直线电机在城市轨道交通中的应用

摘要：本文介绍了直线电机驱动车辆的特点，在此基础上，阐述了直线电机运载系统在我国城市轨道交通的应用前景。

关键词：城轨交通；直线电机；磁悬浮列车；前景

引言

1863年世界上第一条城市轨道交通在伦敦投入运营，如今，城市轨道交通从单一的地下形式，逐步发展成地下、地面、高架和三者联运的形式，但所采用的运载驱动系统一直以来都是采用传统铁路车辆的运载驱动方式，即依靠钢轮与钢轨的驱动的粘着驱动方式，而这种运载驱动方式存在如下问题：

(1)由于驱动装置存在机械接触，运行及维护费用较高；

(2)城市建筑物的密集，给城市轨道交通的选线带来较大困难。

长期以来，为了克服传统的钢轮与钢轨的粘着驱动方式存在的缺点，科技界和工业界一直在追求研发一种可以降低工程造价，且运行及维护费用少、性价比高的城市轨道交通系统。

1、直线电机运载系统的特点

由直线电机驱动的轨道交通系统属于非粘着驱动系统，适合于单向高锋小时客流量不超过3万需求的快速线路，在技术、运营，经济方面具有很高的先进性，但是也具有一定缺点。

1.1　优良的动力性能

车辆的运动采用直线电机所产生的电磁力驱动，车轮仅起到支撑作用，不传递动力，列车的牵引力不再受粘着条件的影响。所以，列车可以获得很强的爬坡能、启动、加减速和制动性能，其线路的坡度最大可以达到100％。目前正线上可以实现的为80‰。

1.2　车辆横断面结构小，工程造价低

由于不需要中间的传动结构，车体的下部限界不构成对结构的约束，故可以采用较小直径的车轮；再者高度尺寸很小的直线电机可以安装在车轴以下。紧靠车轴，不需要悬挂旋转电机的悬挂空间，这样可以降低车辆地板的高度，实现车辆断面的小型化。车辆的小型化减小了隧道断面，可以大大降低土建工程造价据推测地下工程造价可降低20％左右，高架工程造价可降低30％左右。

1.3　振动低，噪音小

由于没有齿轮传动机构，就不存在机械之间的啮合振动和噪音；再者主要起驱动作用的支撑轮在制动时不会与钢轨发生蠕滑滚动，从而消除了制动时强烈振动和刺耳噪音。采用直线电机驱动的城市轨道交通系统的噪声在正常的运行情况下车内噪声比由旋转电机驱动的低约5dB多。

1.4　运行故障率低，维护费用低

由于车辆采用直线电机非粘着式牵引，轮轨磨耗相对旋转电机驱动的城市轨道系统大大减少，再加上取消了旋转电机驱动所必须的滚动轴承、传动齿轮，显著降低了列车的运行故障率和维修费用。

1.5　低效率，低功率因数的缺点

由于直线电机具有较大的气隙，一般是旋转感应电动机气隙的10倍；另外直线电机具有端部。漏磁场较大，机电能量转化率低.所以直线电机的效率较低，一般造0.7左右(而旋转电机的在0.9以上)，功率因数也较低，一般在0.5左右。因此只有在系统集成上采用多项综合技术，充分发挥直线电机运载系统的技术特点，才能达到节能的目的，弥补效率低的缺点。

1.6　与其他轨道系统的融合困难

直线电机运载系统是一个专用系统，不能与传统的城市地铁交通系统通用。因此，能否科学的规划一个城市的城市轨道交通系统网是制约直线电机驱动系统的关键。

2、城市轨道交通中直线电机的运用

采用直线电机驱动的车辆，电机的电磁力直接作用于线路产生牵引力，不管是轮轨系还是非轮轨系(如磁悬浮列车)，粘着的概念都不复存在，因此车辆的爬坡能力强，选线自由度就大，尤其对那些线路复杂的高架线路或需要地下、地面和高架进行过渡的线路。

2.1　直线电机在轮轨式车辆中的应用

直线电机运载系统作为一项较为成熟的技术，自第一代由直线电机驱动的轮轨车辆于1985年由加拿大UTDC公司开发并在多伦多投入运行，至今在国外多个城市已有20多年的安全可靠运载经验，技术日趋成熟。可以说，在国外是至今技术最成熟，最安全可靠的非黏着驱动方式的城市交通运载系统。表1总结了国外已有的直线电机驱动的城市轨道交通系统的主要技术指标。

在国内由直线电机驱动的轮轨交通系统也有较为成功的案例。广州四号线是国内最早采用直线电机驱动的城市轨道交通系统，全长67km，从北端的罗岗新区到达南端的工业中心南沙，途径珠江三角洲的纵横河道，全线7过江河，工程地址十分复杂，而南部有一段高近30km高架桥，这一独特的地形条件，正适合直线电机车辆发挥所长。广州4号线运行至今已有4年多的时间，运行状况一直可靠、平稳，故障较小。另外广州的5号线也采用直线电机驱动的模式，正在规划中的广州6，7号线也准备选用直线电机运载驱动系统。采用直线电机驱动的北京首都机场线也在北京奥运会之前投入使用，并取得良好的运行效果。

2.2　直线电机在磁浮车辆中的应用

磁浮列车与传统的轮轨列车不同。是一种新型的非接触式交通工具，依靠电磁力将列车浮起，实现与地面轨道无机械接触，再用直线电机牵引驱动。

自1969年，德国的克劳斯一马菲公司制造出电磁悬浮模型车TR01，至今已有近40年的历史。目前有两条磁浮线投入运营：上海浦东磁浮示范线和日本名古屋丘陵线。

2000年12月，上海市与德国磁浮国际公司合作进行了高速磁浮列车示范运营线可行性研究并决定建设上海高速磁浮交通示范线，悬浮车辆采用德国的TR-08系列。西起上海地铁2号线的龙阳站，东至浦东国际机场，正线长约30km，上下行折返运行，全线设2个车站、2个牵引变电站、1个运行控制中心(设在龙阳路车站内部)和1个维修中心，设计最高速度505km/h，最高运营速度430 km/h，单向行驶时间为8分钟。2002年12月31日上海磁浮列车示范运营线建成通车，至今已稳定运行6年多时间。

2002年，日本开始建造用于商业运营的TKL线，全长9.2km，最大坡度60％，除1.4km为隧道外，其余均为高架线路。共设9个车站和一个车辆段。列车采用3辆编组运行。速度为100km/h，单程运行约需15分钟。2005年3月，以HSST-100L为基础的Linimo列车在该系统正式投入商业运行，最高运行速度为100km/h。

3、应用前景

在全国34个人口超过百万的城市中，国务院已批准和将批准的城市轨道交通规划共涉及23个城市，在建和拟建的轨道交通线路达到5,676km。另外随着经济的发展，大中城市群中城市之间的快捷交通也给城市轨道交通带来机遇。

我国幅员广阔，地质条件复杂，特别是中西部许多城市建造在山地或丘陵地带，例如昆明，贵阳等；有些城市的市区被大江大河所分割，例如兰州、武汉、长沙等；还有些城市地貌结构复杂，海拔高差较大，例如重庆等。若在上述的城市中建造城市轨道交通系统都会遇到大坡度，小半径的线路问题，而直线电机驱动的轨道交通系统正满足以上特点。

东部的大部分省会城市或较发达的城市为了缓解城市交通压力.大力发展城市轨道交通，例如北京，上海，深圳，广州等，但在大城市的郊区线，机场线，观光线一般不满足高峰小时单向客流不超过3万人的要求，这也给直线电机驱动的轨道交通系统提供了足够的发展平台。