高速磁浮系统能耗与效率分析

高信迈，张志强，郑景文

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）

轨道交通作为最经济、最节能和最环保的公共交通方式，一直以降低系统能耗、提高系统效率为主要目标。随着轮轨车辆逐渐接近理论运行速度，进一步提速几乎不可能，而利用磁悬浮无接触的高速磁浮列车具有突破速度限制的潜力。目前我国已经拥有上海高速磁悬浮示范线、长沙机场磁悬浮线、北京S1线、清远线和凤凰旅游线[1]。除上海示范线外，其余均为中低速磁悬浮线路。基于影响轨道交通能耗和效率的因素，本文通过能量传输路径分析了能耗与效率的关系，分别对高速磁悬浮、轮轨和中低速磁悬浮系统的牵引电机、牵引架构及车辆阻力进行了比较分析。不同牵引电机及牵引架构对应不同运行速度和能量需求，感应直线电机[2-4]因其效率和功率因数在系统中不占优势，但采用同步直线电机[5-6]的高速磁浮将励磁与牵引电流分离，获得不错的牵引效率。最后，通过对比，在相同速度下高速磁浮与轮轨人均能耗相当，高速磁浮拥有更高速度运行的能力，高速运行时，效率进一步提高。

1 轨道交通能量传递路径

电气化轨道交通系统将电能转化为列车的高速动能和克服车辆阻力的机械能。将公网电能通过专用输电网络连接到牵引变电站和接触网，车辆配置受电弓，将高压电引入车辆馈电传输网络、牵引变流器和牵引电动机实现驱动列车，如图1所示。系统能耗主要包括能量传输损耗和车辆阻力能耗。牵引供电系统损耗主要包括变电所和馈线网络的输变电损耗、车载牵引设备损耗和辅助设备能耗。车辆阻力能耗至少包含机械传动摩擦能耗和行驶阻力能耗。

图1 轨道交通能量传递路径示意图

式中：Esys_mc，Ep_loss，Ev_c分别为磁悬浮系统、牵引系统和运行阻力的能耗；Esys_rc，Efri_c分别为轨道系统能耗和摩擦阻力能耗；Fopti_r为车辆运行的阻力。

高速磁浮采用非接触式电磁直驱方式牵引，系统能量的传输和转换均在地面完成。由于供电方式不同，高速磁浮能量损耗和轮轨系统也不同。主要有2个区别：①高速磁浮系统没有滚动摩擦和机械传动损耗；②轮轨系统采用集中式牵引驱动电机，高速磁浮牵引驱动电机远大于列车长度。

车辆阻力和能量传输效率是车辆能耗的决定性因素。在高速轨道交通中，车辆阻力能耗是系统能耗的主要组成部分，牵引供电系统需要满足车辆能源需求，其效率间接影响系统能耗。不同的牵引架构具有不同的能量传输模式、传输容量和效率。减小车辆阻力可以减少车辆运行所需的能量。提高牵引供电系统及其部件的效率可以提高轨道交通系统的能量传输能力和效率，两者都可以降低系统能耗。

2 不同速度等级下高速磁浮系统效率

目前，磁悬浮列车主要分为高速磁悬浮列车和低速磁悬浮列车。其牵引系统结构和牵引电动机截然不同。

2.1 异步感应电动机

用于轮轨车辆牵引电动机的旋转异步电动机由硅钢定子、电枢（由分布式多匝双层铜绕组组成）、转子（由短路自闭铸铝导体和软磁钢组成）和支撑转子的机械轴承组成。中低速磁悬浮一般采用短定子异步直线电机。短定子属于车载设备，由硅钢片压制堆叠定子铁芯和多匝双层铜绕组组成。次级反应板沿轨道铺设，由铝板和软磁钢板组成。

定子绕组由交流变流器供电，通过车载三相变流器产生旋转磁场。转子的感应电流和磁场由交变定子磁场产生。基于转子旋转频率的感应磁场与旋转磁场相对静止。通过这种方式，提供了稳定的转矩并保持了电机的稳定旋转。从图2可以看出，感应电机励磁电流和等效转子电流的矢量和等于定子绕组电流。保持输出功率不变，气隙越大，需要的励磁电流越大，励磁电流占定子电流的比例越高，即功率因数越低。励磁电流是建立电机气隙磁场的电流，不会直接转换功率，但其通过定子绕组馈入电机，也会导致定子铜损失，即电机效率低，如图3所示。当电机的气隙磁场保持恒定时，滑差率越大，转子电流越大，效率和功率因数越低，如图4所示。

图2 异步感应电机等效电路

图3 异步感应电机气隙特性

图4 异步感应电机滑差特性

异步旋转感应电动机与异步直线感应电动机的区别：①普通异步感应电动机的工作气隙仅为0.5～2 mm，中低速磁悬浮异步直线电动机的工作间隙为8～13 mm。②一般异步感应电动机的转差率为0.02，中低速磁悬浮的转差为0.2，即磁悬浮直线异步电动机的转子电流和磁场频率更高。③直线电机磁路开路，端极磁场泄漏严重，端部电枢绕组不对称，降低了电机效率。

基于间隙配合、机械装配误差和安全性等要求，磁悬浮异步直线感应电动机的气隙远大于旋转异步电动机，一般为8～13 mm，中低速磁悬浮异步直线感应电动机的功率因数和效率都比旋转异步电动机差。

2.2 同步电机

永磁旋转同步电机或电励磁线性同步电机的等效电路如图5所示。同步电动机的功率因数取决于电动机端电压和反电势之间的幅度差，即可以通过调节励磁电流来调节同步电动机的电源因数。

图5 同步电机等效电路

永磁同步电机由具有硅钢定子和双层集中铜绕组的电枢、带有软磁钢的嵌入式永磁转子和支撑转子的机械轴承组成。转子上的永久磁铁可以等效于电路中的励磁电流。高速磁悬浮长定子同步直线电机的长定子沿轨道左右两侧布置，由层压硅钢片和单匝波铝绕组组成；磁极属于车载设备，由硅钢片和多匝铝箔绕组组成。由永磁体或电励磁产生的转子励磁产生主磁极磁场。将与磁极位置相关的三相交流电引入定子电枢绕组，形成旋转磁场或行波磁场，与主磁极磁场相互作用，产生牵引力矩或牵引力，实现车辆运行。

从等效电路和同步电动机的特性可知，励磁电流随着间隙的增大而增大。保持输出功率不变，定子电流和功率因数与气隙无关。由于励磁功率的增加，电机效率略有下降，如图6所示。对于高速磁悬浮同步直线电机，单车牵引功率约为4.2 MW，励磁功率为80 kW。励磁损耗占牵引传输功率的一小部分。与旋转永磁同步电机相比，高速磁悬浮直线同步电机的主要区别在于气隙为8～12 mm，远大于一般约2 mm的旋转永磁同步电机。

图6 同步电机气隙特性

中低速磁悬浮采用短定子感应直线电机，高速磁悬浮采用长定子同步直线电机。两者的工作气隙均为8～13mm，但气隙对其影响明显不同。

短定子直线感应电机的主极磁场和转子无功电流磁场的磁阻都随着气隙的增加而增加，并且主极磁场电流和转子磁场电流都由电机定子绕组电流提供。当气隙增大或滑移率增大时，定子电流中的无功分量大大增加，导致短定子直线感应电机的功率因数和效率严重下降。

直线同步电机气隙增大导致转子励磁电流增加，但与定子电流无关。电动机的功率因数可以通过调节励磁电流来调节，并且电动机的励磁功率与电动机的传输功率的比例很小，这对效率的影响有限。4种轨道交通不同制式牵引驱动电机性能比较表，见表1。4种不同电机损耗和性能的定性比较，见表2。

表1 4种轨道交通不同制式牵引驱动电机性能比较

表2 4种轨道交通不同制式牵引驱动电机损耗和性能的定性比较

2.3 牵引系统架构

不同轨道车辆的牵引系统的供电结构有很大不同，牵引供电系统为车辆所需的能量提供传输通道。车辆的速度水平和阻力决定了车辆运行时的供电水平，牵引系统架构决定了供电能力和系统效率。

2.3.1 高速动车组的供电架构

由图7可知，高速动车组牵引电源从110 kV公共电网引入牵引变电所，通过接触网沿轨道供电。该路段的车辆由受电弓移动提供动力。单相25 kV高压电源通过高压接线柜、牵引变压器和牵引变流器为三相牵引电动机提供变压变频电源。牵引电机与变速箱轴相连，实现轮对牵引车辆的机械驱动。牵引供电网络可满足8节编组或16节编组列车350 km/h的要求。根据牵引电动机的功率，牵引供电系统应能提供23.5 MVA以上的能量传输通道。

图7 高速动车组牵引供电系统架构

2.3.2 中低速磁悬浮牵引架构

中低速磁浮牵引供电系统架构如图8所示，供电电源从35 kV配电网引入，经整流成1 500 V直流电源，通过供电轨或受电弓移动馈电至车辆。车辆设置牵引变流器、辅助变流器将直流电源变换为指定的交流电源。牵引变流器给牵引电机供电；辅助变流器为悬浮及车载设备供电。磁浮车辆采用直线电机直接驱动，为提高车辆加速能力提供了可能，但是因悬浮控制的精度及系统安全的要求，悬浮间隙一般在8~13 mm，为提高电机能量传输效率，转差频率一般比旋转电机高，两者降低了牵引电机的功率因数和牵引效率。中低速磁浮牵引供电容量远大于车辆牵引功率，故该类型的轨道牵引功率因数低，效率也不高。

图8 中低速磁浮牵引供电系统架构

2.3.3 高速磁悬浮牵引架构

高速磁悬浮牵引的供电能量传输路径在地面。动子的励磁磁场与悬浮一起使用。车载磁极提供悬浮力，同时实现同步线性电机的励磁。高速磁浮牵引供电系统架构如图9所示。高速磁悬浮牵引电源来自公共110 kV电网，将通过主变电站提供35 kV电源，形成35 kV电源环网、牵引输入变压器、牵引变流器、牵引输出变压器和牵引线性电机。车载悬架引导和其他设备的电力由谐波线性发电机产生，以向车辆供电，从而增加车辆牵引阻力。牵引线性电机沿轨道分段供电。车辆的定子部分需要整体电源，这导致了电源阻抗较大，电机功率因数和效率比旋转同步电机更低。高速磁浮运行目标为600 km/h，5节编组列车的牵引电机应保持96 MVA的输电能力。

图9 高速磁浮牵引供电系统架构

电机结构对电机效率有着重大影响，车辆需求的功率等级和轨道型式决定了采用何种牵引电机。不同轨道牵引供电架构效率比较见表3。

表3 不同轨道牵引供电架构效率比较

1）磁浮直线电机气隙（8~13 mm）较旋转电机气隙（1~3 mm）大。异步感应电机对气隙增大比较敏感，受影响较大。同步电机对气隙增大不敏感，仅对励磁电流比较敏感，电机效率及电机功率因数影响不大。

2）电力驱动的轨道列车能量自公网接入牵引变电所，经馈电线路、变压器和变流器至牵引电机转换为机械力的基本途径差异不大。

3）不同牵引供电架构的供电能力差异较大，对应驱动车辆运行速度存在较大差异。

4）牵引电机在供电架构中均是损失能量占比最大的部件，提升牵引电机的效率对提升牵引系统效率作用明显。

3 运行阻力

轮轨和高速磁浮系统车辆在支撑、导向和牵引实现的方式存在显著差异，其车辆运行中的阻力及阻力成分存在较大差异。车辆阻力主要包括行驶阻力和加速阻力，对于干线运输影响车辆能耗的主要为行驶阻力。行驶阻力中，对于轮轨车辆相关的阻力主要包括滚动阻力、空气可变阻力（车辆气路、空调排风等）和气动阻力；对于高速磁浮列车相关的阻力主要为发电阻力、磁化阻力和空气阻力。

3.1 轮轨车辆阻力构成

轮轨车辆中行驶阻力主要有与速度无关的相对恒定的滚动阻力、与运行速度相关的空气脉冲阻力和与速度平方相关的气动阻力，如图10所示。随着速度的升高，气动阻力占比急剧上升，如图11所示。影响气动阻力的主要因素有头车、尾车及列车表面平滑度等。在高速列车中为了降低车辆气动阻力针对头型进行流线设计，表面进行平滑处理。

图10 轮轨车辆阻力构成

图11 高速动车组平直道高速运行阻力占比

3.2 高速磁浮车辆阻力构成

常导高速磁浮列车的阻力有与速度倒数相关的车载负荷供电阻力、与速度均方根成正比的磁化阻力和与速度平方成正比的气动阻力，如图12所示。同轮轨车相似的情况，随着速度的增加，气动阻力占总阻力的比例上升，如图13所示。同样为了降低车辆气动阻力，对头车车型及车辆表面进行优化处理。

图12 常导高速磁浮车辆阻力构成

图13 常导高速磁浮350 km/h运行时阻力占比

常导高速磁浮与高速轮轨运行阻力与速度的关系图，如图14所示。图中高速轮轨车辆为8节编组，高速磁浮车辆为5节编组。高速磁浮在车载发电机未投入工作时，车辆阻力低于轮轨车辆。当运行速度大于100 km/h后车载发电机投入运行，因要满足车载设备载荷且车辆运行速度较低，发电阻力占比较大。随着速度的提升，气动阻力和磁化阻力增加，发电阻力下降，其占比关系发生显著变化。在车辆高速运行时，轮轨车辆气动阻力超过80%，磁浮车辆的气动阻力占比也达到76%，因此对车辆头型及表面进行优化是降低车辆能耗的主要措施。这些减阻技术措施与轮轨还是磁浮制式无关。600 km/h高速磁浮在动车车型设计的基础上优化而成，600 km/h高速磁浮列车相对于既有的动车车辆，其同等速度下气动阻力有所下降。

图14 常导高速磁浮与高速轮轨运行阻力与速度的关系

4 能耗组成及占比

为直观地比较高速轮轨与高速磁浮能耗及各部分占比，参考8节编组标准动车组各阻力和动车组牵引供电系统效率仿真计算了350 km/h速度下运行1 000 km对应的系统能耗，结果如图15所示。同时，计算了高速磁浮8节编组列车按350 km/h速度运行1 000 km对应的系统能耗，结果如图16所示。按照相同速度及线路条件下仿真计算轮轨与磁浮系统，高速磁浮系统能耗略优于轮轨，约为99.2%。

图15 动车组350km/h运行1 000 km系统能耗

图16 高速磁浮350km/h运行1 000 km系统能耗

5 结论

低能耗、高效率一直是轨道交通装备追求的目标之一。能耗是不同速度级的列车为达到期望运营目标而消费的能量，通常以人均百公里能耗作为轨道车辆的节能降耗状况的直接评价指标。低能耗是绿色节能交通追求的直接目标。效率是系统传递或变换能量时，有效传递或变换能量与系统输入总能量的比值，是直接评价系统利用能量的技术水平指标，是间接反映系统节能水平的指标。

1）降低系统能耗是轨道交通追求的最终目标，也是评判不同制式绝对节能水平的唯一直接指标，效率是评价能量利用水平的指标，是评判系统节能水平的相对的、间接的指标。

2）大容量直驱的直线同步牵引系统效率略低于轮轨旋转异步电机牵引系统效率。

3）按350 km/h运行，高速磁浮系统能耗与轮轨系统能耗相当。

4）采用何种形式的牵引电机，取决于车辆空间、运行速度、加速要求、车辆阻力和系统效率等多种因素。