孫照剛，劉 韋，羅世輝，馬衛(wèi)華，趙 勇

(1.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(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)動動力裝置，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，且無需任何中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。例如，直線電機(jī)無需通過黏著力將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直線驅(qū)動機(jī)械能，因此驅(qū)動力的大小與黏著力的大小和牽引車輛的質(zhì)量無關(guān)。對于磁懸浮和城市軌道使用的單邊直線電機(jī)，一個最大的特點(diǎn)是初級與次級之間存在著很大的垂直力，其數(shù)值在鋼次級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，初級與次級間的垂直力對動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)的磁路是斷開的，存在著端邊效應(yīng)，這也會導(dǎo)致能耗的增加。磁懸浮和城市輕軌交通都存在道路無法與其他交通工具兼容共享的問題。由于以上原因，直線電機(jī)問世一個多世紀(jì)以來，一直無法在公路交通領(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)初級受到次級的法向吸力，受力方向與車輛重力方向相同。法向吸力對初級的作用力通過車體傳向鋼軌，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)的初級置于次級下方，初級做成一個帶輔輪的小車，次級則鋪設(shè)于地下通道的頂壁上，當(dāng)小車運(yùn)行時便會自動懸浮起來。當(dāng)小車速度低于懸浮速度時通過輔助輪與地面接觸，如圖2所示。直線電機(jī)與車輛間通過柔性牽引桿進(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車輛的影響，還能隔離車輛的振動對直線電機(jī)的影響，因而能減小初級與次級之間的間隙，進(jìn)而提高直線電機(jī)的工作效率。對于地面車輛，也可以通過加大車輪直徑、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

對于現(xiàn)行城市直線電機(jī)輕軌系統(tǒng)，由于直線電機(jī)動邊(初級或次級)安裝在車體上，所以直線電機(jī)初級與次級間的垂直力對動邊的作用力方向與重力方向相同，通過車體迭加作用在軌道上，形成附加運(yùn)行滾動阻力。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:垂直力造成的附加運(yùn)行阻力(特別是在車輛起動加速階段)對車輛影響極大，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，滾動摩擦因數(shù)為μ，垂直力為水平推力的K倍，則在起動時刻T1，運(yùn)行阻力F1等于車輛滾動阻力W1×μ與垂直力附加滾動阻力(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時刻車體的相對質(zhì)量為W2，則有

T2時刻阻力F2為

將其代入式(1)、(2)有

Tn時刻的阻力Fn為

直線電機(jī)起動的最大推力約是連續(xù)推力的5～6倍，因此垂直力在起動時會造成較大的附加滾動阻力，對車輛起動性能、加速性能非常不利，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)選用直線電機(jī)時，需考慮更大的富裕電機(jī)容量。在正常連續(xù)運(yùn)行時，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，車體質(zhì)量為W1，滾動摩擦系數(shù)為μ，垂直力為水平推力的K倍，則起動時刻T1的滾動阻力F1等于車輛滾動阻力W1×μ加上K倍的滾動阻力產(chǎn)生的垂直力K×W1×μ減去直線電機(jī)本身質(zhì)量乘以滾動摩擦因數(shù)μ。當(dāng)忽略直線電機(jī)本身質(zhì)量時，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時刻的阻力F2為

T3時刻的阻力F3為

Tn時刻，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)滾動摩擦因數(shù)μ=0.002 5，K=10時，阻力最大值為車輛滾動阻力的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》及美國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，實(shí)際效率應(yīng)在0.2～0.3。美國LMAC系列直線電機(jī)的額定電壓為460 V，在15%的持續(xù)率時，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，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，效率為0.5，運(yùn)行氣隙12mm，40%推力時，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，時速為100 km/h時每1 000 kg質(zhì)量的滾動阻力、滾動阻力功率、驅(qū)動功率(數(shù)值上等于單位能耗:kw·h/100 t·km)詳見表2。

表2 不同驅(qū)動效率在時速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，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阻力，其他大部分能量均消耗在克服車輛發(fā)動機(jī)阻力及其他損耗上。鐵路與公路同屬黏著力驅(qū)動交通，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剑叵轮本€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)無需傳動裝置將電能直接轉(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，直線電機(jī)牽引可以利用再生制動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時不同車輛的基本運(yùn)行阻力及直線電機(jī)驅(qū)動效率分別為0.2和0.3時所需的功率。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)動效率0.2和0.3時所需功率

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對直線電機(jī)初/次級間隙的影響，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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