永磁直驅現代有軌電車

李克雷，劉玉文，鄧小軍，吳永深，牟曉莎

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

永磁直驅現代有軌電車

李克雷，劉玉文，鄧小軍，吳永深，牟曉莎

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

介紹青島城陽永磁直驅現代有軌電車，包括車輛的編組和主要技術參數，以及車體、轉向架、牽引系統、列車控制及診斷、輔助電源系統、制動系統等主要部件和系統的基本特點，并對永磁直驅有軌電車的主要技術特點進行了總結。

有軌電車；永磁牽引電機；直驅技術

0　引言

現代有軌電車作為一種新興的公共交通形式，運行速度快，編組靈活，運量較大，綠色環保，同時建設費用低，施工周期短，與地鐵和公交系統互補，符合國內多元化交通運輸網絡的需求，得到了快速發展。現代有軌電車所采用的低地板技術的不同，決定了車輛的主要結構、技術參數各不相同，以下介紹為青島城陽示范線所設計的采用永磁直驅技術的現代有軌電車。

1　列車編組及主要技術參數

1.1列車編組

永磁直驅現代有軌電車采用 3 模塊 4 轉向架編組，如圖 1 所示，編組方式為：= Mcl + Ml + Mc2 =，其中：=為折疊車鉤，+為鉸接式轉向架；Mc1、Mc2 為帶司機室的模塊，M1 為無司機室模塊。

1.2列車主要參數

列車主要技術規格和設計參數見表 1。

表 1 中，平均牽引加速度是列車在平直干燥軌道上，在額定電壓（750 V）、額定載員、車輪半磨耗狀態下的測試結果。平均制動減速度是列車在平直干燥軌道上以最高速度（70 km/h）運行時，在任何載荷情況下從給出制動指令到停車時的測試結果。

圖 1 永磁直驅有軌電車

表 1 列車主要設計參數

2　列車的主要設備

列車主要設備布置情況見表 2。

表 2 主要設備布置情況一覽表

2.1車體

車體采用輕量化整體承載的鋼骨架結構設計，底架、車頂、司機室、側墻和端墻均能承受載荷，保證車體在輕量化的同時具有足夠的強度和剛度，以承受車輛不同工況下所受到的各種載荷，車體材料為高耐候鋼，其機械性能滿足標準 GB/T4171-2008《耐候結構鋼》要求。

車輛采用鼓形斷面設計，在頭型設計、車體造型和外裝上符合現代有軌電車的特點。外側墻采用與傳統地鐵車輛不同的結構，為粘接模壓玻璃鋼，由于有軌電車在路面上與其他車輛混行，經常出現磕碰等交通事故，采用這樣的結構，可以便于車輛的維修以及美觀造型。

車體固有頻率、轉向架固有頻率以及車上電氣設備的自振頻率均有差異，防止發生共振現象。

為了在發生碰撞時吸收動能、保護乘客安全，在Mc1 車模塊的前端設置防爬器和吸能裝置。

完工后的車體見圖 2。

圖 2 車體完工后的照片

2.2轉向架

永磁直驅現代有軌電車的中部采用低地板車輛專用鉸接式轉向架（圖 3），通過搖枕上的轉盤實現模塊之間的連接以及牽引力的傳遞，而不是采用車體之間的鉸接方式，該結構簡單可靠。這種車體的優點是車體受力均衡，不易導致應力集中，徹底避免了浮車型的各種缺點；另外，車體與轉向架之間通過軸承相連，回轉靈活，摩擦力小，可通過曲線半徑更小。這種車體轉向架的連接方式還具有的一個優點是安全，當車輛出現脫軌故障時，車輛不會出現傾覆，最大限度地避免了對乘客造成危險，提高了車輛的安全性。

圖 3 有軌電車用轉向架

2.2.1直驅傳動技術

采用直驅技術，無齒輪箱結構。相對于傳統帶齒輪箱的傳動系統，無齒輪箱的傳動系統具有如下優勢。

（1）減少了傳動系統的成本和能耗。

（2）降低了傳動系統的維修難度和費用。

（3）沒有傳動齒輪的油耗磨損和噪聲。

新型現代有軌電車的傳動系統主要由以下部件組成。

（1）為牽引電動機供電的水冷三相 IGBT 逆變器。

（2）驅動無齒輪箱的永磁同步牽引電動機。

（3）全懸掛傳動裝置——萬向節空心軸聯軸節。

2.2.2永磁同步牽引電動機

雖然異步牽引電機具有其獨特的優點，但在傳動系統的結構尺寸、重量、損耗和噪聲方面相對同步牽引電機仍有劣勢。永磁三相交流同步牽引電動機具有如下特點。

（1）采用液冷，全封式結構，增加了牽引電動機的可靠性。

（2）采用多磁極對數結構，減小了定子磁軛的厚度，同時縮短繞組端部，從而減小了電極體積和重量，增加了單位質量的功率。

（3）實踐表明，定子繞組的耐熱等級（200）符合軌道交通的電機絕緣標準要求。

（4）轉子損耗件少，牢固性非常可靠。

牽引電動機的主要技術參數見表 3。

牽引電動機示意圖見圖 4。

表 3 牽引電動機的主要技術參數

圖 4 牽引電動機示意圖

2.3牽引系統

列車的牽引及其控制系統采用輪控方式，主要包括受電弓、高壓箱、牽引電動機、高速斷路器箱等設備，每個牽引箱內包含 4 個獨立的牽引控制模塊，控制 1 個轉向架上的 4 個永磁同步牽引電動機，牽引系統主電路原理如圖 5 所示。

圖 5 牽引系統主電路圖

2.4制動系統

永磁直驅現代有軌電車制動系統為微機控制的閉環數字、液壓傳動的盤式制動系統，具有結構緊湊、制動率高、緊急制動減速度大的特點，滿足車輛在城市中與其他交通工具混跑的安全性要求。其制動原理圖見圖 6。

制動系統具有常用制動功能（包括電液混合制動功能）、安全制動功能、緊急制動功能、保持制動及停放制動功能。每個轉向架均設有 1 套獨立的制動控制單元。本裝置通過接收列車控制單元發出的制動指令，制動力隨列車載重自動調整，并設有電子防滑系統。

列車設撒砂裝置，具有自動和手動 2 種操作方式，正常運營狀態下采用自動模式。

為改善通過小曲線的輪軌磨耗，車輛設有濕式輪緣潤滑裝置。

2.5輔助供電系統

車輛安裝1套輔助電源裝置，即靜止逆變器（SIV），采用微機控制大功率電力電子器件 IGBT，其輸出能力滿足列車各種負載工況的用電要求。

IGBT 輸出 50 Hz、三相 380 V、單相 220 V 的正弦基波交流電和 24 V 的直流電。

輔助供電系統可在短時間內承受負載起動電流的沖擊，抗過載能力強；具有完備的輸入、輸出、過流、過壓、接地等保護；具有自動監控功能，可實現自我診斷和故障記錄，并將故障情況傳送到控制室。

靜止逆變器技術參數如下。

（1）持續電流（輸入參數），額定電壓 DC750V（500～950 V）。

（2）輸出電源三相交流 380 V：①定頻部分，額定輸出功率 14 kVA，額定輸出電壓 380（1±10%）V；頻率50（1±1%）Hz；②可變頻部分，額定輸出功率 14 kVA；額定輸出電壓 380（1±10%）V，頻率可調值 20～50 Hz。

圖 6 液壓制動原理圖

（3）輸出電源參數 AC220V：單相額定連續輸出功率 2.5 kVA；單相額定輸出電壓 220 V；單相額定輸出頻率 50（1±1%）Hz；單相額定輸出電流 11 A。

（4）輸出電源參數 DC24V：①車輛低壓電源，低電壓電網 24 V，輸出電壓 16.8～30 V，最大連續輸出電流 240 A；②制動器電源：額定輸出電壓 16.8～30 V，額定輸出電流 4×80 A。

2.6列車控制及監控系統

列車采用 2 套網絡系統進行數據交互：控制器局域網絡（CAN）和以太網網絡。CAN 網絡為控制網，主要用來傳輸控制類數據，實現列車控制。以太網主要用來傳輸視頻、音頻監控等數據。其余牽引、制動等設備的以太網連接主要用來作為維護接口，僅在修改程序等情況下使用。

2.6.1CAN網絡

CAN網絡根據設備的布置分為 3 個子網絡：CAN1網絡主要由司機室 4 個面板以及顯示器組成；CAN2網絡主要由牽引系統、制動系統以及服務面板組成；CAN3 網絡主要由輔助單元、車門、空調、遠程輸入輸出模塊組成。CAN 網絡拓撲圖見圖 7，圖 7 中“I/O”為“輸入/輸出單元”。

圖 7 CAN 網絡拓撲圖

2.6.2以太網網絡

車輛上布設有以太網網絡，主要有以下 2 種功能。

（1）音頻、視頻數據傳輸。主要用來傳輸旅客信息系統（PIDS）的信息數據，包括液晶顯示器（LCD）、發光二極管（LED）顯示器、視頻監控監視（CCTV）的視頻信息等相關內容。

（2）維護端口。如車門、空調（HVAC）、牽引、制動（BCU）等子系統，車輛控制單元（VCU）、人機接口（HMI）等網絡設備通過以太網連接，起維護終端的作用，包括更新下載程序、系統維護等用途。

車輛以太網網絡拓撲圖見圖 8。

3　列車的主要技術特點

（1）采用同步永磁電機驅動，體積小，重量輕，效率高（效率為 0.97，異步電機效率 0.92），黏著利用好，是目前世界上最先進的驅動技術。

（2）單電機控制，曲線通過性能優秀，采用 1 個牽引變流器控制 1 個電機的低地板獨立輪轉向架車輛，曲線通過時，4 個車輪始終處于徑向位置，沖角小，無輪軌滑動，基本消除輪緣磨耗，提高了車輪壽命并減小了輪軌噪聲。

圖 8 以太網網絡拓撲圖

（3）采用雙轉盤的轉向架承載方式，無車端鉸接裝置，車輛結構可靠，動力學性能好；轉向架與車體回轉靈活，能夠順利通過小曲線。

（4）無齒輪箱，運營維護成本低，采用構架安裝的直驅電機，轉向架上沒有齒輪傳動箱，杜絕齒輪箱漏油等問題，整體結構簡單，制造及維護成本低。

（5）轉向架布置在車端，車門布置更加靈活，每個模塊單側對開門數量可達 2 個，乘客上下車更快，停站時間短。

（6）動力配置靈活，起動加速度大，列車加速快，可減少運營列車間隔時間。

（7）車輛輕量化設計，自重小，同樣載客工況下，軸重輕，車輛能耗低。

（8）采用模塊化設計，可根據業主的要求，實現 2～5 個模塊的靈活編組，動力配置可以采用全部動力轉向架配置或部分動力轉向架配置。

（9）低噪聲。車輛通過曲線性能好，無輪軌滑動尖叫；彈性車輪技術；牽引電機無風冷噪聲；無齒輪箱傳動噪聲；整車噪聲控制技術全面。

4　結束語

永磁直驅現代有軌電車通過全面的評估規劃、嚴謹的設計和仿真分析驗證，根據工藝流程快速進行了生產制造，參照相關標準通過了強度、模態、電磁兼容、振動噪聲等一系列型式試驗，表明列車技術參數完全符合設計要求。城陽有軌電車線路已于 2016 年 3 月正式開通運營，其車輛的性能、可靠性得到了業主的充分肯定，作為山東地區的首條有軌電車線路，城陽永磁直驅有軌電車的成功應用，對城市軌道交通線網的車輛選擇具有重要的借鑒和指導意義。

［1］ 秦國棟，苗彥英，張素燕. 有軌電車的發展歷程和思考［J］. 城市交通，2013，11（4）：6-12.

［2］ GB/T23431-2009 城市輕軌交通鉸接車輛通用技術條件［S］. 2009.

［3］ CJ/T417-2012 城市低地板有軌電車的通用技術條件［S］. 2012.

［4］ A. Joeckel. 無傳動齒輪箱的機車交流傳動［J］. 變流技術與電力牽引，2003（5）：34-38.

［5］ 張安. 北京昌平線地鐵車輛［J］. 機車電傳動，2011（3）：56-60，82.

責任編輯 冒一平

Modern Tram of Permanent Magnet Direct Drive

Li Kelei， Liu Yuwen， Deng Xiaojun， et al.

The paper introduces the Qingdao Chengyang’s modern trams of permanent magnet direct drive， including vehicle formation and the main technical specifi cations， basic characteristics and the major components and systems such as car-body， bogie， traction system， train control and diagnosis system， auxiliary power supply system，braking system， and it further summarizes the main technical characteristics of permanent magnet direct drive tram.

tram， permanent magnet traction motor，direct drive technology

U482.1

2016-06-17

李克雷（1979—），男，高級工程師