浅谈直线电机在轨道交通车辆车门上的应用

王宝星 肖 义 段东梅

(宁波中车时代电气设备有限公司 浙江 宁波 315000)

传统的高速动车组内端门驱动装置动力源为永磁同步直流电机，并通过同步轮、同步带、涡轮蜗杆减速器等装置，将旋转运动转化为门系统的直线运动。对于整个系统装置而言，体积较大，同步轮和同步带之间有磨损，传动有损耗。但如果将直线电机应用到内端门中，通电后直接产生直线驱动力，带动门扇运动，可以大大简化其结构，提高系统运行的可靠性和稳定性。

1 直线电机基本简介

1.1 直线电机基本结构

直线电机可以近似地认为是将旋转电机展平而得。常见的直线电机可以分为U型槽式、平板式和管式，线圈组成是三相。其基本组成可以分为初级和次级。旋转电机定子转化而成的叫初级，转子转化而成的叫次级[1]，如图1所示。

图1 旋转电机和直线电机类比

1.2 直线电机工作原理

直线电机在结构上从旋转电机演变而来，其工作原理也与旋转电机相似。旋转电机是通过线圈上的电流与永久磁铁发生电磁感应，产生空间中旋转的推力。直线电机原理，如图2所示，线圈中变化的电流与磁铁的磁场相互感应，可产生持续的推力来移动线圈，根据弗莱明左手规则，电流方向的改变可推动直线电机进行左右往复运动。

图2 直线电机原理

2 整体方案设计

2.1 机械结构设计

高速动车组内端门主要性能和功能参数如下：

净通过宽度 800 mm

净通过高度 1 950 mm

开门时间 2.5～4 s可调

关门时间 3.5～5 s可调

最小障碍物探测尺寸 25 mm×60 mm

电源电压 DC24 V(22.4～30 V)

额定功率 100 W

根据内端门相关性能和功能要求，采用直线电机驱动的内端门结构如图3所示。电机采用U型直线电机，直线电机固定在承载支架上，承载小车用以固定限制U型直线电机线圈和磁轨之间的距离，并且进行门扇承载。同时在导轨一侧安装直线编码器，在电机线圈端增加读数头，在线圈运动过程中，通过直线编码器就能准确判定门扇的位置。此外，在承载支架另外一侧会安装2个位置检测感应开关，用来判定门扇全开和全关状态。待直线电机通电后，整个门系统可以实现自动开关门。

图3 直线电机端门机构

相比于传统的旋转电机机械结构，除了承载小车之间的摩擦，没有其他机械接触，传动力是在气隙中产生的，结构简单，体积小，运动平稳，维护简单。

2.2 直线电机力学模型计算

根据内端门功能要求，内端门必须具备关门到位缓冲和开门到位缓冲功能，因此可以理想地认为内端门开关门运动符合“加速-匀速-减速”的逻辑控制。其中时间-速度轨迹曲线近似如图4所示。

图4 端门速度时间曲线

内端门在运动过程中主要受到直线电机产生的电磁推力和门扇阻力，直线电机的持续推力:

(1)

(2)

F1=u(M1+M2)g+Fn

(3)

(4)

其中：F为电机实际推力，Fa为加速时电机推力，Fb为减速时电机推力，F1为匀速时电机推力，T1为加速时间，T2为匀速运动时间，T3为减速时间，T为周期时间，M1为负载质量，M2为动子质量，vm为最大运动速度，Fn为线缆及拖链相关阻力。根据直线电机的持续推力，再结合牛顿第二定律，就可以反映出门运动阶段的受力情况[2]：

(5)

其中：F为直线电机实际推力，f为门扇运动摩擦阻力，m为门扇质量，dv/dt为门扇加速度。

2.3 直线电机的输出力、功率与质量之间的关系

传统的旋转电机力的输出，是经过减速器的放大后输出的。而直线电机其输出力直接等于其电机推力，并且直线电机磁场是敞开的，比旋转电机有更多的磁场泄漏，所以在磁场强度、通电电流相同的情况下，直线电机产生的电机推力会小很多。

根据物理学知识，可知通电导线在磁场中受到的作用力。电流为I、长为L的直导线，在匀强磁场B中受到的安培力大小为：

F=ILBsin(I，B)，其中：(I，B)为电流方向与磁场方向间的夹角。

可以通过以下措施增大F：

(1)增大电流I，意味着电机功率增加，有超过车辆提供功率的风险；

(2)增大磁场强度B，增大磁钢，意味着电机质量将增大；

(3)增大导线长度L，即增加线圈匝数或长度，将一定程度增大阻抗，此时，为得到同样的相电流有效值I相，占空比将上升，占空比调节范围最大为1，将导致I相上升空间变小，推力的上升受到限制。同时，占空比上升会导致母线电流I上升，对输入功率的要求增大。线圈增大会导致在有限的空间里直线电机行程变短，同时电机质量将增大。

综上所述，直线电机不能像旋转电机一样通过增加减速器来实现力的增加，如果要增加电机输出功率，只能增加电流、磁场强度、线圈长度。

2.4 直线电机选择

根据上述对驱动内端门所需最小力及相关功率要求分析，结合现有直线电机供方相关参数，选择一款适合的直线电机相关参数如表1所示。

表1 直线电机相关参数

2.5 电气控制设计

内端门系统采用速度环和电流环双环控制如图5所示[3]，在本方案中，励磁电流PID的给定值固定为零，速度PID输出值只当作转矩电流量PID的给定值，此时转矩与电流成正比，而加速度与转矩成正比，因此可以有效控制速度。通过双闭环得到uq和ud后，利用适当的坐标变换，如clarke逆变换，变为三相电压，再利用PWM脉宽调制形成相应的PWM波形输出，从而驱动电机转动。

图5 端门系统控制图

3 试验测试

3.1 直线电机推力测试

3.1.1测试原理

直线电机作为动力驱动源，首先要保证能够产生足够的驱动力使门运动将直线电机承载驱动机构安装在测试台，如图6所示，当承载驱动机构在运动时达到静平衡后，忽略运动摩擦力，此时可近似地认为直线电机的推力为测力计读数。

图6 直线电机机构测试示意图

3.1.2试验过程

(1)将直线电机承载驱动机构结构接通电源DC24 V，然后直线电机会带动门扇配重运动，当门扇碰到测力计后，软件检测到直线电机编码器位移不变后，观测测力计读数，并且记录电流读数。

(2)通过软件控制输入电流，直线电机测试在不同电流情况下的测力计读数。

3.1.3结果分析

图7所示为不同电流情况下的测力计值，由测试结果可知，电机推力和理论推力基本一致，在额定电流2.3 A情况下，电机推力为108 N，接近理论实际推力110 N。并且电机力常数为48，基本满足F=K×I，其中K为力常数，I为相电流有效值。

图7 电流和推力曲线图

3.2 持续挤压力及温升测试

3.2.1试验过程

将直线电机承载驱动机构接通24 V直流电源，将输入电流设定在额定2.3 A，然后电驱动门扇运动，待碰到测力计门扇静止后，模拟电机堵转现象。同时安装热敏电阻在电机定子表面测量电机表面温度，电机表面温度加10 ℃可近似地认为是线圈内部温度，然后记录电机推力和温升变化。

3.2.2结果分析

表2记录了直线电机在额定电流2.3 A情况下，随着温度的变化，电机推力及占空比发生变化的情况。随着温度上升，采集电流下降，为维持电流稳定，占空比上升(占空比未受限情况下)，因此挤压力增大，且一段时间后趋于稳定。持续推力时间可达到1 h以上，电机无异常。电机表面温度先快速上升后趋于稳定，约1 h后，表面温度上升至120.1 ℃左右。

表2 挤压力持续时间及温升测试(室温22 ℃)

4 结论

直线电机和旋转电机各有优缺点，只有在特定的环境下选择合适的设计，才能使电机性能最大化。直线电机在高速动车内端门的应用，只是直线电机众多应用之一，其技术的快速发展，必然会成为轨道交通领域的选择。