轨道交通用大功率直线感应电动机的设计及特性计算

    杜玉梅，金能强

(中国科学院电工研究所，北京100190)

    摘要：针对轨道交通用大功率直线感应电动机，采用改进的T型等效电路模型进行了电机设计及特性计算，设计中考虑了电机的端部效应、端部半填充槽、次级反血板集肤效应等特殊结构问题。并据此设计制作了样机，样机实验结果与设计结果吻合。同时也给出了不同气隙下电机特陛的计算结果。

    关键词：轨道交通；直线感应电动机；特性计算；等效电路

    中国分类号：TM359．4  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2009)12—01122—04

O引  言

    直线电动机轮轨交通系统，如图l所示，是一种采用轮轨支撑及导向、直线电动机驱动的轨道交通系统。与传统旋转电动机驱动的轨道交通系统相比，直线电动机轮轨系统****特点是其非黏着的直接驱动方式，由直线感应电动机(LIM)产生驱动力推动车辆运动，而不再依赖轮轨之间的摩擦力传递动力.

    由于采用了直接驱动，列车的牵引力不受轮轨之间黏着条件的限制，与传统轮轨铁路相比，可以充分发挥电机的牵引功率，获得优良的加减速性能和爬坡能力，转弯半径也可减小，提高了线路设计的灵活性。由于不需要旋转与直线运动变换的齿轮传动机构，结构简化．运行可靠性提高，维护工作量减少。由于车轮小传递动力，可降低列车的运行噪声，且采用电力驱动，无污染，有利于环境保护。直线电动机的结构成扁平形，有利于车辆的小型化，可减小隧道断面尺寸．降低工程造价。这些优点使得直线电动机轨道交通有望成为未来轨道交通发展的新模式。

    大功率直线牵引电动机是直线轨道交通系统的核心部件之一，它是一个非线性、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、气隙长度等而变化，并影响着电机的牵引特性。由于与旋转电机在结构上的不同，直线感应电动机存在动、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问题，其理论分析和特性计算更为困难和复杂，一般必须采用电磁场分析求解其气隙磁场的解析解，然后才能计算其运行特性。轨道交通直线感应电动机采用T型等效电路进行电机的电磁设计及特性计算，它是一种简便、直接的方法，其突出优点是可以较快完成设计并进行陛能仿真，为控制系统设计提供数据。

    本文采用改进的T型等效电路模型，完成了直线轨道交通实验线直线感应电机的设计，并仿真计算了其运行特性。据此设计制作了样机，样机实验结果与设计结果符合。本文同时也给出了不同气隙下电机特性的计算结果。

1轨道交通直线感应电机的结构

    在现有的直线电动机轮轨交通系统中，采用单边短初级直线感应电动机(SLIM)作为驱动电机，如日本的直线电动机地铁系统和加拿大Bombarflier公司的直线电动机轨道交通系统skytrain等。单边短初级直线感应电动机结构如图2所示。电机的短定子(初级)包括铁心及三相绕组安置在车上；次级(反应板)沿线路布置，由铝板(或铜板)和铁轭复合而成，初级和次级之间为电机的气隙，为获得优良运行性能，电机气隙应采用机械结构允许的最小值，轨道交通中常用值为9～11mm。为减小横向边端效应，次级反应板宽度应大于初级铁心的宽度：

2直线感应电动机T型等效电路

    与普通旋转感应电动机一样，等效电路也是研究直线感应电动机的电磁理论、工作特性及设计计算的重要工具。图3是普通旋转感应电动机的T型等效电路，它是在各相对称条件下求得的。当已知定子相电压U₁(或相电流I₁)，及电机各参数r₁、x₁、x_m、r₂和x₂时，可利用此电路，求出相电流I₁(或相电压U₁)、转子电流、转矩、机械功率、效率、功率因

数等对应于不同滑差率s等运行特性。这样就使旋转电机的特性计算转化为一个电路计算问题，而电机内部的电磁关系可用等效电路参数来联系，使各量之间的关系清楚明r，计算简便有效，与优化算法相结合，可以获得较好的设计方案^[4,5,7]。