直线电机气隙与列车能耗的关系研究

韩永春

(广州市地下铁道总公司 运营事业总部， 广东广州510000)

直线电机气隙与列车能耗的关系研究

韩永春

(广州市地下铁道总公司 运营事业总部， 广东广州510000)

以直线电机列车为研究对象，通过收集广州地铁5号线列车直线电机气隙数据和列车车载能耗数据，定量分析直线电机气隙变化与列车能耗的关系，在保障列车运营安全的前提下，探究降低列车能耗的方法。

地铁； 直线电机； 电机气隙； 降低列车能耗

直线电机列车以其造价低、爬坡能力强、无轮对黏着限制、通过曲线半径小、安全性能高、能耗低等诸多优点，成为轨道交通行业一大新看点[1]。广州地铁4,5,6号线均采用直线电机车辆，是国内首批批量采用直线电机牵引技术的地铁车辆，其中4号线已安全运营达十年，最大运营里程已超过150万km，其运营安全性能得到一致好评。随着节能减排精神日益深入，直线电机列车牵引能耗也受到广泛关注，为此，在保障列车安全性能的前提下，探究降低列车牵引能耗的方法显得尤为重要。

1 直线电机结构特点

列车直线电机的转子为钢铝金属复合板制成的感应板(铺设于线路上)，定子为通电线圈、硅钢片及支架构成的直线感应电机(挂装在车辆转向架下)，通过感应板与直线感应电机之间的电磁作用实现列车的牵引、制动功能。

在旋转电机中，转子因转动必须与定子存在一定间隙，即电机气隙，同样，直线感应电机吊装于车辆转向架下，必须与线路侧感应板存在一定间隙(ΔZ)，且处于安全考虑，为防止直线感应电机与感应板发生刮蹭，直线感应电机与感应板之间的气隙将远大于旋转电机。由于感应板与直线感应电机均为长直形状，且在平面内是平行的，从而决定了直线电机不同于旋转电机存在明显的纵向边缘效应，且用于城市轨道交通的直线牵引电机属于高速低滑差运行的电机，因此其牵引力的计算必须考虑纵向边缘效应，研究发现气隙高度直接影响直线电机纵向边缘效应，气隙值越小，纵向边缘效应越不明显，电机效率就越高，电能消耗就越低，下文将定量分析电机气隙与直线电机能耗的关系,图1所示[2]。

图1 直线电机示意图

2 直线感应电机工作原理

直线电机可以认为是旋转电机在结构上的一种演变，它可看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机沿圆周展成直线(如图2所示)，这样就得到了由旋转电机演变而来的最原始的直线电机。由定子演变而来的一侧即为直线感应电机(初级)，由转子演变而来的一侧则为感应板(次级)。

图2 旋转电机转化为直线电机

直线感应电机不仅在结构上与旋转感应电机相类似，其工作原理也是相似的，其基本工作原理是：当初级三相绕组通入三相对称正弦交流电时，就会产生气隙磁场。当只考虑正向基波磁场时，气隙磁场沿初级呈正弦分布。当三相电流随时间变化时，气隙磁场将沿初级做直线平移运动，这个平移的气隙磁场就是行波磁场。再由楞次定律可知，行波磁场将在次级导体板上产生感应电流。又由安培定律可知，次级导体板中的感应电流和气隙磁场相互作用便产生连续的电磁推力，最终推动直线感应电机相对于感应板产生直线运动。

3 直线电机的边端效应对电机能耗的影响

3.1 纵向边端效应

由于直线感应电机的铁心开断和绕组的不连续，造成直线感应电机各相绕组的阻抗不对称，因此即使在加上三相对称电压时，三相绕组中流过的三相电流也不可能对称，因此，造成在产生正向行波磁场的同时，也会同时产生反向行波磁场和脉振磁场，从而引起直线感应电机在运行过程中将产生阻力，增加损耗，使直线感应电机的推力和效率降低，而且由于直线感应电机铁心开断限制，是无法通过附加措施完全消除这一损失的。此种效应在次级静止时就存在，因此称为直线电机的静态纵向边端效应。

另外，当直线感应电机运行时，由于次级导体板突然进入和离开初级区域，由电磁感应原理可知，此时次级中会产生抵抗磁场变化的感应电流，这种感应电流称为动态纵向边端效应电流，它使移动磁场发生畸变，从而引起附加损耗，降低电机的效率，此种效应在电机运动时即会存在，称为动态纵向边端效应。

3.2 横向边端效应

所谓静态横向边端效应就是指电机横向两个边端之间，由于磁场扩散而导致气隙磁场横向分布的不均匀现象。对于直线感应电机，一般其次级导体板的横向宽度常常是大于初级铁心叠片的宽度。所以通常可以不考虑由于横向边缘磁通密度分布不均匀所产生的主磁通总量的变化，即可以不考虑静态横向边端效应。5号线直线感应电机铁芯长度330 mm，正线感应板宽度360 mm，也基本可以忽略因静态横向边端效应引起的电机损耗。

所谓的动态横向边端效应是指当次级导体板中有感应电流流过时，感应电流对气隙磁场沿横向分布的影响。由于次级导体板的端部一定是有电阻存在，因此在铁心叠厚范围内电流分布不再均匀，引起次级导体板中的电流有一部分在铁心叠厚范围内就闭合了，使得此部分电流发热损耗。由于直线电机次级导体板宽度常常大于初级铁心叠片厚度，此部分损耗较小通常可以不考虑静态横向边端效应，而由于动态边端效应的影响也非常有限，因此横向边端效应对列车能耗的影响基本不予考虑。

由上述分析可知，直线电机的边端效应使得其不同于旋转电机，直接降低了直线感应电机的工作效率，且无法通过附加措施完全消除，是直线电机的一大弊病，也是造成直线电机能耗远高于旋转电机的直接原因。因此本文主要通过实际能耗数据，研究通过改变直线感应电机气隙高度来达到降低列车能耗的目的。

4 直线感应电机气隙高度

5 列车牵引能耗与直线电机气隙高度

5.1 电机高度与运行时间的变化关系

由于轮对磨耗因素的影响，列车电机高度随列车运行时间的增长而降低，也即直线电机气隙高度应列车运行随时间增长而逐渐减小，且运行时长与气隙高度下降量应为线性关系，为此，特收集2014年2月2日、3月2日、4月2日5号线113114车共12个直线电机高度数据，见表1～表3。

表1 2014-02-02电机高度数据

表2 2014-03-02 电机高度数据

表3 2014-04-02电机高度数据

从表1～表3数据按照对应侧求差可得每台电机当月高度下降数值，并求平均，可得整列车每月电机高度下降量为：

(1) 2014年2月2日～3月2日，113114车整列直线电机平均下降量为0.627 9 mm，也即列车气隙高度下降0.627 9 mm；

(2) 2014年3月2日～4月2日，113114车整列直线电机平均下沉量为0.456 7 mm，也即列车气隙高度下降0.456 7 mm。

5.2 列车牵引能耗与运行时间的关系

5号线自主知识产权列车每列车装有车载能耗装置，该装置可记录列车由DC 1 500 V受电回路得到的总电能，且还可自动剔除电制动反馈电能，因此可准确得出列车净能耗。为排除外界温度突变引起列车空调能耗出现较大变动，特去除列车空调能耗；为排除客流突变引起牵引能耗的突变，特加大采样样本，并选择客流相对稳定的2月、3月份进行列车能耗数据采集，以尽量排除电机气隙以外其他外界因素对列车能耗的影响。

根据列车车载能耗数据，可得2月2日～4月2日列车总能耗数据为：

(1) 2014年2月2日～3月2日共消耗电能77 507.63 kW·h；

(2) 2014年3月2日～4月2日共消耗电能86 421.75 kW·h。

在此基础上引入列车运行公里数，可知：

(1) 2月2日，113114车公里数为29 774；

(2) 3月2日，113114车公里数为40 991，则2月2日～3月2日运行里程为11 217 km；

(3) 4月2日，113114车公里数为53 282，则3月2日～4月2日运行里程为12 291 km。

整合列车能耗数据和运行公里数，可得列车总能耗与运行里程间的关系如下：

(1) 2014年2月2日～3月2日，列车每公里总能耗为：6.909 8 kW·h/km；

(2) 2014年3月2日～4月2日，列车每公里总能耗为：7.031 3 kW·h/km。

在此基础上，为排除因外界温度变化引起空调能耗的突变，特去除空调能耗数据，缩小除列车气隙高度以外其他因素对直线电机列车能耗的影响，为此获取113114车2014年2～4月空调能耗数据如下：(1) 2014年2～3月空调能耗为9 432 kW·h，运行里程为10 708 km，即2月份每公里空调能耗为：0.880 8 kW·h/km；

(2) 2014年3～4月空调能耗为16 173 kW·h，运行里程为11 611 km，即3月份每公里空调能耗为：1.392 9 kW·h/km。

由空调能耗数据可以看出，随着气温上升，3月份较2月份空调电能消耗明显上升，因此势必影响列车总能耗的上升，为此我们可以在月度总能耗的基础上剔除空调能耗部分，则可以大致反映列车牵引能耗随运行公里里程的关系如下：

(1) 2014年2～3月，列车每公里牵引能耗为：6.909 8-0.880 8=6.029 0(kW·h/km)；

(2)2014年3～4月，列车每公里牵引能耗为：7.031 3-1.392 9=5.638 4(kW·h/km)。

由上述数据可知，3月份每公里牵引能耗较2月份有所降低，降低0.390 6 kW·h/km，下降率为6.478 7%。

5.3 直线电机气隙高度变化与牵引能耗的变化关系

列车在2～3月份，113114车12台直线感应电机高度平均下降量约为0.542 3 mm；3月份每公里列车牵引能耗较2月份下降0.390 6 kW·h/km，则列车每公里牵引能耗与电机气隙高度下降量之间的关系为：0.390 6/0.542 3=0.720 3(kW·h/(km·mm))，也即列车电机高度每下降1 mm，列车每公里牵引能耗约降低0.720 3 kW·h，降幅11%。

6 结束语

直线电机车辆电机气隙高度对列车牵引能耗的影响极其重要，随着列车直线电机气隙高度的减小，列车每公里牵引能耗有所降低，下降量约为0.720 3 (kW·h/(km·mm))，为此在保障列车运行安全，不发生直线感应电机与感应板刮蹭的前提下，尽可能降低直线电机气隙高度将有效减少列车牵引能耗，节约能源。

[1] 庞绍煌，高 伟.广州地铁 4 号线直线电机车辆[J]．都市快轨交通，2006，19(1):83-85．

[2] 朱 楷，王月明，樊嘉峰.反应板材料和结构对直线电机车辆性能的影响[J].城市轨道交通研究，2007,(9):60-62.

[3] 唐 宋.广州地铁直线电机车辆电机高度控制探究[J]．铁道机车车辆，2014,34(3)66-68.

[4] 朱士友，吕劲松.车辆检修工[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2009.

Study on the Relationship Between the Iinear Motor of Air Gap and the Energy Consumption of Train

HANYongchun

(Operation Divisions,Guangzhou Metro Corporation,Guangzhou 510000 Guangdong, China)

Based on the linear motor train as the research object, through the collection of guangzhou metro line 5 train linear motor air-gap and train on-board energy consumption data, quantitative analysis of the linear motor air-gap variation relationship with the energy consumption of train, on the premise of train operation safety, to explore the methods of reducing energy consumption of train.

metro; linear motor; motor air gap;reducing energy consumption of train

1008-7842 (2015) 06-0069-04

)男，助理工程师(

2015-05-18)

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.06.18