直線電機車輛技術現狀與應用發展

周建樂 韓志衛 張雄飛 張紅江

(南車青島四方機車車輛股份有限公司技術中心 山東 青島 266111)

1 直線電機車輛概述

直線電機車輛是當今世界先進的城市軌道交通移動裝備，因其采用直線電機牽引技術而得名。直線電機車輛的原理是固定在轉向架的定子(一次線圈)通過交流電流，產生移動磁場，通過相互作用，使固定在道床上的展開轉子(二次線圈、通常稱為感應板)產生磁場，通過磁力(吸引、排斥)，實現軌道車輛的運行和制動。

相對于旋轉電機車輛，直線電機車輛具有以下優勢:

1)直線電機牽引屬于典型的非粘著驅動，不受輪軌之間粘著限制，具有良好的爬坡能力，常規的旋轉電機坡度一般不超過30‰～40‰，而直線電機爬坡可達60‰～80‰，且不易受雨雪天氣的影響。

2)直線電機為扁平設計，車輪只起車體的支撐作用，輪徑較小，車輛的輪廓尺寸可以減小，隧道斷面小，可節省工程投資。

3)方便采用自導或迫導型徑向轉向架，允許車輛通過半徑小的曲線，為軌道線路設計提供了較大的選擇范圍，避免了地面建筑物或地下管線的大量拆除和重建的費用。

4)直線電機牽引無需減速齒輪等裝置，輪緣力和輪軌磨耗等性能指標大大減低。我國地域遼闊，丘陵起伏，大江大河縱貫全國，如建設坡度超過30‰以上的城市軌道交通線路，就特別適合選擇直線電機車輛。

2 國內外直線電機車輛現狀

2.1 國外現狀

目前，直線電機車輛技術在國外已經有30多年的運用經驗，總運用里程超過200 km。直線電機運載系統在國外是技術成熟、安全可靠的軌道交通運載系統。國外直線電機輪軌車輛系統均屬于中小運量，車輛的載客量和尺寸都不大。國外應用情況見表1。

國外直線電機車輛的主要制造廠商有龐巴迪、川崎重工等公司。加拿大是世界上最早采用直線電機車輛技術的國家，其直線電機車輛為龐巴迪公司制造。為滿足線路的靈活性以及高架車站總體規模、客流因素等需要，一般采用小編組、高密度、小運量系統。龐巴迪公司制造的車輛寬2.65 m，車輛適合于小編組的輕軌系統，額定載客量大都在200人/車以下，多倫多采用此類型MKI和JFK MKII直線電機車輛。

表1 國外直線電機運載系統在世界城市軌道交通的應用情況

日本是世界上擁有直線電機車輛線路最多的國家。為便于線路通過，日本一般采用2.5 m寬窄體車，大編組、載客量更小的小型化系統，以降低土建價格。東京大江戶線12-000型車輛和福岡地鐵3號線3000型車輛都是此類型車輛。

2.2 國內現狀

國內早在20世紀80年代就開始研究直線電機驅動方式的運載系統。2005年12月國內第1條城市軌道交通直線電機車輛線路在廣州開通運營，2008、2009年首都國際機場線直線電機車輛線路和廣州地鐵5號線直線電機車輛線路相繼開通運營，2011年廣州地鐵5號線增購具有自主知識產權的國產化直線電機車輛和廣州地鐵6號線直線電機車輛相繼下線。到目前為止，國內運用直線電機車輛的線路總里程近150 km。

國內直線電機車輛生產廠商主要是南車青島四方和長春客車股份。南車青島四方為國內直線電機車輛交付數量最多、品種最全的企業，將為廣州地鐵4～6號線設計制造中大運量的直線電機車輛共696輛，直線電機車輛累計運營超過3000萬km，單車最高運行里程超過85萬km;長春客車股份為首都國際機場線設計制造了中等運量直線電機車輛40輛。國內應用情況見表2。

表2 國內直線電機車輛項目

2.2.1 廣州地鐵直線電機車輛系列產品

廣州地鐵4號線直線電機車輛是世界上第1列中大運量的直線電機車輛，它的開通標志著我國基本掌握了直線電機軌道交通系統的設計和制造技術，填補了國內直線電機車輛技術的空白，有力地推動了直線電機運載系統國產化及產業化的進程，為我國推廣直線電機運載系統起到了良好的示范作用。

圖1～圖3為廣州地鐵直線電機車輛，圖4為首都國際機場線直線電機車輛。

圖3 廣州地鐵5號線直線電機車輛

廣州地鐵正線坡度達到55‰，車場線和輔助線坡度達到60‰，最小平面曲線半徑正線150 m(車場線60 m)。車輛的主要技術參數見表3。

圖4 首都國際機場線直線電機車輛

表3 廣州地鐵直線電機車輛的技術參數

2.2.2 首都國際機場線直線電機車輛

2008年首都國際機場線直線電機車輛投入運營。全線正線線路總長28.1 km，地下線9.3 km，U型槽1.2 km，地面線2.4 km，高架線15.2 km，最小平面正線曲線半徑200 m(車場線70 m)，最大縱坡35‰。首都機場線直線電機車輛的主要參數見表4。

表4 首都機場線車輛參數

3 直線電機車輛技術現狀

影響行車安全的鋁合金車體設計制造、轉向架設計制造及電氣系統集成是直線電機車輛的核心技術。

3.1 鋁合金車體技術

采用鋁合金車體是車輛輕量化的保證。直線電機車輛車體可以按照JIS標準進行鋁合金車體焊接制造，也能按照歐洲EN標準進行鋁合金車體焊接制造。廣州直線電機車輛按照JIS標準進行鋁合金車體焊接制造，采用大型擠壓結構鋁合金型材焊接而成，鼓形斷面。廣州地鐵的鋁合金車體質量平均為5.6 t。

3.1.1 鋁合金材料

車體主體結構采用鋁合金大斷面擠壓型材及板材制造，采用了A7N01S-T5、A6N01S-T5、A5083P- 0和A7N01P-T4等鋁合金材料，材料的機械性能、化學成分都符合JIS標準的要求。

3.1.2 車體結構

車體結構為中空雙面鋁合金型材，滿足作用于鋁合金車體上的機械能量吸收。設計完成后，除對車體進行有限元計算分析外，還進行車輛速度大于15 km/h的碰撞模擬計算。

3.2 直線電機轉向架技術

直線電機車輛采用直線電機驅動，其轉向架結構與旋轉電機驅動的轉向架有很大不同，主要結構特征如下:

●輪對軸箱裝置。不傳遞牽引力，輪徑較小，功能上與傳統地鐵拖車輪對軸箱類似。

●構架。因內側無齒輪箱裝置，可以把構架側梁設置在車輪內側，減小結構尺寸。

●一系懸掛。如直線電機采用構架懸掛，一系懸掛垂向剛度需采用大剛度設計，盡可能降低構架沉浮造成的電機氣隙變化。

●二系懸掛。一般采用空氣彈簧，大多設有搖枕，利于通過小半徑曲線。為保證車輛傾覆安全性，還可設置抗側滾扭桿。

●制動方式。機械制動大多數采用盤形制動。

目前，國內直線電機轉向架有4種:BM3000-LIM型轉向架、SDB-LIM(GZ5)型轉向架、FLEXX Metro 2000型轉向架、MKII型轉向架，其中前3種由南車四方股份提供，重點介紹如下。

3.2.1 BM3000-LIM 型轉向架

廣州4、5號線直線電機車輛采用BM3000-LIM型轉向架，見圖5。

圖5 BM3000LIM型轉向架

其主要特點如下:

●構架采用側梁內置結構，降低自重;

●軸箱、一系懸掛采用內置方式，在適當的定位剛度下，轉向架具有自導向能力，適于通過小半徑曲線;

●直線電機懸掛在軸箱上，消除了一系懸掛系統撓度變化對直線電機與感應板之間氣隙的影響;

●直線電機間隙調整采用無級高度調整裝置;

●采用空心車軸，降低簧下重量;

●采用外置式基礎制動，易于更換閘片，制動盤和閘片散熱性能好;

● 二系懸掛采用空氣彈簧、搖枕結構，同時配以雙重防過沖裝置，最大限度地保證了安全和舒適性。

3.2.2 FLEXX Metro 2000 型轉向架

廣州6號線直線電機車輛采用FLEXX Metro 2000型轉向架，該轉向架以BM3000-LIM為平臺，進行了以下調整:

●采用軸箱安裝徑向型接地裝置，緊湊、輕巧，有效降低振動水平;

●優化直線電機懸掛橡膠節點，采用帶有機械鎖緊裝置的直線電機高度調整裝置，連接可靠;

●采用帶有機械定位方式的心盤結構;

●調整和優化車軸尺寸和車輪硬度，使之更適于廣州地鐵線路和軌道條件;

●調整車結構尺寸，降低輪對質量。

3.2.3 SDB-LIM(GZ5)型轉向架

廣州地鐵5號線增購車輛采用SDB-LIM(GZ5)型轉向架，見圖6。

圖6 SDB-LIM(GZ5)型轉向架

該轉向架主要特點如下:

●模塊化設計，整體結構緊湊，軸重大。

●直線電機吊掛在獨立的軸承支撐箱上，保證運行過程中氣隙的穩定;同時采用獨立二級大剛度彈性懸掛，降低沖擊和振動。

●采用墊片式直線電機高度調整裝置，結構簡單可靠、操作簡便易行。

●采用輪裝盤形基礎制動和緊湊式制動夾鉗。

●二系懸掛采用空氣彈簧、無搖枕結構，降低轉向架自重。

●牽引裝置采用彈性無磨耗Z字形牽引裝置。

●優化車輪硬度，使之適于廣州地鐵線路和軌道條件。

●采用優化的車軸尺寸以及內置式軸承支撐箱，有利于平衡輪對受力、抑制輪對彎曲振動。

●國產化率高，維護保養周期合理，費用低。

3.3 電氣系統

直線電機車輛的電氣系統主要包括牽引系統、輔助電源系統、列車網絡控制管理系統和制動系統。

3.3.1 牽引系統

牽引系統包括牽引控制逆變器和直線電機兩大核心部件。

1)VVVF逆變器

直線電機的速度、牽引力以及電制動力都由VVVF逆變器控制。目前，VVVF逆變器大多采用GTO或者具有自關斷能力的IGBT元件，比如大阪7號線和東京12號線采用GTO開關器件，福岡3號線、廣州4號線和北京機場線采用IGBT器件。在逆變器控制中，牽引/制動以及向前/向后的轉換是通過對滑差頻率以及三相輸出相序的轉換控制來實現的。直線電機車輛通常采用轉差控制或矢量控制方法。日本東京都營12號線和大阪7號線采用轉差頻率控制，方法簡單，轉矩響應時間約幾百 ms。廣州地鐵4～6號線都采用矢量控制方法，這種控制方法動態響應速度快，可對電機電流進行瞬時控制，轉矩響應時間約幾十ms。直線電機車輛的VVVF逆變器與旋轉電機車輛的VVVF逆變器在原理和控制上沒有區別。

廣州地鐵4～6號線的VVVF逆變器由6個開關元件SU～SZ組成，同一時間總是開通其中3個開關元件，輸出三相交流電壓。交流電壓頻率的調節可以通過改變開關周期(t2)來實現，而交流電壓的幅值變化則可以通過調節開通時間(t1)來實現。見圖7、圖8。

圖7 VVVF逆變器的電路結構

2)直線電機

直線電機實際上是一臺被剖開并展平的旋轉感應電機，因此它的定子與轉子在平面內是平行的。為了保證感應板與直線電機之間的氣隙要求，在直線電機上安裝有氣隙傳感器，隨時檢測氣隙大小，并可向列車監控系統提供異常報警。

圖8 VVVF逆變器的控制方式

對于不同的直線電機，其冷卻方式不同。廣州地鐵直線電機車輛采用自然風冷(見圖9)，而首都國際機場線直線電機采用強迫風冷(見圖10)。

3.3.2 輔助電源系統

直線電機車輛的輔助電源系統主要是靜止逆變器SIV，由逆變電路和直流輸出的整流電路組成。目前，車輛的靜止逆變器大多采用IGBT元件，其功能是將直流電壓逆變成三相交流電壓(AC380V)，為空調、空壓機、司機室通風機等提供穩定的三相交流電壓，其直流輸出電路將交流電壓(AC380V)整流成為蓄電池充電，為控制電路、低壓直流電器設備提供電能的DC110V電壓。直線電機車輛的輔助電源系統與普通旋轉電機車輛在控制和原理上沒有實質性區別。

3.3.3 列車控制管理系統

列車控制管理系統采用先進的網絡通信技術，由具有冗余結構的列車總線和車輛總線組成，對有關的關鍵區域提供部分冗余，即在列車總線或車輛總線中的單點故障不會導致列車牽引停止。列車控制管理系統提供了控制和監視車載系統和設備的功能。

3.3.4 制動系統

和普通旋轉電機一樣，直線電機車輛的常用制動優先使用電制動，不足制動力由空氣制動補充;由于直線電機是典型的非黏著驅動方式，因此直線電機車輛的電制動具有不受輪軌黏著系數的影響，制動性能不易受雨雪天氣影響等優點。

廣州地鐵直線電機的制動系統包括常用制動、快速制動和緊急制動。常用制動和快速制動主要是以再生制動為主的非黏著制動，緊急制動采用了優先使用再生制動、不足制動力由空氣制動補充的控制方式，當某個車輛的電制動失效時，該車輛所在單元將自動轉為純空氣制動。為避免全車電制動力失效，還設置了由蘑菇按鈕控制的純空氣緊急制動，給車輛提供最緊急情況下的應急安全保障。

首都國際機場線直線電機車輛的制動系統包括常用制動和緊急制動。常用制動系統與再生制動隨時配合;緊急制動系統分2級:一級是再生制動加磁軌制動，二級是液壓制動加磁軌制動。

4 直線電機車輛對環境的影響

直線電機車輛對環境的影響主要包括列車在運行過程中產生的噪聲、電磁兼容、能耗等，這些問題長期困擾著人們。隨著直線電機車輛的不斷發展和應用，這些問題都已經逐漸得到澄清和解釋。

4.1 減噪措施

無論是旋轉電機還是直線電機車輛，在運行過程中都會產生振動和噪聲。通過對車輛采取不同的結構設計和技術處理，減輕和降低車輛系統所產生的振動和噪聲，完全可以保證優于旋轉電機車輛的噪聲水平。

4.2 降低電磁輻射

直線電機車輛與旋轉電機車輛兩者的電磁兼容性要求可以相同，都可以遵循相同的國際或歐洲電磁兼容設計標準和測試標準。

經過測試，廣州地鐵4、5號線直線電機車輛的電磁兼容性完全符合EN 50121電磁兼容性測試標準的要求。

4.3 降低能耗措施

直線電機車輛的電機與感應板之間的氣隙一般有8～12 mm，與旋轉電機的氣隙1～2 mm相比，直線電機自身的效率比旋轉電機的效率低是不容否認的事實。直線電機的效率一般約為0.6～0.8，功率因數也較低，一般為0.5～0.6。在相同轉差率條件下，旋轉電機車輛傳動系統的效率一般在0.9左右。

根據日本地下鐵道協會(JSA)提供的仿真計算數據，在相同線路條件下的1 km區間內，對相同控制方式、相同載荷和相同運行狀態的兩列車，直線電機牽引能耗/旋轉電機牽引能耗為1.1～1.2。而牽引能耗僅僅是車輛系統中的一部分，其能耗約占車輛總能耗的50%。作為一個完整的軌道交通系統，其能耗包括車站設備能耗和車輛能耗(約各占50%)，故直線電機車輛與旋轉電機車輛的能耗差在理論上僅為2.5% ～5%。

根據2007年廣州地鐵和鐵科院對廣州地鐵旋轉電機B型車和直線電機L型車的牽引能耗測試報告，AW2載荷狀態下，典型運行區間內的能耗測試結果見表5。

表5 典型運行區間內的能耗測試結果

B型車牽引能耗為20.64 W·h/人km，L型車的牽引能耗為21.44 W·h/人km，B型車的牽引能耗比L型車的低3.7%，與日本鐵道協會對地鐵的仿真數據基本吻合。因此，直線電機車輛與旋轉電機車輛在能耗方面相差不大。

表6是對廣州地鐵4號線直線電機車輛進行的實車測試報告。測試在AW2載荷條件下(918人)完成，其中單位公里能耗的計算方法為:單位公里能耗(kW·h/km)=牽引能耗(kW·h)/區間長度(km)。

根據表6，列車在AW2載荷下的最大牽引能耗為10.51 kW·h/km/918 人 =11.45 W·h/人 km。該數據與2007年廣州地鐵和鐵科院對廣州地鐵旋轉電機B型車和直線電機L型車的牽引能耗測試報告中的L型車21.44 W·h/人km有較大差別，其主要原因在于車輛的運行線路和運行方式不同。

表6 對廣州地鐵4號線直線電機車輛實測報告

另外，全面衡量運行耗電量，必須要對其站間的到達時間、運行速度、車輛質量、線路情況、加減速時間、站務耗電(如扶梯、檢票機等)等各種因素綜合考慮。另外，為減小耗電量，還應研討優化感應板結構、減小電機與感應板的氣隙、減輕車輛自重等課題，采取各種措施進行節能優化。

5 結語

綜上所述，直線電機車輛具有鮮明的優勢特點，具有旋轉電機車輛不可替代的優勢，非常適合于我國線網復雜的多層次立體化軌道交通建設，也非常適用于地形復雜、坡度大、轉彎半徑小的地理環境條件。直線電機車輛作為軌道交通車輛的一種選擇，值得進一步深入研究和推廣應用。

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