文章摘要

高速磁浮交通系統采用長定子直線同步電機驅動技術，直接影響系統的最高速度、加減速能力和運行效率，也與懸浮系統和導向系統強耦合，進而會影響系統的安全性、經濟性和舒適性。文章分析了國內外高速磁浮交通系統驅動技術，論述了高速磁浮長定子直線同步電機的現狀與不足，在對存在問題和挑戰進行討論的基礎上，圍繞優化長定子直線同步電機結構、精確計算長定子直線同步電機復雜變工況高速運行動態性能和復雜應用環境適應性設計3個問題，提出了針對600 km/h速度級高速磁浮交通系統驅動技術研究與開發的建議。

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高速磁浮交通系統結合了電磁懸浮技術與長定子直線同步電機驅動技術，依靠電磁力實現了車輛與軌道之間的無接觸運行，為了凸顯在高速交通領域的優勢，提高運行速度一直是該領域的研究熱點。在該系統中，車輛運行的牽引力與懸浮力都依靠同一個磁場——懸浮磁場，該磁場大小由懸浮系統承擔的垂向力與懸浮高度決定，且隨著車輛運行姿態動態變化，因此驅動系統的牽引性能不僅與懸浮系統、導向系統強耦合，而且與運行速度緊密相關。目前的高速磁浮交通系統主要指來自于德國的常導高速磁浮（Transrapid, TR）系列，其最高設計速度為500 km/h，采用該技術的上海磁浮列車示范運營線（簡稱上海磁浮線）最高試驗速度可達501 km/h，最高運營速度為430 km/h，多年運行經驗積累，驗證了500 km/h速度級高速磁浮交通系統的成熟性，也促使600 km/h速度級高速磁浮列車進入了工程化研究階段。

600 km/h速度級高速磁浮交通系統工程化研究目前處于初級發展階段，沒有先例可循。為了有高速測試的條件，目前600 km/h速度級試驗樣車驅動系統采用了現有上海磁浮線的長定子直線同步電機方案。與500 km/h車輛相比，該樣車最高運行速度提高了100 km/h，因此地面變流系統輸出最高頻率從269.2 Hz提升至323 Hz，輸出容量也從15 MV?A提升至24 MV?A。雖然經過牽引變流系統的擴容與改進，該長定子直線同步電機方案仍然可用，但電機端電壓升高、損耗增加、電流增大等也給電機運行可靠性帶來了很大挑戰，是否還是最佳方案需要進行深入研究。同時，驅動系統的性能受速度影響非常大，一方面，600 km/h速度運行時車輛的氣動升力變化，使懸浮系統承擔的垂向力降低，導致平均懸浮磁場減小，若要保障車輛的高速運行能力就需要增大牽引變流系統的容量，否則高速時候的牽引能力將下降；另一方面，600 km/h高速運行車輛的橫向晃動嚴重，使得導向間隙發生快速波動，不僅給導向系統穩定運行帶來極大的挑戰，而且直接影響驅動系統的牽引性能。目前沒有600 km/h速度級高速運行的實際結果，已有的低速試驗并不能完全驗證高速牽引能力。因此，加快600 km/h速度級高速磁浮交通系統大容量長定子直線同步電機的結構優化與創新、復雜變工況多維數學模型和復雜應用環境適應性設計等研究，對中國600 km/h速度級高速磁浮交通系統的工程化應用具有重要戰略意義。

一、高速磁浮交通系統驅動技術的發展與現狀

高速磁浮交通系統成果最顯著的是德國，其研究開展也較早，先后研發出9代TR系列磁浮列車。TR05開始一直采用長定子直線同步電機驅動技術，這也是現有TR系列磁浮車輛的基礎，其示范線于1977年在漢堡國際交通博覽會上展出。隨后，德國在埃姆斯蘭建造埃姆斯蘭高速磁浮試驗線（Transrapid-Versuchsanlage Emsland, TVE），成為了后續磁浮車輛的測試平臺；在此線路上，測試了設計速度400 km/h的TR06、面向應用的TR07和為柏林—漢堡磁浮鐵路開發的TR08磁浮列車。通過TVE試驗線驗證了TR08工程化應用的水平，2001年為上海磁浮線設計了面向工程應用的TR08。為當時規劃的慕尼黑機場線設計的TR09則在2008年上線試驗，最高設計速度為350 km/h。由此可見，TR06~TR09測試都基于TVE試驗線，因此驅動系統采用了相同的長定子直線同步電機方案。

在TR05到TR09的發展過程中，德國對驅動系統長定子直線同步電機的結構、設計、分析與測試等進行了相應的研究，為該類電機的設計與分析奠定了理論基礎，研究表明高速磁浮交通系統在運行速度上具有明顯的優勢，技術也達到了工程化應用水平。然而，德國人口分布相對均勻，不存在能夠突出磁浮交通系統速度優勢的長距離、大運量運輸通道，且其建造成本高于輪軌高速鐵路，與既有鐵路網絡的兼容也比較困難，隨著漢堡—柏林等規劃線路的取消，高速磁浮交通技術的研究逐漸減少，在TR09后基本停滯。

中國一直以來都很重視高速磁浮交通的研究與開發。少數高校、科研單位在20世紀70年代就開始關注磁浮交通系統新技術，開展常導磁浮列車的基礎性研究試驗工作，探討國際磁浮列車技術發展和研究在中國實現的可能性。1996年4月科技部開始了“磁懸浮列車重大技術經濟問題研究”軟課題研究，實地考察了日本、德國的磁浮交通技術，并對3種磁浮交通技術進行了專題分析。1999年底科技部把“我國第一條高速磁浮列車試驗運行線可行性研究”列入“九五”攻關軟課題，進一步消化了德國TR高速磁浮列車的技術，比較了試驗運行線的選線方案，提出了在上海建造示范運營線的建議。伴隨著上海磁浮線的開工建設，科技部設立了“十五”國家高技術研究發展計劃“高速磁浮交通技術研究”重大專項，消化吸收了德國TR系列磁浮列車牽引、運行控制及軌道技術，研制了試驗列車并建造了1.5 km的試驗線。2016年開始研發600 km/h速度級高速磁浮交通技術和設備，于2021年7月試驗樣車在青島成功下線，已基于現有試驗線路完成了低速驗證。

雖然中國高速磁浮交通系統研究晚于德國，但中國幅員遼闊，大運量高速交通的需求非常迫切，例如京滬、京杭等長大干線線路；成渝、漢寧等距離500 km左右的線路，因此在研究投入、產業化與更高速車輛研發方面都后來居上，走在了世界前列。在這個過程中，研究人員在長定子直線同步電機的性能分析、參數計算、仿真建模、半實物仿真、驅動控制、測試技術等方面進行了較多的研究，基本都圍繞TR08長定子直線同步電機結構。600 km/h速度級磁浮試驗樣車受限于測試條件，也采用了同樣的電機結構，因此針對600 km/h運行條件下直線電機的結構優化、高速運行性能計算和復雜應用環境適應性設計等研究仍然存在較多不足，迫切需要進行系統的理論研究。

二、上海磁浮線驅動系統結構

上海磁浮線基于德國的TR08技術，驅動系統采用的是直線同步電動機。在電機結構中，通常三相電源輸入側作為定子，因此在該直線同步電機中也把三相電源輸入側稱為定子，其鋪設在整個軌道兩側下方，即定子長度等于軌道長度。勵磁（懸浮）電磁鐵部分則稱為動子，安裝在車輛底部兩側，因此動子長度基本等于車輛長度。由于定子長度遠大于動子長度，所以稱為長定子直線同步電動機。車輛運行時，為了不浪費電能，不能給整個線路的定子繞組都供電，具體實現方式是三相定子繞組分段，每段長度超過車輛的長度，只有磁浮列車所在的定子繞組段通電。每個定子段輸入端都連接開關站，等車輛運行到該段，由控制系統觸發開關站處于接通狀態，就把地面的變頻電源饋入該定子段。通過逐個接通各段的開關站，實現車輛走到哪里電源通到哪里的高效運行方式。定子段接入三相變頻電源后，產生一個直線運動的定子行波磁場，動子通入直流勵磁電流產生懸浮磁場，勵磁電流在車輛低速時由車載蓄電池或軌道上的供電軌提供，在車輛運行速度超過一定值后則由車載直線發電機這種無接觸供電方式提供，定子行波磁場牽引動子懸浮磁場同速同方向運行，使得車輛在線路上按設定的牽引特性運行。這種運行方式下，為了保障切換性能，每段定子都比動子要長，多出的定子部分不產生牽引力，但其與線路電纜一樣會產生壓降與損耗，影響電機的性能。

2.1 驅動系統電機結構

上海磁浮線牽引懸浮系統結構示意圖和縱斷面圖如圖1所示，定動子都為模塊化結構，工程應用性好。由圖1（a）可見，長定子在軌道兩側下方的邊緣部分，如圖1（b）所示。為了加工與安裝方便，圖中的黃色長定子鐵芯采用分段結構，也稱為定子鐵芯段，通常一段為4個極，長度約1 m，其采用自帶膠水的硅鋼片疊壓加熱固定成形，然后外部再進行環氧封裝，滿足室外長時間應用的需求。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，在工廠預制成形，在軌道上連續嵌入每個定子鐵芯段中，一段三相繞組約1.2 km長。動子上的懸浮電磁鐵由多個模塊拼接而成，一個模塊包含12個極，長約3 m，如圖1（c）所示，中間部分的電磁鐵表面安裝了直線發電機，實現無接觸給車輛設備供電。為了輕量化，三相繞組與勵磁繞組都采用了鋁導體。

由圖1（d）的縱斷面圖可見，動子與定子鐵芯正面相對，懸浮電磁鐵通入直流電后就產生了懸浮磁場，在定動子之間產生了很大的吸引力，因為定子固定在軌道上，該吸引力就把動子吸向軌道，使得車輛抬高處于懸浮狀態，因此也被稱為懸浮力。懸浮磁場由懸浮系統根據懸浮高度實時調節，產生跟垂向力平衡的懸浮力，由于垂向力包括車輛重量與氣動升力，所以懸浮磁場受到氣動升力的影響。車輛懸浮后，該懸浮磁場就成為了長定子直線同步電機的勵磁磁場。定子三相繞組通入變頻電流產生直線運動的行波磁場，牽引著該勵磁磁場，使得動子同速同向運動。由此可見，跟普通同步電機不同，高速磁浮驅動系統不能主動控制懸浮磁場，而且懸浮高度與導向間隙隨著車輛運行存在動態變化，其牽引性能計算需要考慮懸浮系統與導向系統的耦合影響。

2.2 關鍵結構參數

長定子直線同步電機是高速磁浮交通系統的牽引部件，而勵磁磁場需由懸浮電磁鐵提供，因此該長定子直線同步電機與懸浮系統的結構參數強耦合，在結構設計與性能分析時需要把長定子與動子懸浮系統一起建模計算。電機設計需要確定的結構參數有很多，最關鍵的是車輛懸浮高度、定子極距和動子極距，這是因為這3個參數不僅與驅動系統與懸浮系統強耦合，而且影響著高速磁浮交通系統車輛與軌道的設計。

懸浮高度由懸浮系統決定，通常約10 mm。定子極距指的是定子行波磁場波長的一半，動子極距指的是懸浮磁場波長的一半，在設計與運行時都需要保障兩者基本相同，否則會降低牽引性能。由此可見，對高速磁浮車輛來說，定子極距是最關鍵的結構參數。當定子極距確定后，其他結構參數與牽引供電系統方案也隨之確定，直線電機的運行性能也就可以計算，從而決定了直線電機的運行性能。

定子極距由車輛運行速度與變流電源頻率共同決定。當車輛運行速度一定時，如果極距取值過小，則電源頻率增大，由于懸浮高度比較大，這種情況下電機漏磁會增加，電機性能降低；反之，如果極距取值過大，在直線電機定動子高度保持不變時，定子與動子磁路容易飽和，也會降低電機的性能。為了解決這個問題，需要同時增大電機定子與動子的高度，導致電機的體積與重量提升。因此，長定子直線同步電機定子極距是非常關鍵的結構參數，過大或過小都會惡化系統的驅動性能與懸浮性能，需要根據運行速度來優化選擇。

目前TR08系列采用的定子極距為0.258 m，由可關斷晶閘管器件構成的逆變裝置來提供變頻電源，頻率變化范圍為0~300 Hz，其最高設計速度為505 km/h，此時電流頻率為271.86 Hz，滿足變流器頻率范圍。中車青島四方機車車輛股份有限公司研發的600 km/h工程樣車保持了0.258 m的定子極距，電流最高頻率約為323 Hz，顯然已經超出了TR08變流器的頻率范圍，同時牽引系統的容量和輸出電壓也超過了TR08的范圍，因此600 km/h試驗樣車變流器采用了可控性更好的集成門極換流晶閘管（Integrated Gate-Commutated Thyristor, IGCT）器件，提高了牽引變流器的容量與頻率，同時通過增大輸出變壓器變比提升了牽引變流系統的輸出電壓，滿足了車輛600 km/h運行的需求，但是該驅動系統是否為最優方案還需要進一步研究。

2.3 電機效率

長定子直線同步電機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、繞組電阻來決定，低速運行時車輛加速度大、電流大，銅耗也增大；而高速運行時車輛加速度小、電流小，銅耗也降低。繞組銅耗也與長定子段長度相關，長定子段長度越長，則銅耗越大。鐵耗則與電源頻率相關，隨著頻率增大，鐵耗增大。當速度提升至600 km/h時，車輛的加速距離與加速時間都變長，頻率也增大，銅耗與鐵耗都會相應增大。

動子懸浮系統也存在勵磁繞組銅耗與勵磁鐵芯鐵耗，但由于其由車載電源供電，長定子直線同步電機效率計算通常不考慮動子損耗，所以只由定子損耗來決定。隨著運行速度提升至600 km/h，如果保持長定子直線同步電機的結構不變，則電機的電流與損耗都會增大，導致熱負荷增加、效率降低。

三、600 km/h速度級高速磁浮交通系統驅動技術的問題與挑戰

高速磁浮是復雜的流固-電磁-機電緊耦合系統，牽引與懸浮都依靠長定子直線同步電機，運行過程中懸浮高度依靠懸浮系統實時調節，導向間隙依靠導向系統實時調節。當運行速度由430 km/h提升至600 km/h，氣動性能、車軌耦合、系統耦合等條件發生了變化，對長定子直線同步電機高速運行的牽引能力、動態運行系統協同及高精度同步控制提出了更高的要求。

600 km/h速度級高速磁浮交通系統項目借鑒高鐵“仿真分析—臺架試驗—線路試驗”循環迭代優化的成熟研發經驗，通過搭建系統集成、車輛、牽引供電、運行控制通信及線路軌道的地面試驗臺和調試試驗線來進行部件及系統線路研發與驗證，再修正仿真邊界及算法優化設計。雖然該驗證方法驗證了長定子直線同步電機具有600 km/h運行的能力，但由于缺少實際線路的高速運行，并不能充分驗證作為牽引核心的現有長定子直線同步電機設計方案的有效性和高效性。為了保證600 km/h高速磁浮驅動系統的達速穩定高效運行，還需解決以下問題與挑戰。

高速磁浮是復雜的流固-電磁-機電緊耦合系統，牽引與懸浮都依靠長定子直線同步電機，運行過程中懸浮高度依靠懸浮系統實時調節，導向間隙依靠導向系統實時調節。當運行速度由430 km/h提升至600 km/h，氣動性能、車軌耦合、系統耦合等條件發生了變化，對長定子直線同步電機高速運行的牽引能力、動態運行系統協同及高精度同步控制提出了更高的要求。

600 km/h速度級高速磁浮交通系統項目借鑒高鐵“仿真分析—臺架試驗—線路試驗”循環迭代優化的成熟研發經驗，通過搭建系統集成、車輛、牽引供電、運行控制通信及線路軌道的地面試驗臺和調試試驗線來進行部件及系統線路研發與驗證，再修正仿真邊界及算法優化設計。雖然該驗證方法驗證了長定子直線同步電機具有600 km/h運行的能力，但由于缺少實際線路的高速運行，并不能充分驗證作為牽引核心的現有長定子直線同步電機設計方案的有效性和高效性。為了保證600 km/h高速磁浮驅動系統的達速穩定高效運行，還需解決以下問題與挑戰。

1）優化長定子直線同步電機結構

現有600 km/h車輛仍然采用TR08的長定子直線同步電機設計方案，通過提升變流器容量、運行頻率并提高輸出變壓器變比來提升電機端電壓的技術手段，將運行速度由500 km/h提升至600 km/h，但是長定子直線同步電機的損耗與熱負荷都增加，此時系統性能、效率、經濟性均發生了變化，需要根據600 km/h的運行速度對電機進行結構優化，得到最優方案。與此同時，隨著電力電子技術的發展與絕緣技術的發展，制約長定子直線同步電機結構設計的電壓與頻率范圍都得到了提升，從而可以突破現有拓撲結構的約束，嘗試新型長定子結構的研究，得到更高效的新型長定子結構方案。經過結構優化與創新，將獲得優化的長定子直線同步電機方案，能夠提高線路的經濟性與運行效率。

2）精確計算長定子直線同步電機復雜變工況高速運行動態性能

600 km/h速度級高速磁浮交通系統的車軌耦合作用增強，對于長定子直線同步電機來說，高速運行時車輛受到的不均勻分布的升力及波動會引起懸浮高度動態變化，也會導致懸浮磁場減弱及不均勻分布；高速運行時車輛的橫向晃動增大，從而也增大了導向氣隙的變化，減小了電機的牽引力與懸浮力，并給導向系統產生了附加的導向力；600 km/h運行時，檢測與控制信號的延時影響增大，使得牽引力下降，需要計算延時影響并提出補償策略；同時，線路過軌縫等特殊情況影響也變得明顯。以上這些都會降低600 km/h運行時電機的運行性能。為了保證高速運行的可靠性與舒適性，需要精確計算高速運行復雜變工況下電機的性能，為直線電機與牽引控制系統優化設計提供理論支持。

3）研究復雜應用環境適應性設計的關鍵問題

600 km/h速度級高速磁浮交通系統比較適用于大通量長大干線，例如京滬、京杭等線路。高速與長大干線帶來了很多新的問題，這些是目前運行情況單一、線路短的上海磁浮線中沒有遇到的。長線路運行時環境變化大，會使得電機運行性能發生變化，例如溫度變化導致的熱脹冷縮，此時長定子固定在軌道上定子極距基本保持不變，但是動子懸浮磁鐵極距則會隨著車廂的熱脹冷縮而變化，使得定子極距與動子極距發生偏差，導致牽引力下降，在長編組條件下情況會更嚴重，因此直線電機設計時需要考慮這些工況下的影響；在低速區域與高速區域電機要求的輸入電壓不同，提高系統效率需要優化的分區長度，同時長大干線運行線路將是多車運行，需要提出合理的運營規劃與設計原則。因此，需要研究線路適應性設計的關鍵問題，針對線路實際情況提出優化結構，提高線路設計的適應性，同時為分區優化與運營規劃提供參考，提升長定子直線同步電機的線路運行效率與經濟性。

四、600 km/h速度級高速磁浮交通系統驅動技術發展建議

600 km/h速度級高速磁浮交通系統技術的發展，給中長距離城市間的大運量交通帶來了希望，未來發展前景廣闊。驅動系統的長定子直線同步電機是高速磁浮交通系統的關鍵部件。隨著材料技術、控制技術、設計技術和計算能力的提升，長定子直線同步電機相關的基礎理論和關鍵技術都亟待深化研究和提升。600 km/h速度適用性研究、高速運行多源擾動多維電機模型、復雜應用環境適應性設計理論等科學問題和關鍵技術，是目前長定子直線同步電機驅動領域研究的熱點和難點。

4.1 適配600 km/h速度級高速磁浮交通系統長定子直線同步電機鐵芯與繞組新結構

自TR06后，高速磁浮交通系統長定子直線同步電機的拓撲結構一直保持不變，設計受限于當時的材料技術、控制技術與電力電子技術。雖然通過牽引變流系統的改造與升級，可以將設計速度提升至600 km/h，但運行效率、線路經濟性等都受到了限制，長編組車輛長大干線應用時也存在定動子極距失配導致的牽引力下降風險。經過這些年的發展，電機的設計技術、材料技術、驅動技術、電力電子技術與絕緣技術都得到大幅度提升，因此長定子直線同步電機結構設計的約束變少，拓撲結構選擇的自由度更大。突破現有拓撲結構的約束，嘗試新型長定子結構的研究，包括新型的鐵芯結構與繞組結構，得到適配600 km/h速度級高速磁浮交通系統的新型長定子結構方案，從而提高線路運行的經濟性，具有重要的理論意義與實用價值。

4.2 直線電機全速域多源擾動服役條件下多維動態建模與分析

600 km/h速度級高速磁浮交通系統屬于強耦合系統，懸浮導向主動控制形成自激振動，受軌道不平順、橋梁撓度變形、錯臺接縫、橫向晃動等外界激擾影響，使得長定子直線同步電機與車輛運行姿態、驅動控制系統、懸浮控制系統及運行溫度等都緊密相關，磁場之間強耦合。為了提高車輛的運行性能，需要加快研究實際服役下電機高速運行多源擾動多維模型，掌握其動態特性。因此，需要考慮車體姿態引起的導向與懸浮氣隙變化、氣動升力導致的懸浮電流變化、檢測與控制信號延時導致的電流角度變化、電機故障與特殊線路路況等多源擾動復雜工況，研究長定子直線同步電機模型參數的時變非線性規律，建立基于場路結合的電機與牽引供電一體全速度域復雜變工況多維模型，仿真分析600 km/h高速運行多源擾動下電機的動態特性，為長定子直線同步電機的魯棒牽引控制提供理論支持。

4.3 600 km/h速度級高速磁浮交通系統長定子直線同步電機全局優化

當磁浮列車運行速度達600 km/h，對于現有拓撲結構的長定子直線同步電機，如果繼續保持定子極距與長定子段長度不變，則長定子段的電壓升高，對電機絕緣提出了更高要求。同時，電流增大則會增加繞組損耗與線路損耗，頻率升高則會導致更多的鐵耗，此時系統性能、效率、經濟性等都受到影響，需要加快現有拓撲結構長定子直線同步電機在600 km/h運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、高可靠運行條件、運行環境等為約束條件，以效率、功率因數、推力密度、成本與懸浮力等為優化目標，采用基于精英策略的粒子群算法等全局優化算法進行多目標多變量優化，優化電機定子極距等關鍵結構參數，得到600 km/h速度級高速磁浮交通系統長定子直線同步電機的優化結構，尤其是最關鍵的結構參數定子極距。同時，基于大量的分析數據，采用支持向量機算法、克里金算法等建立快速非參數優化模型，結合非支配排序遺傳算法進行結構優化，為快速工程設計提供理論支持。經過多目標優化設計，獲得適用于600 km/h速度級高速磁浮交通系統長定子直線同步電機的優化結構，保障系統的高效穩定運行。

600 km/h速度級高速磁浮交通系統適用于長大干線，長線路運行導致應用環境復雜，保障整個線路的可靠運行非常重要，因此需要加快復雜應用環境的適應性研究。需要考慮電機的高頻非正弦激勵、諧波磁場、邊端效應，以及線路的環境溫度與路況、車輛的運行姿態、運營規律、熱脹冷縮等復雜變工況，建立電、磁、熱與力的耦合模型，綜合分析長線路非連續運行條件下的牽引力、損耗與溫升，包括長定子損耗及動子磁極損耗，提出減小損耗的措施及有效的熱管理方法，提出長線路運行效率優化的分區設計方法，掌握長距離運行環境變化引起的定動子極距失配對電機性能的影響，從而建立適應于復雜應用環境長定子直線同步電機的設計理論，保障車輛的可靠經濟運行。

結語：長定子直線同步電機是600 km/h速度級高速磁浮交通系統達速穩定運行的核心部件，其設計和優化對系統效能的提升至關重要。加速開展適配600 km/h速度級高速磁浮交通系統長定子直線同步電機鐵芯與繞組新結構、直線電機全速域多源擾動服役條件下多維動態建模與分析、600 km/h速度級高速磁浮交通系統長定子直線同步電機全局優化等關鍵技術研究，系統建立中國自主可控的600 km/h速度級高速磁浮交通系統長定子直線同步電機分析理論方法與設計優化技術，對于中國高速磁浮交通系統的工程化與規模應用意義重大。