城轨交通的一种新模式_直线电机驱动地铁车辆

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实现径向转向架 由于直线电机驱动方式， 车轮不再传递牵引 , 制动
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电力机车与城轨车辆・ !""# 年第 $ 期
力， 所以轴箱定位结构可以大大简化， 尤其是纵向定位 刚度不再因需传递力而要求设计得很大，因此可以容 易的实现较小的轴箱定位纵、横向刚度，达到柔性定 位。 再加上轴间无传动装置和电机安装， 所以转向架的 轴 距 可 以 做 到 % &"" ’’ 左 右 （ 传统的地铁车辆为 ，这样就很容易实现结构简单的径向 ! %"" ’’ 以上） 转向架， 提高了车辆的曲线通过性能和运行平稳性。 由 于转向架具有径向功能且轴距较小，使地铁运营线路 传统的地铁车辆要 的最小曲线半径可低到 &" ’ 左右（ ， 使线路的选择更容易避开地下建筑物基 !(" ’ 以上） 础和高架地面建筑物， 可减少线路占地和拆迁工作量， 也可大大降低土建工程造价。
德国克劳斯0 一种与“ 黏着” 无关的驱动系统。 )/.) 年， 马菲公司设计制造了第一台采用直线电机驱动方式的
!］ 常导磁悬浮列车样车 ［ 。)/.$ 年， 日本的 %&&’ 超导磁 #］ 悬浮列车也采用了直线电机驱动方式 ［ 。
直线电机可以视为一台旋转电机沿半径方向切开 而展 平 的 感 应 电 机 ， 定子（ 磁铁和线圈） 和转子（ 感应 板） 分别安装在车辆转向架上和轨道中间的导轨上， 与 普通旋转感应式电机的原理一样，只不过其运动方式 ， 仍构成了感应电 由旋转变为直线运动（ 如图 ) 所示） 动机的作用机能。这种驱动方式的最大特点是驱动力 不再受到轮轨黏着的限制， 而取决于该定子0转子系统 的电磁性能， 因而是一种非黏着驱动方式， 能在车辆与 导轨无接触情况下传递牵引 , 制动力。直线电机驱动 同样可以利用 1112 变流器控制定子磁场的变化， 以 产生相应的牵引 , 制动力，达到驱动列车加速和减速 的目的。为保证一定的牵引 , 制动力， 直线电机定子和 转子间气隙必须要控制在一定的范围内。
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低效率、 低功率因数的缺点 地铁车辆上工程应用的直线电机，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，不可避免地会造成相互间隙变 化，因此气隙设计得不能太小，否则会导致不安全因 素， 一般定在 %! ’’ 左 右 （ 比德国磁悬浮列车的直线 电机气隙 & ’’ 要高一些） 。再加上直线电机是有端部 的（ 旋转电机是闭环） ， 因此漏磁场较大， 机电能量转化 率低， 所以直线电机的效率较低， 一般在 ")+.")& 之间，
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# 直线电机驱动地铁车辆的特点
由于是非黏着的驱动，所以直线电机地铁车辆具 有如下特点： 直线电机驱动有两种方式，一种是定子绕组安装 在车辆上， 长转子安装在轨道中间的导轨上， 它的优点 是包括转子在内的轨道结构简单， 运营成本低； 另一种 是长定子绕组安装在地面上， 转子安装在车辆上， 它的 优点是不需要给车辆受流， 适合高速运行， 但包含定子 的轨道结构太复杂，不适应于低速、低成本的运营需 要。 直线电机驱动方式是科技界、工业界一直追求的 一种典型的非黏着驱动技术模式。传统旋转电机驱动 方式是由旋转电机产生动力，通过相应的机械传动装 置（ 齿轮和传动连杆） 传到轮轴上， 再通过轮轨间蠕滑 推动或 制 动 车 辆 （ 见 图 !） 。 的作用形成牵引 , 制动力，
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优良的动力性能 由于车辆的运动是依靠直线电机所产生的电磁力
来推进， 而车辆车轮仅起支撑承载作用， 不传递力， 不 再受到轮轨黏着因素的制约。 因此， 车辆可以获得很强 的起动、 加速和减速动力性能， 尤其具有突出的爬坡能 传统的地铁 力， 线路最大坡度可以允许在 7"8 以 上 （ 车辆最大允许 #"8 ） ，并能在恶劣的环境和轨面条件 下保持良好的性能。这就可对地铁线路的纵断面进行 合理的选择， 减小隧道与高架的过渡段长度， 有利于减 小地面占地和拆迁， 从而降低地铁的土建工程造价。
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刘友梅 等・城轨交通的一种新模式——直线电机驱动地铁车辆・ !""# 年第 $ 期
速地 面 运 输 系 统 （ ， 德国开发的称为超高速系 %&&’ ） 统。传统的轮轨高速列车由于高速轻量化和高速气动 力学等影响导致轮重减载，以及高速下轮轨间污垢出 现流体性， 使高速轮轨黏着的发挥受到很大的影响， 轮 轨黏着限制成为制约轮轨高速列车速度进一步提高的 主要瓶颈。 例如， 欧洲轮轨高速列车黏着系数的利用极 限值： 启动时取 "(!； )"" *+ , - 时取 "().； !"" *+ , - 时
适应不同的客运量需要。 按*辆 以以 !.* 辆灵活编组， 编组， 每小时 $" 对列车密度计算， 最大单向输送能力
$］ 可达 $ 万人 - /［ 。
由于直线电机驱动地铁车辆仍采用钢车轮和钢轨 来支撑和引导车辆运行，所以仍可采用长期运用成熟 的、安全可靠的轨道电路信号系统来实行对列车的信 号传输， 运行监控和集中调度， 运营适应性较好。
(］ 功 率因数也较低， 一般在 ")(."* 之间 ［ 。根据东京都
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横断面结构的小型化 由于直线 电 机 驱 动 方 式 不 需 要 中 间 传 动 装 置 ， 车
辆下部限界不构成对结构的约束，因此可以采用小的 传统地铁车辆为 !&*" ’’） 。再者， 由 车轮 !*%" ’’ （ 于不需要旋转电机的悬挂安装空间，车辆地板面可降 至 距 轨 面 +"" ’’ （ 传 统 的 地 铁 车 辆 为 % %"" ’’ 以 上） 。综合各项小型化措施， 使该型地铁车辆的横断面 这 面积大大减小， 与传统地铁车辆相比大约减少 $", ， 样对地铁隧道横断面的选择极为有利。线路工程断面 小型化后， 可大大降低土建工程的造价， 据测算地下工 高架工程大约可降低 #", 左 程大约可降低 !", 左右， 右 。
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要：文章论述了直线电机驱动方式的原理、 车辆的特点和应用的原则， 为我国城市轨道交通在特定
的线路条件下提供一种新的选择。 关键词：城轨交通； 直线电机； 驱动； 模式 中图分类号： %#&’()； *+&)’(! 文献标识码： , 文章编号： "-.#/""0.（ #$$&） $!/$$$!/$!
收稿日期：#$$&/$./$0
# 直线电机驱动系统原理
直线电机驱动方式最早是日本和德国分别在研发 超导和常导磁悬浮列车时提出的，日本开发的称为高
作者简介：刘友梅（ ， 男 V 中国工程院院士， 教授级高级工程师， 长期主持电力机车设计、 "’&0/ ） "’-" 年毕业于上海交通大学电力机车专业， 制造工作， 原任株洲电力机车厂总工， 现任株洲电力机车厂高速牵引研究所所长。
)］ 。因此， 就需要开发出 取 "()#； #"" *+ , - 时仅取 "("/［
一旦轮轨间的传递力超过轮轨允许的最大黏着力（ 23 ，则会造成轮对空转和 ! 4， ! 为摩擦系数， 4 为轮重） 滑行， 引起轮周力迅速丧失， 此时车辆就不能实现牵引 或制动运行。 所以， 传统的旋转电机驱动是一种受到轮 轨黏着限制的驱动方式。而直线电机驱动方式的力的 传递途径与旋转电机完全不同，它不需要中间的机械 传动装置环节，而是利用直线电机的车载定子与地面 感应板的直接电磁作用 （ 也可视为直线电机自身的作 完全不需借助轮轨相互作用， 用） ， 产生牵引, 制动力， 所以它被称之为非黏着驱动系统，这也正是直线电机 驱动方式的实质所在。直线电机驱动系统一方面不需 要中间传动装置， 可以减少传动损耗（ 一般传动效率取 ， 有利于提高效率和降低噪声； 而另一方面为了 "(/.5） 确保运行安全的需要，直线电机车载定子 （ 磁铁和线 圈） 和地面转子（ 感应板） 的气隙不能取旋转电机那么 小（ 一般为 ! ++ 左右） ， 直线电机气隙常采用 )! ++。 这样就造成了直线电机电效率的低下，其效率一般仅 旋转电机 可 以 达 到 "(/ ） ， 这是直线电机驱 为 "(.6"(7 （ 动的最大不足之处，也就是说直线电机驱动的地铁车 辆的运行能耗要比旋转电机驱动的地铁车辆要高一 些。
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" 城轨交通的多样性
投入 "0.$ 年 英 国 伦 敦 世 界 上 第 一 条 地 铁 （ +4968） 目前全球已有 "#$ 多 运营， 迄今已有 "&$ 多年的历程。 地铁已成 个城市拥有地铁， 总营运里程超过 . $$$ M7， 为城轨交通运载工具的主流模式。此外， 轻轨（ 、 1W*） 有轨电车（ 、 市郊 通 勤 车 （ 、 独轨 *68??4R XBD） N877B946） （ 以及新交 通 系 统 （ 也都获得了不同程 +838652?） ,H*） 度的应用与发展。 它们都是一种通过旋转电机驱动， 依 靠轮轨作用来传递牵引（ 制动） 力的传统的技术模式。 这种技术模式由于其结构简单，技术成熟，承载能力 大， 运行阻力小等优点， 长期以来在技术上得到了不断 的完善和扩展，目前仍然主导着并将继续主导着城轨 交通车辆的发展方向。随着城市化进程的加快和城建 物的密集，地铁也从单一的地下形式发展到地下—地 面—高架相结合的形式，同时还从单一的城区运输发 展到城区—城郊联运，从而使城轨交通出现了如下新 的运行特点： 线路的立体化， 使线路垂断面坡度加大； （ "）
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电力机车与城轨车辆
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城轨交通的一种新模式 ——直线电机驱动地铁车辆
刘友梅， 杨 颖
（ 株洲电力机车厂，湖南 株洲 摘
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营 地 铁 %! 号 线 的 运 营 经 验 ， 其主电路耗电量为 车・ ， 与 最 新 的 旋 转 电 机 2223 驱 动 %)($ 01・ /-（ 0’）
*］ 。另外， 对于 的地铁车辆相比， 电耗要高出 %",.!", ［
直线电机气隙的安装、 运行、 保养、 维护较困难， 如何确 保运行中气隙的精度是直线电机驱动地铁应给予高度 关注的技术难题， 为此所需的工作量和维护成本较高， 也容易引发安全性问题。
城建物的密集， 使线路的水平断面曲线变小； （ #） （ 城市人口的增长， 使运行区间变短， 必须依靠 &） 较高运行速度和较大的加 Y 减速度才能增大运能； 环保的要求更高， 要求车辆的振动和噪声的影 （ !） 响更小； （ 为减少运营成本必须降低土建工程的造价， 要 )） 求地铁车辆重量轻、 体积小， 才能使隧道和高架结构简 单经济。 传统技术模式的地铁车辆是依靠轮轨作用来发挥 由于物理黏着的存在限制了其加 Y 减速 牵引 Y 制动力， 度性能和爬坡能力的提高，还存在全天候运行特性较 差， 运行的机械振动和噪声较大， 车辆结构轻量化和小 型化相对困难等缺点， 不能很好地适应新的运行特点。 因此， 长期以来科技界、 工业界一直在追求研发一种新 的技术模式。