文章摘要

高速磁浮交通系統(tǒng)采用長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，直接影響系統(tǒng)的最高速度、加減速能力和運(yùn)行效率，也與懸浮系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)強(qiáng)耦合，進(jìn)而會(huì)影響系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性。文章分析了國(guó)內(nèi)外高速磁浮交通系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，論述了高速磁浮長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)的現(xiàn)狀與不足，在對(duì)存在問(wèn)題和挑戰(zhàn)進(jìn)行討論的基礎(chǔ)上，圍繞優(yōu)化長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)結(jié)構(gòu)、精確計(jì)算長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)復(fù)雜變工況高速運(yùn)行動(dòng)態(tài)性能和復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)3個(gè)問(wèn)題，提出了針對(duì)600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)的建議。

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高速磁浮交通系統(tǒng)結(jié)合了電磁懸浮技術(shù)與長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，依靠電磁力實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛與軌道之間的無(wú)接觸運(yùn)行，為了凸顯在高速交通領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，提高運(yùn)行速度一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在該系統(tǒng)中，車(chē)輛運(yùn)行的牽引力與懸浮力都依靠同一個(gè)磁場(chǎng)——懸浮磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)大小由懸浮系統(tǒng)承擔(dān)的垂向力與懸浮高度決定，且隨著車(chē)輛運(yùn)行姿態(tài)動(dòng)態(tài)變化，因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的牽引性能不僅與懸浮系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)強(qiáng)耦合，而且與運(yùn)行速度緊密相關(guān)。目前的高速磁浮交通系統(tǒng)主要指來(lái)自于德國(guó)的常導(dǎo)高速磁浮（Transrapid, TR）系列，其最高設(shè)計(jì)速度為500 km/h，采用該技術(shù)的上海磁浮列車(chē)示范運(yùn)營(yíng)線(xiàn)（簡(jiǎn)稱(chēng)上海磁浮線(xiàn)）最高試驗(yàn)速度可達(dá)501 km/h，最高運(yùn)營(yíng)速度為430 km/h，多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)積累，驗(yàn)證了500 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)的成熟性，也促使600 km/h速度級(jí)高速磁浮列車(chē)進(jìn)入了工程化研究階段。

600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)工程化研究目前處于初級(jí)發(fā)展階段，沒(méi)有先例可循。為了有高速測(cè)試的條件，目前600 km/h速度級(jí)試驗(yàn)樣車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了現(xiàn)有上海磁浮線(xiàn)的長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)方案。與500 km/h車(chē)輛相比，該樣車(chē)最高運(yùn)行速度提高了100 km/h，因此地面變流系統(tǒng)輸出最高頻率從269.2 Hz提升至323 Hz，輸出容量也從15 MV?A提升至24 MV?A。雖然經(jīng)過(guò)牽引變流系統(tǒng)的擴(kuò)容與改進(jìn)，該長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)方案仍然可用，但電機(jī)端電壓升高、損耗增加、電流增大等也給電機(jī)運(yùn)行可靠性帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)，是否還是最佳方案需要進(jìn)行深入研究。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能受速度影響非常大，一方面，600 km/h速度運(yùn)行時(shí)車(chē)輛的氣動(dòng)升力變化，使懸浮系統(tǒng)承擔(dān)的垂向力降低，導(dǎo)致平均懸浮磁場(chǎng)減小，若要保障車(chē)輛的高速運(yùn)行能力就需要增大牽引變流系統(tǒng)的容量，否則高速時(shí)候的牽引能力將下降；另一方面，600 km/h高速運(yùn)行車(chē)輛的橫向晃動(dòng)嚴(yán)重，使得導(dǎo)向間隙發(fā)生快速波動(dòng)，不僅給導(dǎo)向系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)，而且直接影響驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的牽引性能。目前沒(méi)有600 km/h速度級(jí)高速運(yùn)行的實(shí)際結(jié)果，已有的低速試驗(yàn)并不能完全驗(yàn)證高速牽引能力。因此，加快600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)大容量長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與創(chuàng)新、復(fù)雜變工況多維數(shù)學(xué)模型和復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)等研究，對(duì)中國(guó)600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)的工程化應(yīng)用具有重要戰(zhàn)略意義。

一、高速磁浮交通系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀

高速磁浮交通系統(tǒng)成果最顯著的是德國(guó)，其研究開(kāi)展也較早，先后研發(fā)出9代TR系列磁浮列車(chē)。TR05開(kāi)始一直采用長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，這也是現(xiàn)有TR系列磁浮車(chē)輛的基礎(chǔ)，其示范線(xiàn)于1977年在漢堡國(guó)際交通博覽會(huì)上展出。隨后，德國(guó)在埃姆斯蘭建造埃姆斯蘭高速磁浮試驗(yàn)線(xiàn)（Transrapid-Versuchsanlage Emsland, TVE），成為了后續(xù)磁浮車(chē)輛的測(cè)試平臺(tái)；在此線(xiàn)路上，測(cè)試了設(shè)計(jì)速度400 km/h的TR06、面向應(yīng)用的TR07和為柏林—漢堡磁浮鐵路開(kāi)發(fā)的TR08磁浮列車(chē)。通過(guò)TVE試驗(yàn)線(xiàn)驗(yàn)證了TR08工程化應(yīng)用的水平，2001年為上海磁浮線(xiàn)設(shè)計(jì)了面向工程應(yīng)用的TR08。為當(dāng)時(shí)規(guī)劃的慕尼黑機(jī)場(chǎng)線(xiàn)設(shè)計(jì)的TR09則在2008年上線(xiàn)試驗(yàn)，最高設(shè)計(jì)速度為350 km/h。由此可見(jiàn)，TR06~TR09測(cè)試都基于TVE試驗(yàn)線(xiàn)，因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了相同的長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)方案。

在TR05到TR09的發(fā)展過(guò)程中，德國(guó)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、分析與測(cè)試等進(jìn)行了相應(yīng)的研究，為該類(lèi)電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析奠定了理論基礎(chǔ)，研究表明高速磁浮交通系統(tǒng)在運(yùn)行速度上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，技術(shù)也達(dá)到了工程化應(yīng)用水平。然而，德國(guó)人口分布相對(duì)均勻，不存在能夠突出磁浮交通系統(tǒng)速度優(yōu)勢(shì)的長(zhǎng)距離、大運(yùn)量運(yùn)輸通道，且其建造成本高于輪軌高速鐵路，與既有鐵路網(wǎng)絡(luò)的兼容也比較困難，隨著漢堡—柏林等規(guī)劃線(xiàn)路的取消，高速磁浮交通技術(shù)的研究逐漸減少，在TR09后基本停滯。

中國(guó)一直以來(lái)都很重視高速磁浮交通的研究與開(kāi)發(fā)。少數(shù)高校、科研單位在20世紀(jì)70年代就開(kāi)始關(guān)注磁浮交通系統(tǒng)新技術(shù)，開(kāi)展常導(dǎo)磁浮列車(chē)的基礎(chǔ)性研究試驗(yàn)工作，探討國(guó)際磁浮列車(chē)技術(shù)發(fā)展和研究在中國(guó)實(shí)現(xiàn)的可能性。1996年4月科技部開(kāi)始了“磁懸浮列車(chē)重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題研究”軟課題研究，實(shí)地考察了日本、德國(guó)的磁浮交通技術(shù)，并對(duì)3種磁浮交通技術(shù)進(jìn)行了專(zhuān)題分析。1999年底科技部把“我國(guó)第一條高速磁浮列車(chē)試驗(yàn)運(yùn)行線(xiàn)可行性研究”列入“九五”攻關(guān)軟課題，進(jìn)一步消化了德國(guó)TR高速磁浮列車(chē)的技術(shù)，比較了試驗(yàn)運(yùn)行線(xiàn)的選線(xiàn)方案，提出了在上海建造示范運(yùn)營(yíng)線(xiàn)的建議。伴隨著上海磁浮線(xiàn)的開(kāi)工建設(shè)，科技部設(shè)立了“十五”國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“高速磁浮交通技術(shù)研究”重大專(zhuān)項(xiàng)，消化吸收了德國(guó)TR系列磁浮列車(chē)牽引、運(yùn)行控制及軌道技術(shù)，研制了試驗(yàn)列車(chē)并建造了1.5 km的試驗(yàn)線(xiàn)。2016年開(kāi)始研發(fā)600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通技術(shù)和設(shè)備，于2021年7月試驗(yàn)樣車(chē)在青島成功下線(xiàn)，已基于現(xiàn)有試驗(yàn)線(xiàn)路完成了低速驗(yàn)證。

雖然中國(guó)高速磁浮交通系統(tǒng)研究晚于德國(guó)，但中國(guó)幅員遼闊，大運(yùn)量高速交通的需求非常迫切，例如京滬、京杭等長(zhǎng)大干線(xiàn)線(xiàn)路；成渝、漢寧等距離500 km左右的線(xiàn)路，因此在研究投入、產(chǎn)業(yè)化與更高速車(chē)輛研發(fā)方面都后來(lái)居上，走在了世界前列。在這個(gè)過(guò)程中，研究人員在長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)的性能分析、參數(shù)計(jì)算、仿真建模、半實(shí)物仿真、驅(qū)動(dòng)控制、測(cè)試技術(shù)等方面進(jìn)行了較多的研究，基本都圍繞TR08長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)結(jié)構(gòu)。600 km/h速度級(jí)磁浮試驗(yàn)樣車(chē)受限于測(cè)試條件，也采用了同樣的電機(jī)結(jié)構(gòu)，因此針對(duì)600 km/h運(yùn)行條件下直線(xiàn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、高速運(yùn)行性能計(jì)算和復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)等研究仍然存在較多不足，迫切需要進(jìn)行系統(tǒng)的理論研究。

二、上海磁浮線(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上海磁浮線(xiàn)基于德國(guó)的TR08技術(shù)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的是直線(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)。在電機(jī)結(jié)構(gòu)中，通常三相電源輸入側(cè)作為定子，因此在該直線(xiàn)同步電機(jī)中也把三相電源輸入側(cè)稱(chēng)為定子，其鋪設(shè)在整個(gè)軌道兩側(cè)下方，即定子長(zhǎng)度等于軌道長(zhǎng)度。勵(lì)磁（懸浮）電磁鐵部分則稱(chēng)為動(dòng)子，安裝在車(chē)輛底部?jī)蓚?cè)，因此動(dòng)子長(zhǎng)度基本等于車(chē)輛長(zhǎng)度。由于定子長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于動(dòng)子長(zhǎng)度，所以稱(chēng)為長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)。車(chē)輛運(yùn)行時(shí)，為了不浪費(fèi)電能，不能給整個(gè)線(xiàn)路的定子繞組都供電，具體實(shí)現(xiàn)方式是三相定子繞組分段，每段長(zhǎng)度超過(guò)車(chē)輛的長(zhǎng)度，只有磁浮列車(chē)所在的定子繞組段通電。每個(gè)定子段輸入端都連接開(kāi)關(guān)站，等車(chē)輛運(yùn)行到該段，由控制系統(tǒng)觸發(fā)開(kāi)關(guān)站處于接通狀態(tài)，就把地面的變頻電源饋入該定子段。通過(guò)逐個(gè)接通各段的開(kāi)關(guān)站，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛走到哪里電源通到哪里的高效運(yùn)行方式。定子段接入三相變頻電源后，產(chǎn)生一個(gè)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的定子行波磁場(chǎng)，動(dòng)子通入直流勵(lì)磁電流產(chǎn)生懸浮磁場(chǎng)，勵(lì)磁電流在車(chē)輛低速時(shí)由車(chē)載蓄電池或軌道上的供電軌提供，在車(chē)輛運(yùn)行速度超過(guò)一定值后則由車(chē)載直線(xiàn)發(fā)電機(jī)這種無(wú)接觸供電方式提供，定子行波磁場(chǎng)牽引動(dòng)子懸浮磁場(chǎng)同速同方向運(yùn)行，使得車(chē)輛在線(xiàn)路上按設(shè)定的牽引特性運(yùn)行。這種運(yùn)行方式下，為了保障切換性能，每段定子都比動(dòng)子要長(zhǎng)，多出的定子部分不產(chǎn)生牽引力，但其與線(xiàn)路電纜一樣會(huì)產(chǎn)生壓降與損耗，影響電機(jī)的性能。

2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)結(jié)構(gòu)

上海磁浮線(xiàn)牽引懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖和縱斷面圖如圖1所示，定動(dòng)子都為模塊化結(jié)構(gòu)，工程應(yīng)用性好。由圖1（a）可見(jiàn)，長(zhǎng)定子在軌道兩側(cè)下方的邊緣部分，如圖1（b）所示。為了加工與安裝方便，圖中的黃色長(zhǎng)定子鐵芯采用分段結(jié)構(gòu)，也稱(chēng)為定子鐵芯段，通常一段為4個(gè)極，長(zhǎng)度約1 m，其采用自帶膠水的硅鋼片疊壓加熱固定成形，然后外部再進(jìn)行環(huán)氧封裝，滿(mǎn)足室外長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用的需求。定子鐵芯段在工廠加工完成，每段背部帶有固定燕尾鍵，在軌道上由螺栓固定。圖中黑色的定子三相繞組采用單根多芯電纜，在工廠預(yù)制成形，在軌道上連續(xù)嵌入每個(gè)定子鐵芯段中，一段三相繞組約1.2 km長(zhǎng)。動(dòng)子上的懸浮電磁鐵由多個(gè)模塊拼接而成，一個(gè)模塊包含12個(gè)極，長(zhǎng)約3 m，如圖1（c）所示，中間部分的電磁鐵表面安裝了直線(xiàn)發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸給車(chē)輛設(shè)備供電。為了輕量化，三相繞組與勵(lì)磁繞組都采用了鋁導(dǎo)體。

由圖1（d）的縱斷面圖可見(jiàn)，動(dòng)子與定子鐵芯正面相對(duì)，懸浮電磁鐵通入直流電后就產(chǎn)生了懸浮磁場(chǎng)，在定動(dòng)子之間產(chǎn)生了很大的吸引力，因?yàn)槎ㄗ庸潭ㄔ谲壍郎希撐桶褎?dòng)子吸向軌道，使得車(chē)輛抬高處于懸浮狀態(tài)，因此也被稱(chēng)為懸浮力。懸浮磁場(chǎng)由懸浮系統(tǒng)根據(jù)懸浮高度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，產(chǎn)生跟垂向力平衡的懸浮力，由于垂向力包括車(chē)輛重量與氣動(dòng)升力，所以懸浮磁場(chǎng)受到氣動(dòng)升力的影響。車(chē)輛懸浮后，該懸浮磁場(chǎng)就成為了長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng)。定子三相繞組通入變頻電流產(chǎn)生直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的行波磁場(chǎng)，牽引著該勵(lì)磁磁場(chǎng)，使得動(dòng)子同速同向運(yùn)動(dòng)。由此可見(jiàn)，跟普通同步電機(jī)不同，高速磁浮驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不能主動(dòng)控制懸浮磁場(chǎng)，而且懸浮高度與導(dǎo)向間隙隨著車(chē)輛運(yùn)行存在動(dòng)態(tài)變化，其牽引性能計(jì)算需要考慮懸浮系統(tǒng)與導(dǎo)向系統(tǒng)的耦合影響。

2.2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)

長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)是高速磁浮交通系統(tǒng)的牽引部件，而勵(lì)磁磁場(chǎng)需由懸浮電磁鐵提供，因此該長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)與懸浮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)強(qiáng)耦合，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析時(shí)需要把長(zhǎng)定子與動(dòng)子懸浮系統(tǒng)一起建模計(jì)算。電機(jī)設(shè)計(jì)需要確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)有很多，最關(guān)鍵的是車(chē)輛懸浮高度、定子極距和動(dòng)子極距，這是因?yàn)檫@3個(gè)參數(shù)不僅與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與懸浮系統(tǒng)強(qiáng)耦合，而且影響著高速磁浮交通系統(tǒng)車(chē)輛與軌道的設(shè)計(jì)。

懸浮高度由懸浮系統(tǒng)決定，通常約10 mm。定子極距指的是定子行波磁場(chǎng)波長(zhǎng)的一半，動(dòng)子極距指的是懸浮磁場(chǎng)波長(zhǎng)的一半，在設(shè)計(jì)與運(yùn)行時(shí)都需要保障兩者基本相同，否則會(huì)降低牽引性能。由此可見(jiàn)，對(duì)高速磁浮車(chē)輛來(lái)說(shuō)，定子極距是最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)。當(dāng)定子極距確定后，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)與牽引供電系統(tǒng)方案也隨之確定，直線(xiàn)電機(jī)的運(yùn)行性能也就可以計(jì)算，從而決定了直線(xiàn)電機(jī)的運(yùn)行性能。

定子極距由車(chē)輛運(yùn)行速度與變流電源頻率共同決定。當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行速度一定時(shí)，如果極距取值過(guò)小，則電源頻率增大，由于懸浮高度比較大，這種情況下電機(jī)漏磁會(huì)增加，電機(jī)性能降低；反之，如果極距取值過(guò)大，在直線(xiàn)電機(jī)定動(dòng)子高度保持不變時(shí)，定子與動(dòng)子磁路容易飽和，也會(huì)降低電機(jī)的性能。為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要同時(shí)增大電機(jī)定子與動(dòng)子的高度，導(dǎo)致電機(jī)的體積與重量提升。因此，長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)定子極距是非常關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，過(guò)大或過(guò)小都會(huì)惡化系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)性能與懸浮性能，需要根據(jù)運(yùn)行速度來(lái)優(yōu)化選擇。

目前TR08系列采用的定子極距為0.258 m，由可關(guān)斷晶閘管器件構(gòu)成的逆變裝置來(lái)提供變頻電源，頻率變化范圍為0~300 Hz，其最高設(shè)計(jì)速度為505 km/h，此時(shí)電流頻率為271.86 Hz，滿(mǎn)足變流器頻率范圍。中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司研發(fā)的600 km/h工程樣車(chē)保持了0.258 m的定子極距，電流最高頻率約為323 Hz，顯然已經(jīng)超出了TR08變流器的頻率范圍，同時(shí)牽引系統(tǒng)的容量和輸出電壓也超過(guò)了TR08的范圍，因此600 km/h試驗(yàn)樣車(chē)變流器采用了可控性更好的集成門(mén)極換流晶閘管（Integrated Gate-Commutated Thyristor, IGCT）器件，提高了牽引變流器的容量與頻率，同時(shí)通過(guò)增大輸出變壓器變比提升了牽引變流系統(tǒng)的輸出電壓，滿(mǎn)足了車(chē)輛600 km/h運(yùn)行的需求，但是該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是否為最優(yōu)方案還需要進(jìn)一步研究。

2.3 電機(jī)效率

長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)的定子損耗主要由三相繞組的銅耗和定子鐵芯中的鐵耗組成，銅耗由定子電流、繞組電阻來(lái)決定，低速運(yùn)行時(shí)車(chē)輛加速度大、電流大，銅耗也增大；而高速運(yùn)行時(shí)車(chē)輛加速度小、電流小，銅耗也降低。繞組銅耗也與長(zhǎng)定子段長(zhǎng)度相關(guān)，長(zhǎng)定子段長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則銅耗越大。鐵耗則與電源頻率相關(guān)，隨著頻率增大，鐵耗增大。當(dāng)速度提升至600 km/h時(shí)，車(chē)輛的加速距離與加速時(shí)間都變長(zhǎng)，頻率也增大，銅耗與鐵耗都會(huì)相應(yīng)增大。

動(dòng)子懸浮系統(tǒng)也存在勵(lì)磁繞組銅耗與勵(lì)磁鐵芯鐵耗，但由于其由車(chē)載電源供電，長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)效率計(jì)算通常不考慮動(dòng)子損耗，所以只由定子損耗來(lái)決定。隨著運(yùn)行速度提升至600 km/h，如果保持長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)不變，則電機(jī)的電流與損耗都會(huì)增大，導(dǎo)致熱負(fù)荷增加、效率降低。

三、600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

高速磁浮是復(fù)雜的流固-電磁-機(jī)電緊耦合系統(tǒng)，牽引與懸浮都依靠長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)，運(yùn)行過(guò)程中懸浮高度依靠懸浮系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，導(dǎo)向間隙依靠導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。當(dāng)運(yùn)行速度由430 km/h提升至600 km/h，氣動(dòng)性能、車(chē)軌耦合、系統(tǒng)耦合等條件發(fā)生了變化，對(duì)長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)高速運(yùn)行的牽引能力、動(dòng)態(tài)運(yùn)行系統(tǒng)協(xié)同及高精度同步控制提出了更高的要求。

600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)項(xiàng)目借鑒高鐵“仿真分析—臺(tái)架試驗(yàn)—線(xiàn)路試驗(yàn)”循環(huán)迭代優(yōu)化的成熟研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)搭建系統(tǒng)集成、車(chē)輛、牽引供電、運(yùn)行控制通信及線(xiàn)路軌道的地面試驗(yàn)臺(tái)和調(diào)試試驗(yàn)線(xiàn)來(lái)進(jìn)行部件及系統(tǒng)線(xiàn)路研發(fā)與驗(yàn)證，再修正仿真邊界及算法優(yōu)化設(shè)計(jì)。雖然該驗(yàn)證方法驗(yàn)證了長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)具有600 km/h運(yùn)行的能力，但由于缺少實(shí)際線(xiàn)路的高速運(yùn)行，并不能充分驗(yàn)證作為牽引核心的現(xiàn)有長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)設(shè)計(jì)方案的有效性和高效性。為了保證600 km/h高速磁浮驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的達(dá)速穩(wěn)定高效運(yùn)行，還需解決以下問(wèn)題與挑戰(zhàn)。

高速磁浮是復(fù)雜的流固-電磁-機(jī)電緊耦合系統(tǒng)，牽引與懸浮都依靠長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)，運(yùn)行過(guò)程中懸浮高度依靠懸浮系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，導(dǎo)向間隙依靠導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。當(dāng)運(yùn)行速度由430 km/h提升至600 km/h，氣動(dòng)性能、車(chē)軌耦合、系統(tǒng)耦合等條件發(fā)生了變化，對(duì)長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)高速運(yùn)行的牽引能力、動(dòng)態(tài)運(yùn)行系統(tǒng)協(xié)同及高精度同步控制提出了更高的要求。

600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)項(xiàng)目借鑒高鐵“仿真分析—臺(tái)架試驗(yàn)—線(xiàn)路試驗(yàn)”循環(huán)迭代優(yōu)化的成熟研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)搭建系統(tǒng)集成、車(chē)輛、牽引供電、運(yùn)行控制通信及線(xiàn)路軌道的地面試驗(yàn)臺(tái)和調(diào)試試驗(yàn)線(xiàn)來(lái)進(jìn)行部件及系統(tǒng)線(xiàn)路研發(fā)與驗(yàn)證，再修正仿真邊界及算法優(yōu)化設(shè)計(jì)。雖然該驗(yàn)證方法驗(yàn)證了長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)具有600 km/h運(yùn)行的能力，但由于缺少實(shí)際線(xiàn)路的高速運(yùn)行，并不能充分驗(yàn)證作為牽引核心的現(xiàn)有長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)設(shè)計(jì)方案的有效性和高效性。為了保證600 km/h高速磁浮驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的達(dá)速穩(wěn)定高效運(yùn)行，還需解決以下問(wèn)題與挑戰(zhàn)。

1）優(yōu)化長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有600 km/h車(chē)輛仍然采用TR08的長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)提升變流器容量、運(yùn)行頻率并提高輸出變壓器變比來(lái)提升電機(jī)端電壓的技術(shù)手段，將運(yùn)行速度由500 km/h提升至600 km/h，但是長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)的損耗與熱負(fù)荷都增加，此時(shí)系統(tǒng)性能、效率、經(jīng)濟(jì)性均發(fā)生了變化，需要根據(jù)600 km/h的運(yùn)行速度對(duì)電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到最優(yōu)方案。與此同時(shí)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展與絕緣技術(shù)的發(fā)展，制約長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電壓與頻率范圍都得到了提升，從而可以突破現(xiàn)有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的約束，嘗試新型長(zhǎng)定子結(jié)構(gòu)的研究，得到更高效的新型長(zhǎng)定子結(jié)構(gòu)方案。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與創(chuàng)新，將獲得優(yōu)化的長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)方案，能夠提高線(xiàn)路的經(jīng)濟(jì)性與運(yùn)行效率。

2）精確計(jì)算長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)復(fù)雜變工況高速運(yùn)行動(dòng)態(tài)性能

600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)的車(chē)軌耦合作用增強(qiáng)，對(duì)于長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)來(lái)說(shuō)，高速運(yùn)行時(shí)車(chē)輛受到的不均勻分布的升力及波動(dòng)會(huì)引起懸浮高度動(dòng)態(tài)變化，也會(huì)導(dǎo)致懸浮磁場(chǎng)減弱及不均勻分布；高速運(yùn)行時(shí)車(chē)輛的橫向晃動(dòng)增大，從而也增大了導(dǎo)向氣隙的變化，減小了電機(jī)的牽引力與懸浮力，并給導(dǎo)向系統(tǒng)產(chǎn)生了附加的導(dǎo)向力；600 km/h運(yùn)行時(shí)，檢測(cè)與控制信號(hào)的延時(shí)影響增大，使得牽引力下降，需要計(jì)算延時(shí)影響并提出補(bǔ)償策略；同時(shí)，線(xiàn)路過(guò)軌縫等特殊情況影響也變得明顯。以上這些都會(huì)降低600 km/h運(yùn)行時(shí)電機(jī)的運(yùn)行性能。為了保證高速運(yùn)行的可靠性與舒適性，需要精確計(jì)算高速運(yùn)行復(fù)雜變工況下電機(jī)的性能，為直線(xiàn)電機(jī)與牽引控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持。

3）研究復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題

600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)比較適用于大通量長(zhǎng)大干線(xiàn)，例如京滬、京杭等線(xiàn)路。高速與長(zhǎng)大干線(xiàn)帶來(lái)了很多新的問(wèn)題，這些是目前運(yùn)行情況單一、線(xiàn)路短的上海磁浮線(xiàn)中沒(méi)有遇到的。長(zhǎng)線(xiàn)路運(yùn)行時(shí)環(huán)境變化大，會(huì)使得電機(jī)運(yùn)行性能發(fā)生變化，例如溫度變化導(dǎo)致的熱脹冷縮，此時(shí)長(zhǎng)定子固定在軌道上定子極距基本保持不變，但是動(dòng)子懸浮磁鐵極距則會(huì)隨著車(chē)廂的熱脹冷縮而變化，使得定子極距與動(dòng)子極距發(fā)生偏差，導(dǎo)致?tīng)恳ο陆担陂L(zhǎng)編組條件下情況會(huì)更嚴(yán)重，因此直線(xiàn)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮這些工況下的影響；在低速區(qū)域與高速區(qū)域電機(jī)要求的輸入電壓不同，提高系統(tǒng)效率需要優(yōu)化的分區(qū)長(zhǎng)度，同時(shí)長(zhǎng)大干線(xiàn)運(yùn)行線(xiàn)路將是多車(chē)運(yùn)行，需要提出合理的運(yùn)營(yíng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)原則。因此，需要研究線(xiàn)路適應(yīng)性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題，針對(duì)線(xiàn)路實(shí)際情況提出優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高線(xiàn)路設(shè)計(jì)的適應(yīng)性，同時(shí)為分區(qū)優(yōu)化與運(yùn)營(yíng)規(guī)劃提供參考，提升長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)的線(xiàn)路運(yùn)行效率與經(jīng)濟(jì)性。

四、600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展建議

600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，給中長(zhǎng)距離城市間的大運(yùn)量交通帶來(lái)了希望，未來(lái)發(fā)展前景廣闊。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)是高速磁浮交通系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。隨著材料技術(shù)、控制技術(shù)、設(shè)計(jì)技術(shù)和計(jì)算能力的提升，長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)相關(guān)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)都亟待深化研究和提升。600 km/h速度適用性研究、高速運(yùn)行多源擾動(dòng)多維電機(jī)模型、復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)理論等科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)，是目前長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

4.1 適配600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)鐵芯與繞組新結(jié)構(gòu)

自TR06后，高速磁浮交通系統(tǒng)長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一直保持不變，設(shè)計(jì)受限于當(dāng)時(shí)的材料技術(shù)、控制技術(shù)與電力電子技術(shù)。雖然通過(guò)牽引變流系統(tǒng)的改造與升級(jí)，可以將設(shè)計(jì)速度提升至600 km/h，但運(yùn)行效率、線(xiàn)路經(jīng)濟(jì)性等都受到了限制，長(zhǎng)編組車(chē)輛長(zhǎng)大干線(xiàn)應(yīng)用時(shí)也存在定動(dòng)子極距失配導(dǎo)致的牽引力下降風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)這些年的發(fā)展，電機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)、材料技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、電力電子技術(shù)與絕緣技術(shù)都得到大幅度提升，因此長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的約束變少，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇的自由度更大。突破現(xiàn)有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的約束，嘗試新型長(zhǎng)定子結(jié)構(gòu)的研究，包括新型的鐵芯結(jié)構(gòu)與繞組結(jié)構(gòu)，得到適配600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)的新型長(zhǎng)定子結(jié)構(gòu)方案，從而提高線(xiàn)路運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，具有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。

4.2 直線(xiàn)電機(jī)全速域多源擾動(dòng)服役條件下多維動(dòng)態(tài)建模與分析

600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)屬于強(qiáng)耦合系統(tǒng)，懸浮導(dǎo)向主動(dòng)控制形成自激振動(dòng)，受軌道不平順、橋梁撓度變形、錯(cuò)臺(tái)接縫、橫向晃動(dòng)等外界激擾影響，使得長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)與車(chē)輛運(yùn)行姿態(tài)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、懸浮控制系統(tǒng)及運(yùn)行溫度等都緊密相關(guān)，磁場(chǎng)之間強(qiáng)耦合。為了提高車(chē)輛的運(yùn)行性能，需要加快研究實(shí)際服役下電機(jī)高速運(yùn)行多源擾動(dòng)多維模型，掌握其動(dòng)態(tài)特性。因此，需要考慮車(chē)體姿態(tài)引起的導(dǎo)向與懸浮氣隙變化、氣動(dòng)升力導(dǎo)致的懸浮電流變化、檢測(cè)與控制信號(hào)延時(shí)導(dǎo)致的電流角度變化、電機(jī)故障與特殊線(xiàn)路路況等多源擾動(dòng)復(fù)雜工況，研究長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)模型參數(shù)的時(shí)變非線(xiàn)性規(guī)律，建立基于場(chǎng)路結(jié)合的電機(jī)與牽引供電一體全速度域復(fù)雜變工況多維模型，仿真分析600 km/h高速運(yùn)行多源擾動(dòng)下電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，為長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)的魯棒牽引控制提供理論支持。

4.3 600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)全局優(yōu)化

當(dāng)磁浮列車(chē)運(yùn)行速度達(dá)600 km/h，對(duì)于現(xiàn)有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)，如果繼續(xù)保持定子極距與長(zhǎng)定子段長(zhǎng)度不變，則長(zhǎng)定子段的電壓升高，對(duì)電機(jī)絕緣提出了更高要求。同時(shí)，電流增大則會(huì)增加繞組損耗與線(xiàn)路損耗，頻率升高則會(huì)導(dǎo)致更多的鐵耗，此時(shí)系統(tǒng)性能、效率、經(jīng)濟(jì)性等都受到影響，需要加快現(xiàn)有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)在600 km/h運(yùn)行速度下的適用性研究。綜合考慮材料的性能、變流器的輸出性能，以電源頻率、電源幅值、高可靠運(yùn)行條件、運(yùn)行環(huán)境等為約束條件，以效率、功率因數(shù)、推力密度、成本與懸浮力等為優(yōu)化目標(biāo)，采用基于精英策略的粒子群算法等全局優(yōu)化算法進(jìn)行多目標(biāo)多變量?jī)?yōu)化，優(yōu)化電機(jī)定子極距等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，尤其是最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)定子極距。同時(shí)，基于大量的分析數(shù)據(jù)，采用支持向量機(jī)算法、克里金算法等建立快速非參數(shù)優(yōu)化模型，結(jié)合非支配排序遺傳算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為快速工程設(shè)計(jì)提供理論支持。經(jīng)過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得適用于600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，保障系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)適用于長(zhǎng)大干線(xiàn)，長(zhǎng)線(xiàn)路運(yùn)行導(dǎo)致應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，保障整個(gè)線(xiàn)路的可靠運(yùn)行非常重要，因此需要加快復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)性研究。需要考慮電機(jī)的高頻非正弦激勵(lì)、諧波磁場(chǎng)、邊端效應(yīng)，以及線(xiàn)路的環(huán)境溫度與路況、車(chē)輛的運(yùn)行姿態(tài)、運(yùn)營(yíng)規(guī)律、熱脹冷縮等復(fù)雜變工況，建立電、磁、熱與力的耦合模型，綜合分析長(zhǎng)線(xiàn)路非連續(xù)運(yùn)行條件下的牽引力、損耗與溫升，包括長(zhǎng)定子損耗及動(dòng)子磁極損耗，提出減小損耗的措施及有效的熱管理方法，提出長(zhǎng)線(xiàn)路運(yùn)行效率優(yōu)化的分區(qū)設(shè)計(jì)方法，掌握長(zhǎng)距離運(yùn)行環(huán)境變化引起的定動(dòng)子極距失配對(duì)電機(jī)性能的影響，從而建立適應(yīng)于復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)的設(shè)計(jì)理論，保障車(chē)輛的可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

結(jié)語(yǔ)：長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)是600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)達(dá)速穩(wěn)定運(yùn)行的核心部件，其設(shè)計(jì)和優(yōu)化對(duì)系統(tǒng)效能的提升至關(guān)重要。加速開(kāi)展適配600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)鐵芯與繞組新結(jié)構(gòu)、直線(xiàn)電機(jī)全速域多源擾動(dòng)服役條件下多維動(dòng)態(tài)建模與分析、600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)全局優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)研究，系統(tǒng)建立中國(guó)自主可控的600 km/h速度級(jí)高速磁浮交通系統(tǒng)長(zhǎng)定子直線(xiàn)同步電機(jī)分析理論方法與設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)，對(duì)于中國(guó)高速磁浮交通系統(tǒng)的工程化與規(guī)模應(yīng)用意義重大。