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磁悬浮列车具有运行速度高、爬坡能力强、转弯半径小、环保性能好、线路适应性强、安全可靠等诸多优点，可有效弥补高铁和航空之间的速度空白，助推我国立体交通网络的构建。磁悬浮成为新时代轨道交通创新发展的技术方向。电动式磁悬浮（electrodynamic suspension）具有气隙大、稳定性强、能耗低、控制简单等优点，同时随着列车运行速度的提高，其运行稳定性更好。因此，电动式磁悬浮是高速磁悬浮系统和低真空管道列车的重要发展方向。
现阶段研究的电动式磁悬浮方案主要有超导电动悬浮和永磁电动悬浮。超导电动悬浮技术使用两套电磁系统，实现其在三维空间的电磁约束。该电动悬浮方案存在工程造价高、悬浮和导向性能差、抬升速度高及后期维护量大等技术缺陷，阻碍了其在高速磁悬浮系统的应用和发展。
永磁电动悬浮技术轨道采用金属感应板，系统可靠性更高、制造和运营成本更低。根据主磁通磁路的不同，永磁电动悬浮技术可分为直线型、径向磁通型和轴向磁通型。直线型永磁电动悬浮存在运行阻力大、浮阻比小等问题；径向磁通型永磁电动悬浮的磁体有效利用率和有效载荷都较低，且悬浮力与推力无法独立解耦控制；轴向磁通型永磁电动悬浮需要在“不均匀”气隙工况下才可以产生推进和导向力，造成系统推进、导向困难。
而且永磁电动悬浮系统内部只存在单一永磁励磁源，气隙磁场调节困难，从而限制了其运行调速范围、高效区拓展以及故障保护的能力。同时，永磁电动悬浮系统本身是临界稳定的，容易受到外界的干扰而引起振动，且由于自身欠阻尼的特性，受到外界干扰后系统将无法收敛，在实际应用中会产生灾难性的后果，阻碍了永磁电动悬浮技术的推广应用。
北京交通大学电气工程学院、中国煤炭科工集团太原研究院有限公司的秦伟、马育华、吕刚、李媛、张洁龙，在2022年第16期《电工技术学报》上撰文，研究一种适用于低真空管道高速磁悬浮列车的高温超导无铁心直线感应悬浮电机，是一种可以同时提供悬浮力和推进力的一体化电动式磁悬浮系统。该电机初级利用无铁心高温超导线圈能够承载大电流强磁场，次级结构简单、可靠性高、造价低，可应用于低真空管（隧）道高速磁悬浮列车系统中。
图1 无铁心直线感应悬浮电机铜绕组样机
研究人员立足于电机初级拓扑结构的设计，提出一种新型电磁Halbach阵列，并研究了阵列结构参数对电机性能的影响。首先，采用积分法求解电磁Halbach线圈阵列的矢量磁位函数，之后对该函数进行了傅里叶级数转换，使初级无铁心绕组的磁场函数具有连续统一的解析表达式。然后，建立考虑纵向边端效应的无铁心直线感应悬浮电机（Coreless Linear Induction Maglev Motor, CLIMM）的全域解析模型。最后，利用矢量磁位和边界条件对电机的电磁关系进行了分析，得到悬浮力、推进力和效率等关键性能指标的解析表达式。
他们表示，以矢量磁位为求解变量建立的二维解析模型，考虑了高温超导无铁心直线感应悬浮电机的纵向边端效应，具有更高的计算准确性和通用性。二维解析模型计算结果与二维有限元计算结果和实验测试结果的最大误差分别为1.8%和3.46%，证明了所提计算方法的有效性。另外，在解析计算的基础上，他们研究了不同参数对电机性能的影响，得出了无铁心直线感应悬浮电机的可行设计参数，即电机的额定工作转差率应为0.6左右，次级导体板厚度为9mm，为运动磁场电磁Halbach阵列在高温超导中的应用提供了理论基础。
研究人员指出，相对于现有的磁悬浮方案，该方案具有如下特点：
（1）该电机可同时产生悬浮与推进力，且轨道只含有非磁性金属导体板（铜或铝），结构简单、可靠高且成本较低，适合长行程应用下全行程范围内铺设。
（2）初级绕组采用无铁心的空芯线圈，不存在铁心磁饱和问题，可通过提高励磁电流获得适用于超高速管道高铁所需的动力，提高了磁悬浮系统的“浮重比”和运载能力。
本文编自2022年第16期《电工技术学报》，论文标题为“一种可用于低真空管道的高温超导无铁心直线感应磁悬浮电机”。本课题得到中央高校基本科研业务费资助项目的支持。
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