1.3 电励磁式直线同步电机在轨道交通中的应用

相较于直线感应电机，直线同步电机由于双边励磁，因此具有较高的效率和功率因数，通常用在高速场合。

考虑到次级励磁功率较小，同时高速磁悬浮列车的速度等级为500km/h左右，接触式供电方式不再适用。因此，在高速磁悬浮列车方案中，通常采用长初级的形式，即初级沿线路安装于地面，通过地面大功率变流器供电并调速；次级安装在车上，通过直线谐波发电机无接触励磁。本质上，高速磁悬浮列车就是一台长初级短次级的大型直线同步电机，且调速的控制权由车辆移交于地面承担。

根据初级是否有铁心以及次级励磁导体类型，高速磁悬浮列车用直线同步电机可分为“有铁心初级+常导励磁次级”与“无铁心初级+超导励磁次级”两种类型，分别对应常导直线同步电机与超导直线同步电机，分别论述如下。

1.3.1 常导型直线同步电机

在传统列车中，车与轨之间的约束由轮轨关系决定：车轮完成支承，轮缘完成导向，牵引由旋转电机+齿轮箱+轮对完成。即传统列车的支承、导向和牵引均是“机械”实现的，而对于磁悬浮列车而言，均采用“电磁”方式完成。

如图1-9所示，长初级安装于T型轨两侧下方，列车与轨道为“车抱轨”的形式，增强了安全系数。次级的磁极安装于悬浮臂底部，导向磁铁安装于悬浮臂中部，悬浮臂与车体相连。

该列车完成在三维空间约束的电磁方式如下：

（1）轨道上的长初级与悬浮臂上的次级之间产生电磁推力，完成牵引功能，即x轴方向的约束。

（2）同时，初级和次级之间的法向力将列车向上吸起，通过负反馈调节磁极励磁电流，保证悬浮气隙稳定，从而完成悬浮或支承功能，即z轴方向的约束。

（3）导向磁铁与轨道感应板相互作用，使得磁悬浮列车与轨道保持一定距离，完成导向功能，即y轴方向的约束。

其中，①次级磁极上设计有齿谐波直线发电机，为列车提供电能。因此，直线同步电机完成牵引、悬浮和发电三项功能，如图1-9b所示；②通过分数槽的方法削弱齿槽效应，设置初级极距比次级极距小，数值为0.1倍的初级槽距；③采用磁场定向的解耦控制，分别控制牵引力和悬浮力，通过设定初级电流i_d=0，满足气隙磁场和无功功率都由次级磁极的励磁磁场产生，通过调节初级电流i_q和次级磁极的励磁电流分别控制牵引力和悬浮力。

常导直线同步电机在TR系列高速磁悬浮列车中具有典型应用。该列车由德国西门子和蒂森克虏伯联合制造，代表性商业运用为上海龙阳路—浦东国际机场约30km的机场线^［13-15］。

上海磁悬浮列车为五辆编组，2个头车，3个中间车，头车悬浮架布置如图1-10所示。次级磁极分布如下：

（1）头车中间悬浮架按照“10主磁极+2末磁极”布置，头车端部悬浮架按照“12主磁极+2末磁极”布置。

（2）中间车每个悬浮臂次级磁极均按照“10主磁极+2末磁极”布置。

典型常导高速磁悬浮列车德国TR06和上海磁悬浮列车TR08如图1-11a、b所示，其相关参数见表1-6，其中悬浮架与轨道长初级如图1-11c、d所示。

1.3.2 无铁心超导直线电机

对于超导高速磁悬浮列车来讲，主要是采用了无铁心超导直线同步电机，如图1-12所示。由于轨道为U型，因此车与轨道为“轨抱车”的形式。无铁心超导直线同步电机的次级超导磁体安装于车体的两侧，初级安装于U型轨道的两侧墙。同时，用于悬浮的8字线圈覆盖于初级绕组外侧。

该列车完成在三维空间约束的电磁方式如下：

（1）轨道上的无铁心初级与车体两侧的超导次级磁极之间产生牵引力，完成推力的功能，即x轴方向的约束。

（2）列车上超导磁体经过导轨两侧的8字线圈时，感应的涡流使得8字线圈励磁为磁体，分别对列车产生上吸引力和下排斥力，使得列车悬浮，从而完成悬浮或支承功能，即z轴方向的约束。

（3）在行驶过程中如果列车出现偏离，超导磁体就会在远离侧和接近侧的8字线圈分别产生吸引力和排斥力，把列车拉回到中央位置，使列车平稳行驶，完成导向，即y轴方向的约束。

由上述可见，超导磁悬浮列车与常导磁悬浮列车的技术路线完全不同，主要表现如下：

（1）采用无铁心长初级，安装于U型轨的两侧墙，分为内侧和外侧推进线圈，即双层分布式绕组（后续研究亦有集中式绕组）。

（2）次级采用超导体电励磁，同样为无铁心设计，能够产生强励磁磁场，提升电机的效率。

（3）不能实现静止悬浮，需要使用橡胶轮支撑。将列车加速到较高的起升速度（100km/h左右）后才进入悬浮状态。因此超导高速磁悬浮列车具有两种状态，即轮轨运行和悬浮运行，如图1-13所示。

（4）悬浮力由超导磁极磁场强度和车速决定，即使长初级停止供电，悬浮力也不会突然消失，列车会逐渐落地而停车。

（5）推进功能由无铁心超导直线同步电机完成，悬浮和导向功能由8字线圈和次级超导磁极完成。

（6）初级绕组通常采用较大的极距，从而降低变流器的供电频率。

超导无铁心直线同步电机在高速磁悬浮列车运用的典型代表是日本山梨试验线以及已经开始建设的中央新干线。列车头型、初级铺设、U型轨道以及超导磁体如图1-14所示。

根据车载超导体材料特性的不同，可以分为低温超导和高温超导两大类。低温超导线圈和高温超导线圈的结构示意图如图1-15^［20-23］ 所示。典型的低温超导磁体以及初级绕组参数见表1-7。