- 頭條北京交大科研人員提出可用于低真空管道的一體化電動式磁懸浮系統2023-02-22 作者：秦偉、馬育華 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語北京交通大學電氣工程學院、中國煤炭科工集團太原研究院有限公司的秦偉、馬育華、呂剛、李媛、張潔龍，在2022年第16期《電工技術學報》上撰文，研究一種適用于低真空管道高速磁懸浮列車的高溫超導無鐵心直線感應懸浮電機，是一種可以同時提供懸浮力和推進力的一體化電動式磁懸浮系統。該電機初級利用無鐵心高溫超導線圈能夠承載大電流強磁場，次級結構簡單、可靠性高、造價低，可應用于低真空管（隧）道高速磁懸浮列車系統中。
磁懸浮列車具有運行速度高、爬坡能力強、轉彎半徑小、環保性能好、線路適應性強、安全可靠等諸多優點，可有效彌補高鐵和航空之間的速度空白，助推我國立體交通網絡的構建。磁懸浮成為新時代軌道交通創新發展的技術方向。電動式磁懸浮（electrodynamic suspension）具有氣隙大、穩定性強、能耗低、控制簡單等優點，同時隨著列車運行速度的提高，其運行穩定性更好。因此，電動式磁懸浮是高速磁懸浮系統和低真空管道列車的重要發展方向。
現階段研究的電動式磁懸浮方案主要有超導電動懸浮和永磁電動懸浮。超導電動懸浮技術使用兩套電磁系統，實現其在三維空間的電磁約束。該電動懸浮方案存在工程造價高、懸浮和導向性能差、抬升速度高及后期維護量大等技術缺陷，阻礙了其在高速磁懸浮系統的應用和發展。
永磁電動懸浮技術軌道采用金屬感應板，系統可靠性更高、制造和運營成本更低。根據主磁通磁路的不同，永磁電動懸浮技術可分為直線型、徑向磁通型和軸向磁通型。直線型永磁電動懸浮存在運行阻力大、浮阻比小等問題；徑向磁通型永磁電動懸浮的磁體有效利用率和有效載荷都較低，且懸浮力與推力無法獨立解耦控制；軸向磁通型永磁電動懸浮需要在“不均勻”氣隙工況下才可以產生推進和導向力，造成系統推進、導向困難。
而且永磁電動懸浮系統內部只存在單一永磁勵磁源，氣隙磁場調節困難，從而限制了其運行調速范圍、高效區拓展以及故障保護的能力。同時，永磁電動懸浮系統本身是臨界穩定的，容易受到外界的干擾而引起振動，且由于自身欠阻尼的特性，受到外界干擾后系統將無法收斂，在實際應用中會產生災難性的后果，阻礙了永磁電動懸浮技術的推廣應用。
北京交通大學電氣工程學院、中國煤炭科工集團太原研究院有限公司的秦偉、馬育華、呂剛、李媛、張潔龍，在2022年第16期《電工技術學報》上撰文，研究一種適用于低真空管道高速磁懸浮列車的高溫超導無鐵心直線感應懸浮電機，是一種可以同時提供懸浮力和推進力的一體化電動式磁懸浮系統。該電機初級利用無鐵心高溫超導線圈能夠承載大電流強磁場，次級結構簡單、可靠性高、造價低，可應用于低真空管（隧）道高速磁懸浮列車系統中。
圖1 無鐵心直線感應懸浮電機銅繞組樣機
研究人員立足于電機初級拓撲結構的設計，提出一種新型電磁Halbach陣列，并研究了陣列結構參數對電機性能的影響。首先，采用積分法求解電磁Halbach線圈陣列的矢量磁位函數，之后對該函數進行了傅里葉級數轉換，使初級無鐵心繞組的磁場函數具有連續統一的解析表達式。然后，建立考慮縱向邊端效應的無鐵心直線感應懸浮電機（Coreless Linear Induction Maglev Motor, CLIMM）的全域解析模型。最后，利用矢量磁位和邊界條件對電機的電磁關系進行了分析，得到懸浮力、推進力和效率等關鍵性能指標的解析表達式。
他們表示，以矢量磁位為求解變量建立的二維解析模型，考慮了高溫超導無鐵心直線感應懸浮電機的縱向邊端效應，具有更高的計算準確性和通用性。二維解析模型計算結果與二維有限元計算結果和實驗測試結果的最大誤差分別為1.8%和3.46%，證明了所提計算方法的有效性。
另外，在解析計算的基礎上，他們研究了不同參數對電機性能的影響，得出了無鐵心直線感應懸浮電機的可行設計參數，即電機的額定工作轉差率應為0.6左右，次級導體板厚度為9mm，為運動磁場電磁Halbach陣列在高溫超導中的應用提供了理論基礎。
研究人員指出，相對于現有的磁懸浮方案，該方案具有如下特點：
（1）該電機可同時產生懸浮與推進力，且軌道只含有非磁性金屬導體板（銅或鋁），結構簡單、可靠高且成本較低，適合長行程應用下全行程范圍內鋪設。
（2）初級繞組采用無鐵芯的空芯線圈，不存在鐵心磁飽和問題，可通過提高勵磁電流獲得適用于超高速管道高鐵所需的動力，提高了磁懸浮系統的“浮重比”和運載能力。
本文編自2022年第16期《電工技術學報》，論文標題為“一種可用于低真空管道的高溫超導無鐵心直線感應磁懸浮電機”。本課題得到中央高校基本科研業務費資助項目的支持。
