核心提示：　　研究開發(fā)直線電機(jī)在軌道車輛運(yùn)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(shè)計(jì)概念帶來重大的變化。通過對(duì)目前世界上直線電機(jī)車輛使用的實(shí)際業(yè)績(jī)的分析，提出車輛質(zhì)量可減輕的

　　研究開發(fā)直線電機(jī)在軌道車輛運(yùn)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(shè)計(jì)概念帶來重大的變化。通過對(duì)目前世界上直線電機(jī)車輛使用的實(shí)際業(yè)績(jī)的分析，提出車輛質(zhì)量可減輕的觀點(diǎn)。

　　廣州市地下鐵道總公司建設(shè)事業(yè)總部車輛項(xiàng)目經(jīng)理，從事廣州地鐵新線車輛的引進(jìn)和技術(shù)、項(xiàng)目管理工作。

　　直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，而不需通過任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的電機(jī)。城市軌道交通系統(tǒng)采用直線電機(jī)傳動(dòng)的優(yōu)越性已被越來越多的人所認(rèn)識(shí)，目前世界上已有7個(gè)城市相繼建成了采用直線電機(jī)車輛的城市軌道交通系統(tǒng)。

　　直線電機(jī)的車輛較普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)車輛的優(yōu)勢(shì)就盡顯出來了。直線電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)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(zhuǎn)向架（一般作為定子）與線路（一般作為轉(zhuǎn)子）的相互作用而產(chǎn)生，轉(zhuǎn)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(jià)等等，但這些都僅僅是從直線電機(jī)的牽引方向的一維概念中引伸出來的，筆者認(rèn)為還必須重視直線電機(jī)的其他兩維概念在直線電機(jī)車輛設(shè)計(jì)中的運(yùn)用。

　　下面將從三維方向分析直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)在有輪的車輛上的不同之處（見），然后再談其對(duì)直線電機(jī)車輛設(shè)計(jì)方面以及軌枕上的影響。

　　1W方向（即牽引方向）對(duì)于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)而言，電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子折合漏抗S1=（n1-n）/，其中n1為同步轉(zhuǎn)速，n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速"f―定子繞組頻率。

　　相對(duì)應(yīng)的車輛制動(dòng)為再生制動(dòng)、電阻制動(dòng)并配合轉(zhuǎn)電機(jī)的車輛其空車軸重為）而直線電機(jī)若忽略縱向端部效應(yīng)，采用其穩(wěn)態(tài)方程，則可推算出電磁推力：級(jí)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(shí)際速度；f2―次級(jí)頻率；《1―初級(jí)角頻率；Ci！1+LS/Lm，其中L'為初級(jí)漏電感，Lm為激磁電感。

　　電動(dòng)機(jī)可在3個(gè)階段中使用。現(xiàn)在有一種技術(shù)是在再生制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)之間插入移相制動(dòng)（電磁制動(dòng)狀態(tài)），將動(dòng)能消耗在感應(yīng)板上（當(dāng)Si，S2>1時(shí)），由于隨著車輛的移動(dòng)，這種熱能能留在軌道上的感應(yīng)板上而取代電阻制動(dòng)，而普通旋轉(zhuǎn)的電機(jī)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(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，在此筆者就不進(jìn)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(shí)際運(yùn)用中討論）來展開討論。

　　2y方向在普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)中由于電磁吸力對(duì)轉(zhuǎn)子的對(duì)稱性，互相平衡，電磁吸引力僅為轉(zhuǎn)子的內(nèi)力，在電機(jī)外表而言除了重力，電磁力外合力為零。而直線電機(jī)就大不相同，三維的電磁力都盡現(xiàn)在外面，初級(jí)對(duì)次級(jí)的電磁吸引力是相當(dāng)大的（見表1）。但如何利用這種電磁吸引力，這就是筆者重點(diǎn)要闡述的問題。

　　為了確保脫軌系數(shù)，似乎只要將普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)車輛換上直線電機(jī)就行了，但從y方向來看，使用普通旋表1各公司實(shí)際運(yùn)用中的直線電機(jī)三維力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（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(qū)穿行，站間距一般較短，約1km左右，因此站間運(yùn)行時(shí)間必須要短才能實(shí)現(xiàn)其他地面交通工具無法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。初始加速度一般采用a加=1.0m/s2，而制動(dòng)時(shí)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(shí)間馬上轉(zhuǎn)入制動(dòng)工況，直線電機(jī)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(gè)運(yùn)行過程。

　　F吸為初級(jí)對(duì)次級(jí)的電磁吸引力，F(xiàn)吸m+甚至?xí)笥谥本€電機(jī)的牽引力，也就是說每輛車兩臺(tái)直線電機(jī)（160~180kW/臺(tái)）的F吸ma+達(dá)10t，占了普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(zhuǎn)電機(jī)車輛的思維設(shè)計(jì)，必然不能將車輪的輪徑減小，因?yàn)檩啅礁S重有直接的關(guān)系。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（見），在軸重不變的情況下，車輪踏面的剝離發(fā)生率，隨車輪踏面受力處壓強(qiáng)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(yōu)勢(shì)。從另一方面來看，則芫全不同。首先從脫軌系數(shù)分析入手，來分析這兩種類型電機(jī)的不同之處。

　　0.6（直線電機(jī)車輛）F吸的存在為直線電機(jī)車輛的減重提供了重要的依據(jù)，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(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)向架吸向感應(yīng)板的力。如果在直線電機(jī)車輛的設(shè)計(jì)中能運(yùn)用這種新的概念，就能在保證脫軌系數(shù)小于0.6的情況下，盡可能的減少車輛的質(zhì)量，以減少運(yùn)營能耗，降低噪聲，減小輪徑以及使轉(zhuǎn)向架一系簧下的質(zhì)量減少，結(jié)構(gòu)緊湊，從而最終達(dá)到減少車輛質(zhì)量，降低車輛設(shè)計(jì)高度，減小隧道斷面尺寸，節(jié)省建設(shè)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(duì)于直線電機(jī)車輛來說不能只考慮車輛質(zhì)量P.作為對(duì)在3方向分析的輔證，從各直線電機(jī)車輛制造公司公布的業(yè)績(jī)中可以看出，對(duì)于不同公司生產(chǎn)的幾乎相同尺寸和功率的直線電機(jī)車輛，其空車質(zhì)量最大竟相差近10t/輛。筆者假設(shè)按照一輛車定員載客180人，平均每人體重為60kg來計(jì)算，則負(fù)載質(zhì)量為00：200：10800kg，即10.8 5重。可以看出，如果將直線電機(jī)3方向吸引力考慮在車輛設(shè)計(jì)中，其使每輛空車減輕101質(zhì)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(zhì)量相等。

　　3z方向?qū)τ?方向，筆者在此提出一個(gè)轉(zhuǎn)向架“磁迫導(dǎo)”的新概念，這是直線電機(jī)帶來的另一優(yōu)點(diǎn)。由于車輛設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)械中心線在靜止停放在平直軌道的狀態(tài)下與磁中心線是重合的；而在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，電磁場(chǎng)的作用使得直線電機(jī)定子（初級(jí)）的機(jī)械中心線有磁吸引自動(dòng)對(duì)中感應(yīng)板（次級(jí)）機(jī)械中心線的作用（見）。

　　<定子中心線轉(zhuǎn)子，直線電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子自動(dòng)對(duì)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(yùn)動(dòng)的作用，再配以自導(dǎo)徑向轉(zhuǎn)向架，對(duì)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(shí)也可以減去轉(zhuǎn)向架有關(guān)的抑制蛇行運(yùn)動(dòng)的設(shè)備。從表1可以看到這個(gè)z方向的力Fm達(dá)到1kN.