直線(xiàn)電(diàn)机在轨道車(chē)辆运用(yòng)中的三维分(fēn)析

研究开发直線(xiàn)電(diàn)机在轨道車(chē)辆运用(yòng)中的三维分(fēn)析庞绍煌，耿明（广州市地下铁道总公司，广东广州510380）的设计概念带来重大的变化。通过对目前世界上直線(xiàn)電(diàn)机車(chē)辆使用(yòng)的实际业绩的分(fēn)析，提出車(chē)辆质量可(kě)减轻的观点。

　　广州市地下铁道总公司建设事业总部車(chē)辆项目经理(lǐ)，从事广州地铁新(xīn)線(xiàn)車(chē)辆的引进和技术、项目管理(lǐ)工作。

　　直線(xiàn)電(diàn)机是一种将電(diàn)能(néng)直接转换成直線(xiàn)运动，而不需通过任何中间转换机构的電(diàn)机。城市轨道交通系统采用(yòng)直線(xiàn)電(diàn)机传动的优越性已被越来越多(duō)的人所认识，目前世界上已有(yǒu)7个城市相继建成了采用(yòng)直線(xiàn)電(diàn)机車(chē)辆的城市轨道交通系统。

　　直線(xiàn)電(diàn)机的車(chē)辆较普通旋转電(diàn)机車(chē)辆的优势就尽显出来了。直線(xiàn)電(diàn)机的优点如目前所有(yǒu)书籍中介绍的，列車(chē)的牵引不再依靠轮轨的黏着作用(yòng)，而是直接由转向架（一般作為(wèi)定子）与線(xiàn)路（一般作為(wèi)转子）的相互作用(yòng)而产生，转穹半径小(xiǎo)，可(kě)减少支撑轮半径，从而减小(xiǎo)地铁隧道的断面面积，降低地铁造价等等，但这些都仅仅是从直線(xiàn)電(diàn)机的牵引方向的一维概念中引伸出来的，筆(bǐ)者认為(wèi)还必须重视直線(xiàn)電(diàn)机的其他(tā)两维概念在直線(xiàn)電(diàn)机車(chē)辆设计中的运用(yòng)。

　　下面将从三维方向分(fēn)析直線(xiàn)電(diàn)机与旋转電(diàn)机在有(yǒu)轮的車(chē)辆上的不同之处（见），然后再谈其对直線(xiàn)電(diàn)机車(chē)辆设计方面以及轨枕上的影响。

　　1W方向（即牵引方向）对于鼠笼式异步電(diàn)动机而言，電(diàn)磁转矩可(kě)由下式表示：子折合電(diàn)阻；r1一定子電(diàn)阻X1―定子漏抗X2Y―转子折合漏抗S1=（n1-n）/，其中n1為(wèi)同步转速，n為(wèi)转子转速"f―定子绕组频率。

　　相对应的車(chē)辆制动為(wèi)再生制动、電(diàn)阻制动并配合转電(diàn)机的車(chē)辆其空車(chē)轴重為(wèi)）而直線(xiàn)電(diàn)机若忽略纵向端部效应，采用(yòng)其稳态方程，则可(kě)推算出電(diàn)磁推力：级電(diàn)阻和漏電(diàn)感；T一极距；S2=（vs-V）/vs，其中vs為(wèi)同步速度，4為(wèi)实际速度；f2―次级频率；《1―初级角频率；Ci！1+LS/Lm，其中L'為(wèi)初级漏電(diàn)感，Lm為(wèi)激磁電(diàn)感。

　　電(diàn)动机可(kě)在3个阶段中使用(yòng)。现在有(yǒu)一种技术是在再生制动与机械制动之间插入移相制动（電(diàn)磁制动状态），将动能(néng)消耗在感应板上（当Si，S2>1时），由于随着車(chē)辆的移动，这种热能(néng)能(néng)留在轨道上的感应板上而取代電(diàn)阻制动，而普通旋转的電(diàn)机难以承受这种散不去的热量。

　　+牵引方向概念已有(yǒu)一些书籍讨论，并引伸分(fēn)析了目前众所周知的直線(xiàn)電(diàn)机的优缺点，在此筆(bǐ)者就不进一步展开讨论。下面仅就另外两维概念（目前尚未有(yǒu)书籍在有(yǒu)轮車(chē)辆的实际运用(yòng)中讨论）来展开讨论。

　　2y方向在普通旋转電(diàn)机中由于電(diàn)磁吸力对转子的对称性，互相平衡，電(diàn)磁吸引力仅為(wèi)转子的内力，在電(diàn)机外表而言除了重力，電(diàn)磁力外合力為(wèi)零。而直線(xiàn)電(diàn)机就大不相同，三维的電(diàn)磁力都尽现在外面，初级对次级的電(diàn)磁吸引力是相当大的（见表1）。但如何利用(yòng)这种電(diàn)磁吸引力，这就是筆(bǐ)者重点要阐述的问题。

　　為(wèi)了确保脱轨系数，似乎只要将普通旋转電(diàn)机車(chē)辆换上直線(xiàn)電(diàn)机就行了，但从y方向来看，使用(yòng)普通旋表1各公司实际运用(yòng)中的直線(xiàn)電(diàn)机三维力实测数据（kN（x轴向牵引力y轴向電(diàn)磁吸引力j轴向横向剪切力A公司B公司C公司由于城市轨道交通在繁华市區(qū)穿行，站间距一般较短，约1km左右，因此站间运行时间必须要短才能(néng)实现其他(tā)地面交通工具无法实现的优势。初始加速度一般采用(yòng)a加=1.0m/s2，而制动时一般采用(yòng)a减=因此列車(chē)基本上是加速到最高速度后，匀速很(hěn)短时间马上转入制动工况，直線(xiàn)電(diàn)机的定子線(xiàn)圈始终都有(yǒu)很(hěn)大的電(diàn)流通过，也就是说y方向的吸引力的作用(yòng)贯穿列車(chē)的整个运行过程。

　　F吸為(wèi)初级对次级的電(diàn)磁吸引力，F吸m+甚至会大于直線(xiàn)電(diàn)机的牵引力，也就是说每辆車(chē)两台直線(xiàn)電(diàn)机（160~180kW/台）的F吸ma+达10t，占了普通旋转電(diàn)机車(chē)辆空車(chē)重的1/4.因此電(diàn)磁吸引力给出了两刃的问题，如果仅沿用(yòng)老的普通旋转電(diàn)机車(chē)辆的思维设计，必然不能(néng)将車(chē)轮的轮径减小(xiǎo)，因為(wèi)轮径跟轴重有(yǒu)直接的关系。根据数据统计（见），在轴重不变的情况下，車(chē)轮踏面的剥离发生率，随車(chē)轮踏面受力处压强的增加而增加。

　　也就是说失去了减小(xiǎo)車(chē)辆高度及减小(xiǎo)隧道挖掘面积的优势。从另一方面来看，则芫全不同。首先从脱轨系数分(fēn)析入手，来分(fēn)析这两种类型電(diàn)机的不同之处。

　　0.6（直線(xiàn)電(diàn)机車(chē)辆）F吸的存在為(wèi)直線(xiàn)電(diàn)机車(chē)辆的减重提供了重要的依据，而F吸所做的功W功可(kě)以用(yòng)下式来表示角，由于F吸在直線(xiàn)轨道上是垂直于車(chē)辆的运动方向的，通常情况下0因此F吸是不需消耗功率的力，而是一种将转向架吸向感应板的力。如果在直線(xiàn)電(diàn)机車(chē)辆的设计中能(néng)运用(yòng)这种新(xīn)的概念，就能(néng)在保证脱轨系数小(xiǎo)于0.6的情况下，尽可(kě)能(néng)的减少車(chē)辆的质量，以减少运营能(néng)耗，降低噪声，减小(xiǎo)轮径以及使转向架一系簧下的质量减少，结构紧凑，从而最终达到减少車(chē)辆质量，降低車(chē)辆设计高度，减小(xiǎo)隧道断面尺寸，节省建设投资的目的。所以在与轨道的接口中，轨枕的受力不同（见）。故对于直線(xiàn)電(diàn)机車(chē)辆来说不能(néng)只考虑車(chē)辆质量P.作為(wèi)对在3方向分(fēn)析的辅证，从各直線(xiàn)電(diàn)机車(chē)辆制造公司公布的业绩中可(kě)以看出，对于不同公司生产的几乎相同尺寸和功率的直線(xiàn)電(diàn)机車(chē)辆，其空車(chē)质量最大竟相差近10t/辆。筆(bǐ)者假设按照一辆車(chē)定员载客180人，平均每人體(tǐ)重為(wèi)60kg来计算，则负载质量為(wèi)00：200：10800kg，即10.8 5重。可(kě)以看出，如果将直線(xiàn)電(diàn)机3方向吸引力考虑在車(chē)辆设计中，其使每辆空車(chē)减轻101质量后再加上180人的定员载荷，几乎与原来没有(yǒu)考虑吸引力的每辆空車(chē)的质量相等。

　　3z方向对于=方向，筆(bǐ)者在此提出一个转向架“磁迫导”的新(xīn)概念，这是直線(xiàn)電(diàn)机带来的另一优点。由于車(chē)辆设计时，机械中心線(xiàn)在静止停放在平直轨道的状态下与磁中心線(xiàn)是重合的；而在运动状态下，電(diàn)磁场的作用(yòng)使得直線(xiàn)電(diàn)机定子（初级）的机械中心線(xiàn)有(yǒu)磁吸引自动对中感应板（次级）机械中心線(xiàn)的作用(yòng)（见）。

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