1、反应板材料和结构对直线电机车辆性能的影响摘 要 对比了国外直线电机地铁车辆反应板的材料和结构,从理论上分析了采用铜、铝两种导电材料和整体式、叠片式两种背铁结构的反应板对直线电机车辆性能的影响。在直线电机反应板的设计中,从降低成本及材料和结构的有效性考虑,加减速区和坡度区的反应板采用铝片式背铁结构更加合理。关键词 直线电机,地铁车辆,反应板反应板作为直线电机的一部分,其作用主要是产生感应电流。该电流同初级的行波磁场相互作用产生推力,以牵引车辆前进。因此,反应板的材料和结构对直线电机的性能将会有一定的影响。在轨道交通中,为了改善直线电机的牵引性能,通常在不同的区域采用不同的感应板材料或结构,以达到
2、提高车辆性能并降低线路建造成本的目的。国外部分直线电机车辆线路反应板在不同区域采用的材料和结构如表 1 所示。从表 1 中可以看出,在两种类型的直线电机车辆上,加、减速区和坡度区的反应板材料和结构同惰行区不同。其目的是为了增加电机在该区段的牵引力。其中庞巴迪公司的 MARKII 车辆采用了铝板叠片式背铁结构,而东京 12 号线则采用的是铜板整体式背铁结构。本文将就究竟哪种材料或结构对电机的性能改善较大、更合理这一问题进行探讨,以期为国内该类型反应板的结构设计和材料选择提供一定的理论依据。1 反应板材料对电机性能的影响当仅考虑材料对电机性能的影响时,可忽略次级反应板的背铁结构,从而能更为直观地理
3、解边端效应对推力的影响。不考虑纵向边端效应时,直线电机初级产生的行波磁场同普通旋转电机类似。此时的反应板导电材料对电机牵引力的影响如图 1 所示。由图 1 可见,两种电机产生的最大推力相同,而铜导体由于具有较大的电导率,在低滑差的情况下产生的推力较大,因此其推力特性较硬。在旋转电机中通常这是成立的。东京 12 号线选用铜导电板作为其加减速区的反应板导电材料可能源于此。但是直线电机不同于旋转电机的地方在于它存在纵向边端效应。由于用于城市轨道交通的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。考虑了纵向边缘效应后,导电板材料不同时的电机牵引力曲线如图 2 所示。从图 2
4、 中可以看出,此时采用铜作为反应板导电材料的直线电机的最大推力小于采用铝作为导电材料的同类型反应板的直线电机,且其在低滑差区域的优势也并不十分明显。与图1 对比,总体上来说,纵向边缘效应削弱了直线电机的推力。这点从图 3 中也可看出。合成推力是不考虑纵向边端效应的推力和入端、出端效应推力的代数和。入端边缘效应产生的推力在低滑差时是正的,对合成推力起增强的作用;而在高滑差时则为负,对合成推力起削弱作用。而出端效应产生的推力很小,可以忽略。这与文献2中的结论一致。此外,从图 2 中可以看出,纵向边端效应对采用铜作为导电板的削弱作用更强。其原因可以从纵向边端效应的形成来分析。从文献3中可知,纵向边端
5、效应分为两种:第一类由于电机三相绕组空间位置不对称引起的纵向边端效应;第二类由于初级相对次级做直线运动而形成的纵向边端效应。第一类纵向边端效应只影响三相电流的不对称,并且当初级极数大于 6(地铁车辆直线电机初级一般为 68 极1)时,其影响可以忽略。第二类纵向边端效应则不同,是由于电磁感应而产生的。由电磁感应定律知该感应电动势的大小与初级和次级的相对运动速度有关。速度相同时,则感应电动势相同,其感应电流的大小与次级导体板的电导率成正比。由于铜的电导率大于铝,故其产生了较大的电流。从麦克斯韦电磁场方程知,该电流将产生较大的逆磁动势,从而对初级行波磁场的削弱更大,因此其产生的推力反而更小。从这点来
6、说,采用铜作为反应板的导电板是值得商榷的。2 反应板结构对电机性能的影响当考虑到反应板的结构后,受背铁的影响,不能得到直线电机电磁场的解析表达式,故不能求出推力的各个分量。但合成推力可以用Parseval 定理求解2。采用不同材料,不同结构的反应板对直线电机性能的影响如图 4 所示。从图 4 中可以看出,由于背铁的影响,图 2 中给出的铜导电板的优势不复存在。整个滑差率范围内,采用铜导电板的直线电机的推力均小于同类型采用铝导电板的直线电机推力,而不管背铁的结构是整体式还是叠片式。由此可见,东京地铁 12 号线采用铜作为导电板材料的合理程度有待试验验证。再从反应板的结构来看,当导电板的材料相同时
7、,采用叠片式结构的电机其最大推力均比同种类型的整体式结构的电机有所提高,且采用铝导电板的电机提升的绝对值要大,约为 5kN,而采用铜导电板电机的则为2kN。但另一方面,背铁的结构从整体式改为叠片式后,其垂向力发生了较大的变化。相应的曲线如图 5 所示。由图 5 可见,垂向力在低滑差区域为吸引力,在高滑差的情况下为斥力。而从电机的实际运行来看,由于电机是在低滑差的区域中运行,故其垂向力为吸力。且该吸力通常较大,为各自相应推力的数倍。以铝导电板覆盖整体式背铁反应板为例,其牵引力最大值约为 11kN,而对应的垂直吸力约为 20kN;而采用同种导电材料的叠片式背铁的反应板,其能产生的最大推力为 16k
8、N 左右,与之对应的垂向吸力则为 40kN 左右。由于直线电机通常悬挂于转向架或车轴上,故垂向力对车辆转向架或车轴的结构的影响将不容忽视。特别是在采用叠片式结构后其影响将更为剧烈,在结构设计时应予以综合考虑。3 结语综合以上分析,笔者认为在直线电机反应板的设计中,从降低成本及材料和结构的有效性来看,采用庞巴迪公司的设计方案更为合理。但合理的程度需要更为详细的计算和试验。特别是采用新的结构后,垂向力对车辆结构的影响程度以及牵引力的提高程度,均需要进行更为精确的分析,以找出两者的平衡点。参考文献1 张振生.直线电机城市轨道交通车辆综述J.变流技术与电力牵引,2003,4:1.2 YamamuraS.TheoryoflinearinductionmotorsM.Tokyo:U-niversityofTokyoPress,1972.3 上海工业大学,上海电机厂.直线异步电动机M.北京:机械工业出版社,1979.
