用于磁悬浮列车的长定子同步直线电动机电磁设计

　　国外的交通研究报告指出,距离约为800 km 的大城市之间的中远程运输,对于汽车和火车来说距离太远,对飞机又显得太近,从成本上来说很不经济. 然而,这一距离对于磁悬浮列车来说却非常适合,磁悬浮列车以高达500 km/ h 的运行速度可以填补汽车、火车与飞机之间的交通运输空挡,还能减轻汽车和飞机对环境的污染[ 1 ]. 因此磁悬浮列车将成为现有交通运输系统的有力补充,并使工业国家存在的高速长途运输问题有望得以解决.

　　高速磁悬浮铁道运输有EMS 与EDS 两大系统. EMS(机车车辆侧驱动) 是一种吸引式电磁悬浮系统, EDS(轨道侧驱动) 是一种排斥式电动悬浮系统. 德国磁悬浮列车的发展经历了从长定子同步直线电动机的EDS , 到短定子异步直线电动机的EMS , 再到长定子同步直线电动机的 EMS 的过程,并最终确定了长定子EMS 的发展路线.

　　德国高速磁悬浮列车以其无接触式电磁悬浮、驱动和导向系统为铁路交通开辟了新的前景. 磁悬浮列车的速度高达500 km/ h , 尽管运行速度很高但能量消耗却不大,运行时没有摩擦损耗,舒适性好,对环境的影响很小[ 2 ]. 另外其悬浮和导向系统环绕导轨(即车辆从外面包着路面),且悬浮、导向和制动功能被设计成既是冗余的又是各不相同的,因此运行时非常安全.

　　德国磁悬浮列车经过长达数10 年的发展,技术已趋于成熟,目前几个国家如德国、美国和中国等正考虑将长定子磁悬浮列车投入使用. 在美国,拉斯维加斯已决定在该城与洛杉矶之间的交通线上使用德国的高速磁悬浮列车;德国针对磁悬浮列车在国内的应用,也展开了大规模的调查, 莱茵走廊/ 美茵—莱茵 / 鲁尔以及北德和南德地区均属考虑之列;中国上海正在建造磁悬浮铁路,使用德国高速磁悬浮列车TR -08 技术,力争成为世界上第一条实际应用的磁悬浮铁路.

　　1 长定子同步直线电动机

　　1. 1 　工作原理

　　德国TR 型磁悬浮列车无接触式的牵引技术要求采用长定子同步直线电机驱动. 电机定子铁心由015 mm 厚的电工钢片叠压而成,被固定在导轨的下部;定子三相绕组由防护电缆组成,预先成形,并由敷线车将其嵌放在导轨两侧的定子槽中. 定子三相绕组通电后,产生一个移行磁场,与布置在车辆上的悬浮(励磁) 磁铁相互作用,实现牵引. 其工作原理如图1 所示.

　　图1 长定子同步直线电机的工作原理图

　　为获得恒定的悬浮力,德国TR 型磁悬浮列车采用吸引式电磁悬浮原理,由同步电机的定子铁心与车辆上的悬浮磁铁之间形成气隙磁通产生悬浮力. 其悬浮和牵引系统合二为一,这也是德国TR 型磁悬浮列车的优势所在. 为满足列车高速运行的要求, TR 型磁悬浮列车采用独立的导向系统,线路两侧垂直地布置有钢板(导向和制动轨),车辆两侧相应地布置有导向磁铁,它与线路的钢板形成闭合回路. 电磁铁线圈通电后,可产生足够的横向导向力,但独立导向系统增加了车的重量和线路成本[ 3 ].