孫照剛，劉 韋，羅世輝，馬衛(wèi)華，趙 勇

(1.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031;2.加拿大，卡爾加里，T2Y 4K6)

黏著力交通發(fā)展至今已有200多年的歷史，其技術(shù)已十分成熟，被廣泛應(yīng)用于地面客、貨運(yùn)交通運(yùn)輸。但黏著力交通的驅(qū)動(dòng)力大小與輪軌間的黏著狀態(tài)及牽引車輛的質(zhì)量有關(guān)，較難獲得更高的牽引驅(qū)動(dòng)效率。直線電機(jī)被認(rèn)為是最有前途的非黏著直線驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置，并已成功應(yīng)用于磁懸浮列車等城市軌道交通中［1－6］。直線電機(jī)具有將電能直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能力，且無(wú)需任何中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。例如，直線電機(jī)無(wú)需通過(guò)黏著力將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直線驅(qū)動(dòng)機(jī)械能，因此驅(qū)動(dòng)力的大小與黏著力的大小和牽引車輛的質(zhì)量無(wú)關(guān)。對(duì)于磁懸浮和城市軌道使用的單邊直線電機(jī)，一個(gè)最大的特點(diǎn)是初級(jí)與次級(jí)之間存在著很大的垂直力，其數(shù)值在鋼次級(jí)條件下約為水平推力的10倍［7］。受直線電機(jī)安裝使用方法的影響，初級(jí)與次級(jí)間的垂直力對(duì)動(dòng)邊的作用力與車輛重力方向一致，二者疊加在軌道上增大了車輛的運(yùn)行阻力。直線電機(jī)的初、次級(jí)間氣隙較旋轉(zhuǎn)電機(jī)大，降低了直線電機(jī)的效率，導(dǎo)致直線電機(jī)城市輕軌較旋轉(zhuǎn)電機(jī)輕軌耗能增加20%左右［8］。另外，直線電機(jī)的磁路是斷開(kāi)的，存在著端邊效應(yīng)，這也會(huì)導(dǎo)致能耗的增加。磁懸浮和城市輕軌交通都存在道路無(wú)法與其他交通工具兼容共享的問(wèn)題。由于以上原因，直線電機(jī)問(wèn)世一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，一直無(wú)法在公路交通領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

本文提出一種地下直線電機(jī)公路交通的創(chuàng)新交通體系。該體系不但可解決直線電機(jī)能耗高的問(wèn)題，還可以成功將直線電機(jī)技術(shù)應(yīng)用到公路交通領(lǐng)域。

1 地下直線電機(jī)工作原理

本文以城市輕軌為例闡述地下直線電機(jī)的工作原理。圖1為傳統(tǒng)城市輕軌示意圖，從圖中可以看到直線電機(jī)安裝在車體下方，直線電機(jī)初級(jí)受到次級(jí)的法向吸力，受力方向與車輛重力方向相同。法向吸力對(duì)初級(jí)的作用力通過(guò)車體傳向鋼軌，加大了輪軌間的壓力，從而增大了車輛的滾動(dòng)阻力，其結(jié)果必然是導(dǎo)致車輛能耗的增大。

圖1 傳統(tǒng)城市輕軌示意圖

地下直線電機(jī)系統(tǒng)將直線電機(jī)的初級(jí)置于次級(jí)下方，初級(jí)做成一個(gè)帶輔輪的小車，次級(jí)則鋪設(shè)于地下通道的頂壁上，當(dāng)小車運(yùn)行時(shí)便會(huì)自動(dòng)懸浮起來(lái)。當(dāng)小車速度低于懸浮速度時(shí)通過(guò)輔助輪與地面接觸，如圖2所示。直線電機(jī)與車輛間通過(guò)柔性牽引桿進(jìn)行連接，該牽引桿只具有傳遞牽引力的作用，而不傳遞垂向力，可以將上、下兩部分的振動(dòng)相互隔離(例如該牽引桿可以用一根鐵鏈或是兩段具有柔性部件的桿件來(lái)代替)。該方式可以改變法向力的受力方向，不僅能隔離方向力對(duì)車輛的影響，還能隔離車輛的振動(dòng)對(duì)直線電機(jī)的影響，因而能減小初級(jí)與次級(jí)之間的間隙，進(jìn)而提高直線電機(jī)的工作效率。對(duì)于地面車輛，也可以通過(guò)加大車輪直徑、提高輪胎與路面硬度等方法將公路車輛的運(yùn)行阻力降低至同鐵路相當(dāng)?shù)乃?。地下直線電機(jī)的供電方式可采用架空網(wǎng)、第三軌或車輛自帶發(fā)電機(jī)供電等方式。

圖2 地下直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 地下直線電機(jī)車輛的節(jié)能分析

2.1 克服垂直力的影響

對(duì)于現(xiàn)行城市直線電機(jī)輕軌系統(tǒng)，由于直線電機(jī)動(dòng)邊(初級(jí)或次級(jí))安裝在車體上，所以直線電機(jī)初級(jí)與次級(jí)間的垂直力對(duì)動(dòng)邊的作用力方向與重力方向相同，通過(guò)車體迭加作用在軌道上，形成附加運(yùn)行滾動(dòng)阻力。根據(jù)某直線電機(jī)地鐵的直線電機(jī)牽引曲線，在0～35 km/h速度段，平均垂直力為23 kN，2臺(tái)電機(jī)的合計(jì)垂直力為46 kN，相當(dāng)于車輛空車質(zhì)量的30%［9］。由此可見(jiàn):垂直力造成的附加運(yùn)行阻力(特別是在車輛起動(dòng)加速階段)對(duì)車輛影響極大，是導(dǎo)致直線電機(jī)牽引輕軌較傳統(tǒng)輪軌牽引多耗能的重要原因。

由圖3所示的地面直線電機(jī)牽引輕軌受力圖可知，垂直力方向與車輛重力方向相同。假設(shè)車體重為W1，滾動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，垂直力為水平推力的K倍，則在起動(dòng)時(shí)刻T1，運(yùn)行阻力F1等于車輛滾動(dòng)阻力W1×μ與垂直力附加滾動(dòng)阻力(K×W1×μ)×μ之和:

其中運(yùn)行阻力F1等于直線電機(jī)推力。

令T2時(shí)刻車體的相對(duì)質(zhì)量為W2，則有

T2時(shí)刻阻力F2為

將其代入式(1)、(2)有

Tn時(shí)刻的阻力Fn為

直線電機(jī)起動(dòng)的最大推力約是連續(xù)推力的5～6倍，因此垂直力在起動(dòng)時(shí)會(huì)造成較大的附加滾動(dòng)阻力，對(duì)車輛起動(dòng)性能、加速性能非常不利，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)選用直線電機(jī)時(shí)，需考慮更大的富裕電機(jī)容量。在正常連續(xù)運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)大馬拉小車的現(xiàn)象，降低了直線電機(jī)的使用效率，導(dǎo)致單位功率指標(biāo)過(guò)高。

圖3 地面直線電機(jī)牽引輕軌受力

由圖4所示的地下直線電機(jī)牽引車輛受力圖可知:垂直力方向與車輛重力方向相反時(shí)，車體質(zhì)量為W1，滾動(dòng)摩擦系數(shù)為μ，垂直力為水平推力的K倍，則起動(dòng)時(shí)刻T1的滾動(dòng)阻力F1等于車輛滾動(dòng)阻力W1×μ加上K倍的滾動(dòng)阻力產(chǎn)生的垂直力K×W1×μ減去直線電機(jī)本身質(zhì)量乘以滾動(dòng)摩擦因數(shù)μ。當(dāng)忽略直線電機(jī)本身質(zhì)量時(shí)，垂直力附加阻力為(K× W1×μ)×μ。

圖4 地下直線電機(jī)牽引車輛受力

T2時(shí)刻的阻力F2為

T3時(shí)刻的阻力F3為

Tn時(shí)刻，阻力Fn為等比數(shù)列，公比為Kμ。

由等比數(shù)列求和公式知

當(dāng)滾動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.002 5，K=10時(shí)，阻力最大值為車輛滾動(dòng)阻力的1.03倍。在這種情況下，工程上可以認(rèn)為垂直力不會(huì)造成車輛額外的附加運(yùn)行阻力。

2.2 直線電機(jī)效率與能耗分析

直線電機(jī)由于受磁路斷開(kāi)及運(yùn)行氣隙大等因素的影響，實(shí)際運(yùn)行效率非常低。參照《直線電機(jī)技術(shù)手冊(cè)》及美國(guó)Baldor公司產(chǎn)品LMAC系列的三相交流直線感應(yīng)電機(jī)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)［8］，直線電機(jī)氣隙在10～12 mm 時(shí)，實(shí)際效率應(yīng)在0.2～0.3。美國(guó)LMAC系列直線電機(jī)的額定電壓為460 V，在15%的持續(xù)率時(shí)，最高推力可達(dá)5 00lb(2 225 N)，加速度可達(dá)1 g(9.8 m/s2)，在60 Hz或更高頻率下，速度可達(dá)270 in/s(6.8 m/s)，相當(dāng)于時(shí)速 24.48 km/h。

由表1所示的LMAC3216C531直線感應(yīng)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)［8］和圖5所示的輸出推力與電機(jī)氣隙的關(guān)系曲線［8］可知:直線電機(jī)輸入功率為1.732×460×14.7/1 000=11.71 kVA，持續(xù)有效功率為445 N ×6.8 m/s=3.03 kW，功效系數(shù)(功率因數(shù)與效率乘積)為 3.03/11.71=0.26。功率因數(shù)取0.35，有效功率為11.71 ×0.35=4.10 kW，效率為0.75。在運(yùn)行氣隙12 mm、40%推力時(shí)，持續(xù)有效功率為445 N ×6.8 m/s×0.4=1.12 kW，有效功率與輸入功率之比為0.1 kW/kVA，直線電機(jī)運(yùn)行效率為0.3;功率因數(shù)取0.52 時(shí)，效率為0.5，運(yùn)行氣隙12mm，40%推力時(shí)，直線電機(jī)運(yùn)行效率為0.2。

表1 LMAC3216C531直線感應(yīng)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)

圖5 輸出推力與電機(jī)氣隙的關(guān)系曲線

以直線電機(jī)效率0.2、0.3為參考值，鐵路貨車基本阻力為2.65 N/kN，鐵路客車基本阻力為3.96 N/kN，時(shí)速為100 km/h時(shí)每1 000 kg質(zhì)量的滾動(dòng)阻力、滾動(dòng)阻力功率、驅(qū)動(dòng)功率(數(shù)值上等于單位能耗:kw·h/100 t·km)詳見(jiàn)表2。

表2 不同驅(qū)動(dòng)效率在時(shí)速100 km/h條件下所需電機(jī)功率

表2數(shù)據(jù)表明:直線電機(jī)效率取0.3，基本運(yùn)行阻力按貨車基本運(yùn)行阻力考慮時(shí)，單位能耗為2.41 kw·h/100 t·km。按一次能源熱值換算，大約相當(dāng)于柴油1 L/100 t·km，是公路貨運(yùn)能耗(5～7 L/100 t·km)的 1/7 ～1/5，相對(duì)節(jié)能可達(dá)80%以上。

根據(jù)文獻(xiàn)［10－12］、圖6及圖7可知:汽車只有12%的能量用于驅(qū)動(dòng)車輪，鐵路車輛只有6.8%的能量用于克服空氣阻力和地面滾動(dòng)阻力，其他大部分能量均消耗在克服車輛發(fā)動(dòng)機(jī)阻力及其他損耗上。鐵路與公路同屬黏著力驅(qū)動(dòng)交通，鐵路與公路作用到車輪上的能源利用率大體相當(dāng)，鐵路較公路節(jié)能的原因在于鐵路的滾動(dòng)摩擦阻力遠(yuǎn)小于公路。由圖8所示的直線電機(jī)牽引能量流可以看出:由于直線電機(jī)直接將能量轉(zhuǎn)換成水平推力，中間無(wú)需轉(zhuǎn)換裝置，因此其作用在車輪上的能量與鐵路、公路作用在車輪上的能量基本相同，均在12%左右。以此判斷，如果將地下直線電機(jī)牽引車輛的運(yùn)行阻力降至與鐵路大體相當(dāng)?shù)乃?，地下直線電機(jī)牽引道路運(yùn)輸系統(tǒng)即可達(dá)到較公路運(yùn)輸節(jié)能80%的目標(biāo)。

圖6 典型城市車輛能量流

圖7 鐵路車輛模型能量流

由圖8直線電機(jī)能量流分析可以看出:由于直線電機(jī)無(wú)需傳動(dòng)裝置將電能直接轉(zhuǎn)換成水平牽引力，因此在直線電機(jī)效率為0.75，氣隙為10 mm，推力為40%，實(shí)際效率為0.3的情況下，有效能量仍可達(dá)到12%。同時(shí)，直線電機(jī)牽引可以利用再生制動(dòng)將剎車能耗反饋回電網(wǎng)，從而提高能源利用率。表3是速度為90 km/h時(shí)不同車輛的基本運(yùn)行阻力及直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率分別為0.2和0.3時(shí)所需的功率。由表3可以看出:直線電機(jī)列車的基本阻力相比一般列車和電動(dòng)車組的基本阻力約高出一倍左右，可以認(rèn)為直線電機(jī)的垂直力及由此產(chǎn)生的其他后果是造成直線電機(jī)列車基本運(yùn)行阻力高的主要原因。因此，地下直線電機(jī)牽引可以擺脫垂直力對(duì)直線電機(jī)列車的不利影響，提高能量的利用效率。

圖8 直線電機(jī)牽引能量流

表3 不同車輛的基本運(yùn)行阻力及直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率0.2和0.3時(shí)所需功率

3 地下直線電機(jī)技術(shù)在交通中的應(yīng)用

由以上分析可知，地下直線電機(jī)車輛具有節(jié)能的作用，本節(jié)分別將其應(yīng)用于軌道交通和公路交通，并初步提出設(shè)計(jì)方案。

3.1 地下直線電機(jī)技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用

圖9和圖10為地下直線電機(jī)技術(shù)在軌道交通中應(yīng)用的初步設(shè)計(jì)方案。其中圖9為改進(jìn)前后的地下直線電機(jī)地鐵車輛，圖10為地下直線電機(jī)下部安裝結(jié)果示意圖。從圖9、10可以看出:將直線電機(jī)安裝在軌道下方的通道內(nèi)，通過(guò)柔性牽引桿牽引地面地鐵車輛前進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)地下直線電機(jī)牽引地面軌道車輛行駛的功能。

圖9 改進(jìn)前后的地下直線電機(jī)地鐵車輛

圖10 地下直線電機(jī)下部安裝結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 地下直線電機(jī)技術(shù)在公路交通中的應(yīng)用

可將地下直線電機(jī)技術(shù)應(yīng)用于公路交通領(lǐng)域。圖11為地下直線電機(jī)技術(shù)在公路交通中應(yīng)用的初步設(shè)計(jì)方案。將直線電機(jī)放置于公路下方的地下通道內(nèi)，地下直線電機(jī)通過(guò)一根柔性拖拽桿與地面車輛相連，將牽引力從直線電機(jī)傳遞到地面車輛上。柔性拖拽桿可大大降低被拖車輛顛簸時(shí)對(duì)直線電機(jī)初/次級(jí)間隙的影響，將其間隙控制在3～5 mm范圍內(nèi)，進(jìn)而提高直線電機(jī)效率，減少能量的損失(如圖11所示)，最終實(shí)現(xiàn)地下直線電機(jī)牽引公路車輛行駛的目的。

圖11 地下直線電機(jī)在公路交通中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

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