直线电机车辆技术选型分析

技术装备18MODERN U RBAN TRANSIT 3/2006现代城市轨道交通目前，世界上只有加拿大和日本拥有直线电机车辆的核心技术和相关运营经验。

整体上看，加拿大车辆注重技术的先进性和良好的景观效应，而日本车辆性能指标一般，更板进行分析。

１．１直线电机车辆的主要技术特点目前，加拿大庞巴迪共推出过ＭＫⅠ和ＭＫⅡ两种车型的直线电机车辆。

ＭＫⅡ车型在１９９８年在吉隆坡ＰＵＴＲＡ的首次应用以来，各项技术不断完善，已成为庞巴迪直线电机车辆的主流产品。

日本各公司曾先后开发过１２ｍ、１６ｍ和２０ｍ三种车型，但仅有１６ｍ车型投入商业运营。

表１为国内外９种直线电机车辆的主要技术参数。

从表１可知如下几个特点。

（１）车辆容量不断增大。

最初李志远文龙贤王毅摘要：通过对比的方式，对国外的直线电机车辆技术特点进行分析，结合国内广州地铁４号、５号线的应用，提出一些关于我国直线电机车辆技术选型的建议。

关键词：轨道交通；直线电机车辆；直线电机；反应板李志远：北京交通大学电气学院，硕士研究生，北京１０００４４表１　直线电机车辆的主要技术参数追求经济实用。

国内广州地铁４、５号线是加拿大和日本２种车辆技术的组合。

１国内外车辆的技术分析转向架、直线电机和反应板是直线电机轨道交通的３项核心技术。

加之ＶＶＶＦ、制动和列车控制等主要设备，构成了一套完整的直线电机车辆系统。

下面对车辆的主要技术特点、直线牵引电机和反应直线电机车辆技术选型分析技术装备19现代城市轨道交通3/2006MODERN U RBAN TRANSIT表２４种直线牵引电机的主要技术参数图２ ＭＫⅡ车辆使用的直线牵引电机直线电机车辆技术选型分析李志远等图１国外车辆重量比较庞巴迪车辆日本车辆大阪７号线东京１２号线神户海岸线福冈３号线温哥华ＭＫＩ吉隆坡ＭＫＩＩ温哥华ＭＫＩＩ肯尼迪机场ＭＫＩＩ人均车重／ｔ．人－１０．３０．２５０．２０．１５０．１０．０５０直线电机车辆被定位在中小运量的等级，一般每辆车１２０～１５０人。

ＭＫⅡ车型载客量提高到每辆车１７０～２２０人。

广州４号、５号线的每辆车载客量可达２４２人，已经达到大中型客运量。

（２）全动车配置。

传统城轨的每辆动车可同时配备４台旋转电机，每台电机容量可达２００～３００ｋＷ；而每辆直线电机车辆最多只能安装２台直线电机，每台电机容量为１００～２００ｋＷ，单车的牵引容量明显低于传统城轨车辆。

因而为了满足大坡道时所需的牵引力，目前的直线电机车辆均采用全动车配置。

（３）车辆的供电方式不同。

庞巴迪最初生产的车辆采用双轨道供电方式，供电系统复杂，后来逐渐采用传统ＤＣ７５０Ｖ第三轨供电。

日本车辆则一直延续着ＤＣ１５００Ｖ上部柔性接触供电的特点。

第三轨供电可以减小隧道截面，降低工程造价，并具有良好的景观效应等优点；ＤＣ１５００Ｖ电压等级则可以减少牵引变电所的数量，降低工程成本。

综合考虑二者优点，广州４号、５号线车辆在国际上首次采用ＤＣ１５００Ｖ钢铝复合第三轨供电（车辆段采用上部受电弓受电）。

（４）车辆相对重量减轻。

从数据上看，车辆的自重是增加的，但车辆载客量也是增加的。

因此引入人均车重，人均车重＝车辆自重／定员数。

由图１可知，日本直线电机车辆的人均车重保持在０．２５ｔ／人左右；庞巴迪车辆的人均车重０．１～０．１５ｔ／人，而且ＭＫⅡ车型在控制车重方面优势明显。

１．２直线牵引电机直线牵引电机（ＬＩＭ）的技术选型应满足机械、电气、热力学和环境等多方面的要求。

表２列出了３种车辆上使用的直线牵引电机的主要技术参数。

严格地说，图３　日本车辆使用的直线牵引电机这里所指的直线牵引电机只是直线感应电动机的初级。

正常工况时强迫冷却和自然冷却均能满足温控要求；超载条件下，采用自然冷却的电机达到温度上限的时间较长，电机过载余量较大，因而采用自然冷却优势较大。

但自然冷却方式的应用受到直线电机重量和功率的限制。

国外厂商研究认为，自然冷却的电机达到小时制１５０ｋＷ已经到限，如要再增加功率必须采用强迫风冷，否则其重量将急剧上升。

从庞巴迪和日本的直线电机实际运行情况来看，采用强迫冷却的表２中，庞巴迪和日本所生产的直线电机最大的不同在于冷却方式，前者采用强迫冷却，后者采用自然冷却。

图４　给出了这两种冷却方式下电机的温升特点。

相同电机功率下，技术装备20MODERN U RBAN TRANSIT 3/2006现代城市轨道交通优点是电机体积小、重量轻；缺点是增加了冷却风机等设备，使维护量增大，另外对风机电源的可靠性要求很高。

而采用自然冷却的优点是故障率低、维护量小；缺点就是自然冷却过于依赖散热面积，造成电机的体积和重量很大，这也是日本直线电机车辆重量偏大的原因之一。

表２中直线牵引电机的一个共同点是垂直力大于直线推力。

垂直力是由初级和次级之间的电磁作用而形成吸合力，是直线电机的固有特性。

垂直力自身不消耗功率，但垂直力将转向架吸向反应板，造成车辆轴重和阻力变大。

因此对于垂直力，一方面要尽量减小，另一方面在满足安全要求的情况下，利用垂直力减小车辆的自重。

直线电机还存在边端效应。

由于初级的铁芯及安置在槽中的绕组在两端不连续，所以各相的互感不相等，造成三相阻抗不对称。

即使在三相对称电压下运行，三相电流也不对称。

利用对称分量法将它们分解为正序、负序和零序电流，对应三种电流有三类磁场，即正序正向行波磁场、负序反向行波磁场和零序脉振磁场，而后两类磁场在次级运不同，体现在反应板的材料、安装方式、机械强度、抗疲劳度和热荷载等方面。

例如，在安装方式上，前者采用可调节的螺栓进行固定，其调节相对方便；而后者采用类似钢轨扣件的方式进行固定，其调节量相对有限。

２对我国直线电机车辆技术选型的建议通过以上分析，对我国直线电机车辆技术选型提出以下几点建议。

（１）定员。

在１７０～２４０人之间，不易追求过大载客量，这样反而会失去直线电机车辆自身轻、小、灵的特点。

（２）列车编组数。

建议取２～５辆，全动车。

（３）供电方式。

建议采用第三轨，ＤＣ１５００Ｖ。

在环境允许下，也称气隙为１０ｍｍ。

日本车辆的反应板（图６）采用铝、铜和铁３种材料，宽３６０ｍｍ，线路的标称气隙为１２ｍｍ。

直线电机初级与次级的气隙大小直接决定了直线电机的效率，也决定了系统的能耗。

北京机场线确定采用直线电机轨道系统，相关论证表明，如果直线电机初级和次级之间的气隙维持在９ｍｍ，可使系统的整体效率提高６％。

庞巴迪车辆和日本车辆对反应板的安装接口要求也图５加拿大直线电机使用的反应板图６日本直线电机使用的反应板直线电机车辆技术选型分析李志远等数都很低。

但是由于边界条件不一、测试困难等原因，供货商也很难提供准确的数据。

目前较为公认的是直线牵引电机效率０．７～０．８，功率因数０．５～０．６左右。

１．３反应板反应板是直线电机的次级。

庞巴迪车辆的反应板（图５）采用铝和铁磁材料，宽２６５ｍｍ，与初级的标图４ 两种冷却方式下直线电机的温升特点∆ｔ２温度Ｔ／。

ＣＴ２Ｔ１超载条件（或风量下降）超载条件温度上限强迫冷却自然冷却时间ｔ／ｈ∆ｔ１行过程中将产生阻力和增加附加损耗。

所以，在选型过程中，应充分考虑边端效应所产生的阻力的大小和无补偿电流大小。

由于边端效应和初级与次级间气隙很大，造成直线电机效率和功率因技术装备21现代城市轨道交通3/2006MODERN U RBAN TRANSIT可采用架空线受电。

（４）车辆自重。

在２２～２５ｔ之间，同时保证人均车重控制在较低水平。

（５）直线电机。

额定功率１５０～１８０ｋＷ，推力１８～２０ｋＮ，功率因数０．５～０．６左右，效率０．７～０．８。

此外，还要有良好的散热、轻型化的设计。

（６）反应板。

通常采用与直线牵引电机相配套的反应板，与初级的气隙保持在８～１２ｃｍ。

此外，直线电机车辆的优势并不在于直线电机本身，而是在于其各个子系统之间的相互配合。

如果单纯以旋转电机和直线电机的效率进行比较，后者还不如前者。

因此，只有整合系统，将各个子系统的功效最大化，才能充分发挥直线电机车辆的优势。

３结束语我国城市的直线电机轨道交通正处于起步阶段，我们面临各种新的设计思路和新技术。

在直线电机车辆技术方面，合理地选择适合我国国情、能够满足我们城市需求的车辆技术，不仅有利于车辆的日常运营和维护，也有利于我们对引进技术的消化和吸收，加快直线电机车辆相关技术的自主知识产权进程。

直线电机车辆技术选型分析李志远等参考文献１刘友梅，杨颖． 直线电机驱动地铁车辆． 电力机车和城轨车辆，２００３（４）２周庆瑞，金锋． 新型城市轨道交通． 北京：中国铁道出版社，２００５３张振生． 直线电机城市轨道交通车辆综述． 变流技术与电力牵引，２００４（４）４陈穗九． 直线电机轨道交通系统的选择． 都市快轨交通，２００６（２）收稿日期２００６－０３－１３（上接第１７页）以很容易地计算出来。

４工程设计实例以天津市政设计研究院设计的天津地铁３号线部分车站宽度计算为例，进行检算对照（表２），从表２中可知，两者计算结果，基本吻合。

５新方法主要特点（１）新方法选择参数较少，计算公式简单，使用比较便利。

（２）对于地铁、轻轨设计的前期工作而言，由于客流量为大概，应用此种方法，能够方便、快捷地计算出结果，提高工作效率。

（３）新方法采用的公式具有较强的概括性，适用于地铁、轻轨（全封闭式运营）系统的站台宽度计算。

（４）新方法打破传统思维模式，能起到抛砖引玉的作用。

计算公式还需在生产实践中不断完善和补充，欢迎大家多提宝贵意见。

参考文献１何宗华．　城市轻轨交通工程设计指南．　北京：中国建筑工业出版社，１９９６收稿日期２００６－０４－２７注：①　超高峰系数取值范围为１．１～１．４，各站依据客流资料选取；②　表中计算值按照安装屏蔽门状况考虑，站台长度为１１３ｍ；③　表中带有斜线数据为侧式站台的２个宽度数值。

ABSTRACTSCarrying out Studies on Product Standard System of Urban Rail Transit Wang Zhongwen, Chen Guojie1 In combination with the needs of urban rail transit construction and operation, the paper elaborates the importance of formulating the product standard system and puts forward the guidelines for pre-paring the product standard system and the structure of product stan-dard system framework on the basis of the systematic analyses on the urban rail transit operation, the development trend of technical equipment and the work of domestic and foreign standardization. The product standard system covering rolling stock, power supply, sig-naling and communication have been prepared as examples with the conclusions of studies and suggestions be finally worked out. 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