

图9　国产电机与进口电机温度曲线对比

3.5整车牵引制动及运行稳定性测试

试验工况为整车(4节车，8台电机)额定负载下在正线平直道上100%牵引加速到100km/h，惰行3s后100%电制动停车。图10为整车速度和加速度曲线图，可知加速度比较平稳，牵引性能良好。从图11电机电流曲线可以看

图10　额定负载整车100%牵引速度加速度曲线

图11　额定负载整车100%牵引电流曲线

出国产电机和进口电机的电流一致，低速时电流在580～600A范围内波动，在最大功率点以上电流急剧下降，从580A逐渐下降到约350A。

从表5中可以看出两者的无功及有功一致。发现最大功率点在40～53km/h之间，此段区域内加速度下降幅度比较大。整车牵引时国产电机和进口电机的功率因数相同，二者在0.6～0.5之间变化。

表5　额定负载整车100%牵引功率对比表

4十万公里载客运营考核试验

为了考核国产电机对实际环境的适应性，在北京地铁机场线进行了超过6个月的十万公里载客运营考核试验，试验列车按正常运营调度安排。

列车上的CANOPEN数据记录仪实时监控车辆状态并记录试验数据。 图12截取了A1车2台国产电机及B1车2台进口电机运营期间1h的速度与电流曲线图。图13截取了A1车2台国产电机及B1车2台进口电机1h的速度与温度曲线图。

结果显示整个试验期间2台国产电机的温度均在80℃以下，国产电机的升温趋势和进口电机一致，国产电机与进口电机均没有发现温度异常升高的现象。国产电机与进口电机电流波动趋势基本一致，最大电流均未超过600A，小于电机设计的额定电流，没有出现异常过电流情况。

5结语

根据轨道交通系统的牵引特性，在国外已有系统的基础上从节能和提高牵引性能入手，利用现代电机设计技术，提出了一种基于有限元法的电磁设计程序，并从冲片、绕组、通风和浸漆等方面对电机工艺结构进行优化设计。国产电机已在机场线试验和运行超过6个月，累积调试里程约1200km，载客运营里程120550km。车辆运行安全稳定，国产电机运行正常，牵引性能及电气性能与进口电机相当，国产电机在温升和功效性能方面有所提升。国产直线牵引电机能够适应机场线实际运行环境，可以代替进口产品在北京地铁机场线车辆上使用。

图12　国产电机及进口电机的速度与电流曲线图

图13　国产电机及进口电机的速度与温度曲线图

【参 考 文 献】

[1]张振生.直线电机城市轨道交通车辆综述[J].变流技术与电力牵引,2003(4): 1-7.

[2]叶云岳.直线电机原理与应用[M].北京： 机械工业出版社，2000.

[3]FAIZ J， JAFARI H. Accurate modeling of single-sided linear induction motor considers end effect and equivalent thickness[J]. IEEE Transaction on Magnetics， 2000(5)： 3785.

[4]BOSE B K. Modern power electronics and AC drives [M]. Beijing： China Machine Press， 2005.

[5]尚静.异步起动永磁同步电动机性能参数的准确计算及结构优化[D].哈尔滨： 哈尔滨工业大学，2004.

[6]龙遐令.直线感应电动机的理论和电磁设计方法[M].北京： 科学出版社，2006.

[7]FUJII N， HOSHI T， TANABE Y. Methods for improving efficiency of linear induction motor for urban transit[J]. Mechanical Systems， Machine Elements and Manufacturing， 2004，47(6)： 512-517.

Localization Research on LIM for the Airport Line of Beijing Subway

CUITingrui，ZONGLiming，LIXi，MENGLei

( Beijing Subway Operation Technology Center， Beijing 102208， China)

Abstract：The motor was optimized independently from both electromagnetic properties and process structures. Static and dynamic experiments were conducted on the two trial domestic motors which were installed in a vehicle of airport line. The results revealed that technical parameters of both domestic and imported motor were basically the same， that traction performance and electrical properties were quite， and that the thermal property and efficacy of the domestic motor was superior to the imported one. On this basis， the two domestic motors were tested in a passenger operational assessment of one hundred thousand kilometers. So the adaptability of the domestic motor to actual operating environment in airport line had been verified. And the domestic product was proved an alternative to the imported one.

Key words：linear induction motor(LIM)； electromagnetic properties； process structures； Urban rail Transit

收稿日期：2015-07-23

中图分类号：TM 359.4

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2016)01- 0035- 07

作者简介：崔霆锐(1982—)，女，硕士研究生，工程师，研究方向为电力电子与电力传动领域。宗立明(1981—)，男，高级工程师，研究方向为机械设计制造及其自动化领域。

*基金项目：国家科技支撑计划课题《轨道交通列车节能关键技术及工程应用示范》(2013BAG24B00)；北京市地铁运营有限公司科研项目《机场线QKZ5型车辆关键系统国产化应用研究》(2014000501081001)

李熙(1981—)，男，博士后，高级工程师，研究方向为交通信息工程及控制领域的研究。