项目简介：

传统城市轨道交通车辆是依靠轮轨来牵引和制动，由于物理黏着的存在限制了其加减速度性能和爬坡能力的提高；此外它还存在全天候运行特性较差，机械振动和噪声较大，车辆轻量化和小型化相对困难等缺点。直线感应电机运载系统是采用直线感应电机驱动的新型城市轨道交通模式，系统用轮轨完成其支撑和导向，依靠直线感应电机所产生的电磁力来推进。因此这种系统不再受到轮轨黏着因素的制约，牵引-制动性能发挥不依赖于环境，取消了旋转电机驱动所必须的滚动轴承、传动齿轮。车辆具有很强的加、减速性能、曲线通过性能和爬坡能力，运行平稳性高，更容易实现小编组，高密度，自动驾驶的运行模式，运营适应性较好。目前全世界已有5个国家共10条直线感应电机驱动地铁线路投入商业运营，直线感应电机运载系统正在逐渐成为城市轨道交通的首选模式。

直线感应电机运载系统由于车载定子与地面转子是处在一个相对直线运动的弹性（轴箱垂向弹性定位）系统间，不可避免地会造成初级铁芯底部平面和次级导体板上表面之间间隙（气隙）的变化，因此气隙设计不能太小。再加上直线感应电机的端部效应，漏磁场较大，效率和功率因数较低就成为了直线电机系统的最大问题。

近来铋（Bi）和钇（Y）系高温超导导线的工业化生产水平有明显提高，用高温超导导线替代铜导线已成为可能。美国已经完成了36.5MW的高温超导同步电机的研制，电机的转子用Bi系高温超导导线绕制而成；日本超导磁悬浮试验列车用Bi系导线制成的高温超导磁体代替低温超导磁体的工作也取得了成功。由于超导材料的载流能力比铜导线高百倍以上，超导电机的有效磁场可以设计的很高，非常适合于轨道交通驱动用直线电动机需要大气隙的工作特点，甚至初级线圈可以采用空心结构，电机的损耗和噪声都可以下降，体积和重量的可大幅度降低。

该产品技术创新点如下：

1、将高温超导磁体作为高温超导电机的电枢绕组、运行在交流情况下，研究并解决高温超导磁体的制造、连接、安装、保护等一系列基础问题；

2、利用高温超导材料大电流密度的特点，采用无铁芯超导电机电机的设计，降低电机的交流损耗；

3、减小直线电机的气隙对提高电机的牵引力很重要，设计出高强度薄壁杜瓦技术；

4、设计研制超导电机的失超保护系统。

和同类产品比较，本产品具有如下优势：

1、在结构上，本发明提出高温超导直线电机内部超导绕组采用饼式结构，绕组采取层状排列，避开了高温超导体较差的机械性能对磁体绕制的约束，最大限度发挥其优越的电磁特性；

2、由于电磁驱动为非接触式电磁力驱动，而且采用了高温超导电磁系统，高温超导电磁铁本身由于绕组选择高温超导材料，绕组电阻趋近于零，所以高温超导绕组本身电能损耗极小；

3、由于绕组选择超导材料，所以绕组中可以通以非常大的电流，因此产生的磁场强度也非常的大，这样，就可以产生非常大的涡流驱动电磁力。绕组采取层状密排列，可以有效提高磁通密度，提高直线电机的驱动力；

4、相对于常规电磁体，产生同样强度的磁场，高温超导绕组体积小、重量轻，损耗电能也小，可靠性和寿命大为提高，可以广泛应用在轨道动车（如：列车、地铁、城铁、有轨电车等）的涡流驱动技术中。

本产品能够解决的关键技术：

1、高温超导直线电机优化设计方法研究：直线电机的结构及参数不对称，在研究电机各参数及优化设计时计算模型复杂，如果仍然沿用常规电机的分析方法，研究过程中需要引入多种简化和假设，有必要结合直线电机自身的结构特点，对直线电机的设计和优化方法展开进一步深入的研究，提高直线电机驱动系统的整体性能参数；

2、高性能、高绝缘强度高温超导磁体制造技术：高温超导直线电机中，高温超导磁体工作在交流条件下，如何提高高温超导磁体在交流下的载流能力及绝缘强度，将是决定高温超导直线电机性能参数的一个重要影响因素；

3、高温超导磁体在高温超导电机初级铁心中的安装、固定、保护技术，高温超导磁体的稳定性研究：高温超导磁体受材料特性的限制，多绕制成饼式线圈，在高温超导初级铁心中的排布、连接、固定等技术是研究的重点和难点；

4、高强度薄壁杜瓦技术：轨道驱动用直线电机的一个特点就是气隙较大，这也是导致其工作性能不理想的一个重要因素，高温超导材料具有比常规金属材料高得多的载流能力，可以产生很强的工作磁场，有助于消除大气隙的影响。但是从高温超导直线电机的角度看，研制高强度薄壁杜瓦对于减小电机的气隙、提高高温超导直线电机整体的性能和降低高温超导材料的用量、降低高温超导直线电机的制造成本也具有重要的意义；

5、低压大电流变流器：由于高温超导直线电机的电流比同等功率的普通直线电机要大很多，因此对控制电机所采用的变流器提出了低压大电流的要求，对于这种变流器的主电路结构设计、布局布线设计以及电磁兼容设计等等是研究的难点问题。此外由于工作电流较大对功率开关器件的保护电路也提出了更高的要求，因此功率开关器件的驱动及保护电路设计也是需要重点研究的内容；

6、高温超导直线电机驱动系统控制技术：考虑直线电机边端效应及垂向力特性的控制、气隙参数扰动对电机控制的影响和高性能的控制方式在直线电机中的应用。

应用范围：

从20世纪80年代中期加拿大多伦多Scarborough线和温哥华Skytrain线的建成通车开始，其后20多年中，直线感应电机运载系统在国外得到了良好的发展，目前全世界已有加拿大、马来西亚、美国、日本、中国等5个国家共10条直线感应电机驱动地铁线路投入商业运营，线路总长度超过230公里，直线感应电机运载系统正在逐渐成为城市轨道交通的首选模式。

国内城市轨道交通筹建工作始于20世纪50年代的北京，第一条线于60年代动工，70年代投入使用。目前，北京、上海、广州、重庆、青岛等20多个城市正在积极筹建形式不同的轨道交通系统。据国资委资料显示，“十五”计划期间，中国城市交通投资达8000亿元人民币，其中至少有2000亿元用于地铁建设。大多数线路的选择仍采用传统的成熟的轮轨粘着驱动方式，广州地铁4号线是国内第一条采用直线感应电机驱动的地铁线路，广州地铁5、6号线和首都机场线也拟定采用此种驱动方式，这些成为国内直线感应电机运载系统的研究、发展和应用的开端。其中首都机场线从2000年开始论证，到2003年最终确定采用直线电机驱动系统，其依据主要有：技术先进，安全可靠；造价较低，直线电机系统较轮轨系统造价可以降低20%；养护简单；符合环保要求，直线电机驱动系统比常规轮轨技术的噪声低8～10dB，最大噪声也仅有73dB；使用灵活，便于推广，由于直线电机驱动系统仍然采用轮轨支撑，在列车发生故障时，可以很简单的采用其它内燃或者电力机车救援。

中国城市轨道交通发展迅速，到2005年底，全国已开通城市轨道交通的城北京：目前投入运营的地铁线路总长113公里。根据规划，到2050年，北京地铁总里程将突破1000公里。上海：到2010年初步建成地铁300公里，并与地面200公里的轨道交通相连，构成500公里的城市轨道交通网络。广州：根据轨道交通总体建设规划和分阶段实施方案，广州2005年-2010年建设地铁线路长度为127.6公里。广州地铁现有1号线、2号线、3号线及4号线在运营中，总长59.52公里。从2004年开始，广州地铁每年将平均开通35公里，预计2010年开通运营总长为200公里，广州地铁的远期规划长度是600公里。市有北京、上海、广州等10城市20条线，运营线路总长444公里。其中，北京、上海、广州三城市近几年每年新增的线路长度都达到了30到50公里。

预期效果：

从国内外的发展情况来看，把轮轨驱动改为直线驱动可以节省建设成本的20%左右，改为超导直线电机驱动，可以进一步节省能耗。根据已经开通地铁交通的6个城市，10条线，线路总长318公里计算，地铁每公里的平均造价在5亿元左右，考虑未来地铁及轻轨的发展规模，该项研究具有十分显著的经济效益。

直线电机轨道交通的核心技术都集中在国外几家大公司手中，主要有加拿大的庞巴迪、日本的川崎、日立等三家公司，广州地铁4号线中直线电机就是采用了日本川崎公司的技术，国内在这一领域取得的成果还很少。国内Bi系高温超导材料已经可以产业化生产，产品性能也在日益提高，在国家的支持下，近几年已经开展了多项高温超导强电应用项目研究。此时，将高温超导技术与直线电机技术相结合，对轨道交通用高温超导直线电机应用中的关键技术展开研究，有望在这一领域取得一批具有自主知识产权的研究成果，具有重要的理论意义和经济价值，同时，本课题对轨道交通直线驱动技术的研究，其研究成果还可以直接应用于未来的磁悬浮列车技术中。

该产品研制样机所需要的设备、资金、场地、人员等费用400万。

联系方式：北京交通大学长三角研究院   科技发展部 0511-85580926、0511-85580921