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磁懸浮列車具有運(yùn)行速度高、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、環(huán)保性能好、線路適應(yīng)性強(qiáng)、安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，可有效彌補(bǔ)高鐵和航空之間的速度空白，助推我國立體交通網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。磁懸浮成為新時(shí)代軌道交通創(chuàng)新發(fā)展的技術(shù)方向。電動(dòng)式磁懸浮（electrodynamic suspension）具有氣隙大、穩(wěn)定性強(qiáng)、能耗低、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)隨著列車運(yùn)行速度的提高，其運(yùn)行穩(wěn)定性更好。因此，電動(dòng)式磁懸浮是高速磁懸浮系統(tǒng)和低真空管道列車的重要發(fā)展方向。

現(xiàn)階段研究的電動(dòng)式磁懸浮方案主要有超導(dǎo)電動(dòng)懸浮和永磁電動(dòng)懸浮。超導(dǎo)電動(dòng)懸浮技術(shù)使用兩套電磁系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其在三維空間的電磁約束。該電動(dòng)懸浮方案存在工程造價(jià)高、懸浮和導(dǎo)向性能差、抬升速度高及后期維護(hù)量大等技術(shù)缺陷，阻礙了其在高速磁懸浮系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展。

永磁電動(dòng)懸浮技術(shù)軌道采用金屬感應(yīng)板，系統(tǒng)可靠性更高、制造和運(yùn)營成本更低。根據(jù)主磁通磁路的不同，永磁電動(dòng)懸浮技術(shù)可分為直線型、徑向磁通型和軸向磁通型。直線型永磁電動(dòng)懸浮存在運(yùn)行阻力大、浮阻比小等問題；徑向磁通型永磁電動(dòng)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(dú)立解耦控制；軸向磁通型永磁電動(dòng)懸浮需要在“不均勻”氣隙工況下才可以產(chǎn)生推進(jìn)和導(dǎo)向力，造成系統(tǒng)推進(jìn)、導(dǎo)向困難。

而且永磁電動(dòng)懸浮系統(tǒng)內(nèi)部只存在單一永磁勵(lì)磁源，氣隙磁場調(diào)節(jié)困難，從而限制了其運(yùn)行調(diào)速范圍、高效區(qū)拓展以及故障保護(hù)的能力。同時(shí)，永磁電動(dòng)懸浮系統(tǒng)本身是臨界穩(wěn)定的，容易受到外界的干擾而引起振動(dòng)，且由于自身欠阻尼的特性，受到外界干擾后系統(tǒng)將無法收斂，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果，阻礙了永磁電動(dòng)懸浮技術(shù)的推廣應(yīng)用。

北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院、中國煤炭科工集團(tuán)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(shù)學(xué)報(bào)》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(dǎo)無鐵心直線感應(yīng)懸浮電機(jī)，是一種可以同時(shí)提供懸浮力和推進(jìn)力的一體化電動(dòng)式磁懸浮系統(tǒng)。該電機(jī)初級(jí)利用無鐵心高溫超導(dǎo)線圈能夠承載大電流強(qiáng)磁場，次級(jí)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、造價(jià)低，可應(yīng)用于低真空管（隧）道高速磁懸浮列車系統(tǒng)中。

圖1 無鐵心直線感應(yīng)懸浮電機(jī)銅繞組樣機(jī)

研究人員立足于電機(jī)初級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提出一種新型電磁Halbach陣列，并研究了陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)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(shù)，之后對(duì)該函數(shù)進(jìn)行了傅里葉級(jí)數(shù)轉(zhuǎn)換，使初級(jí)無鐵心繞組的磁場函數(shù)具有連續(xù)統(tǒng)一的解析表達(dá)式。然后，建立考慮縱向邊端效應(yīng)的無鐵心直線感應(yīng)懸浮電機(jī)（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(duì)電機(jī)的電磁關(guān)系進(jìn)行了分析，得到懸浮力、推進(jìn)力和效率等關(guān)鍵性能指標(biāo)的解析表達(dá)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(dǎo)無鐵心直線感應(yīng)懸浮電機(jī)的縱向邊端效應(yīng)，具有更高的計(jì)算準(zhǔn)確性和通用性。二維解析模型計(jì)算結(jié)果與二維有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果的最大誤差分別為1.8%和3.46%，證明了所提計(jì)算方法的有效性。

另外，在解析計(jì)算的基礎(chǔ)上，他們研究了不同參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響，得出了無鐵心直線感應(yīng)懸浮電機(jī)的可行設(shè)計(jì)參數(shù)，即電機(jī)的額定工作轉(zhuǎn)差率應(yīng)為0.6左右，次級(jí)導(dǎo)體板厚度為9mm，為運(yùn)動(dòng)磁場電磁Halbach陣列在高溫超導(dǎo)中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

研究人員指出，相對(duì)于現(xiàn)有的磁懸浮方案，該方案具有如下特點(diǎn)：

（1）該電機(jī)可同時(shí)產(chǎn)生懸浮與推進(jìn)力，且軌道只含有非磁性金屬導(dǎo)體板（銅或鋁），結(jié)構(gòu)簡單、可靠高且成本較低，適合長行程應(yīng)用下全行程范圍內(nèi)鋪設(shè)。

（2）初級(jí)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(lì)磁電流獲得適用于超高速管道高鐵所需的動(dòng)力，提高了磁懸浮系統(tǒng)的“浮重比”和運(yùn)載能力。

本文編自2022年第16期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“一種可用于低真空管道的高溫超導(dǎo)無鐵心直線感應(yīng)磁懸浮電機(jī)”。本課題得到中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目的支持。