直線(xiàn)電機交通模式及技術(shù)經(jīng)濟特性論文
摘要：直線(xiàn)電機已開(kāi)始在磁懸浮鐵路、城市軌道交通中應用。介紹了直線(xiàn)電機的分類(lèi)、3種典型的磁懸浮鐵路和直線(xiàn)電機驅動(dòng)的輪軌交通，對上述交通方式的技術(shù)經(jīng)濟特征進(jìn)行了對比，總結了上述交通方式的適用范圍。
關(guān)鍵詞：直線(xiàn)電機;磁懸浮;城市軌道交通;適用范圍
Abstract: Linear motor has been successfully used in Meglev transit system and rapid rail transit system for years. The transit systems driven by linear motor are classified as Maglev system and wheel-rail system. The typical Maglev system includes Japanese MLX system, German TransRapid system and Japanese HSST system. The technical and economic features of these systems are compared and the suitable application fields of these systems are summarized in the paper.
Keywords: linear motor; Maglev; urban rapid rail transit; suitable application fields
1、引言
從1825年世界第一條鐵路出現算起，軌道交通已有近180年的歷史。特別是上個(gè)世紀中葉以來(lái)，隨著(zhù)科技的進(jìn)步，軌道交通運輸方式不僅在諸如速度、密度、重量等性能方面有了很大提高，而且軌道交通方式本身也發(fā)生了巨大的變革�？焖佘壍澜煌ㄓ械罔F、輕軌、單軌等多種方式。牽引方式歷經(jīng)蒸汽牽引、內燃牽引、電力牽引等階段，目前在世界范圍內又發(fā)展出直線(xiàn)電機牽引的交通方式，包括磁懸浮鐵路、直線(xiàn)電機輪軌交通、磁懸浮飛機等。該交通方式目前正在迅速發(fā)展，將來(lái)會(huì )成為本世紀的主要交通方式之一。
本文介紹以直線(xiàn)電機作為牽引方式的新型客運交通方式，主要包括技術(shù)原理和技術(shù)經(jīng)濟分析，最后對我國發(fā)展軌道交通系統提出發(fā)展建議。
2. 直線(xiàn)電機及分類(lèi)
2.1 直線(xiàn)電機原理
傳統的輪軌接觸式鐵路，車(chē)輛所獲得的牽引力(或稱(chēng)驅動(dòng)力)、導向力和支承力均依靠輪軌相互作用獲得，電傳動(dòng)內燃機車(chē)或電力機車(chē)的牽引動(dòng)力來(lái)自于傳統的旋轉電機。直線(xiàn)電機交通系統不使用傳統的旋轉電機而使用直線(xiàn)電機(liner motor)來(lái)獲得牽引動(dòng)力�？梢韵胂髮鹘y的旋轉電機從轉子中心向一側切開(kāi)并且展直，這樣旋轉電機則變?yōu)橹本�(xiàn)電機�；蛘哒J為直線(xiàn)電機是半徑無(wú)限大的旋轉電機。這時(shí)定子中的旋轉磁場(chǎng)將變?yōu)橹本�(xiàn)移動(dòng)磁場(chǎng)，車(chē)輛將隨著(zhù)直線(xiàn)電機磁場(chǎng)的移動(dòng)而向前運動(dòng)。
2.2直線(xiàn)電機分類(lèi)
直線(xiàn)電機可以根據磁場(chǎng)是否同步、定子長(cháng)度及驅動(dòng)方式等因素進(jìn)行分類(lèi)。
2.2.1 按直線(xiàn)電機定子長(cháng)度劃分
根據定子長(cháng)度的不同，直線(xiàn)電機可以劃分為長(cháng)定子直線(xiàn)電機和短定子直線(xiàn)電機。
長(cháng)定子直線(xiàn)電機的定子(初級線(xiàn)圈)設置在導軌上，其定子繞組可以在導軌上無(wú)限長(cháng)地鋪設，故稱(chēng)為“長(cháng)定子”。長(cháng)定子直線(xiàn)電機通常用在高速及超高速磁懸浮鐵路中，應用在長(cháng)大干線(xiàn)及城際鐵路領(lǐng)域。
短定子直線(xiàn)電機的定子設置在車(chē)輛上。由于其長(cháng)度受列車(chē)長(cháng)度的限制，故稱(chēng)為“短定子”。短定子直線(xiàn)電機通常用在中低速磁懸浮鐵路及直線(xiàn)電機輪軌交通中，用在城市軌道交通領(lǐng)域。
2.2.2 按直線(xiàn)電機的磁場(chǎng)是否同步劃分
導軌磁場(chǎng)與車(chē)輛磁場(chǎng)可以同步運行，也可以不同步運行。據此可以將直線(xiàn)電機劃分為直線(xiàn)同步電機和直線(xiàn)感應電機兩大類(lèi)型。
直線(xiàn)同步電機LSM(Liner Synchronous Motor)一般采用長(cháng)定子技術(shù)，定子線(xiàn)圈(初級線(xiàn)圈)安裝在導軌上，而轉子線(xiàn)圈(次級線(xiàn)圈)安裝在車(chē)輛上。導軌上的轉子磁場(chǎng)與車(chē)輛上的定子磁場(chǎng)同步運行，控制定子磁場(chǎng)的移動(dòng)速度就可以準確控制列車(chē)的運行速度。高速、超高速磁懸浮鐵路一般使用該種長(cháng)定子直線(xiàn)同步電機。德國的運捷TR和日本的MLX系統均使用這種直線(xiàn)同步電機。其原理見(jiàn)圖1。
圖1 長(cháng)定子直線(xiàn)同步電機原理圖
直線(xiàn)感應電機LIM(Liner Induction Motor) 一般采用短定子技術(shù)，與LSM正好相反，定子線(xiàn)圈(初級線(xiàn)圈)安裝在車(chē)輛上，而轉子部分則安裝在導軌上。轉子磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)不同步運行，故也稱(chēng)為直線(xiàn)異步電機。中低速磁懸浮鐵路(如HSST)及直線(xiàn)電機輪軌交通一般使用該種電機。其原理見(jiàn)圖2。
圖2. 短定子直線(xiàn)感應電機原理圖
2.2.3 按驅動(dòng)方式劃分
列車(chē)的運行工況(牽引、惰行、制動(dòng))及運行速度完全由定子繞組中的移動(dòng)磁場(chǎng)控制。按照直線(xiàn)電機的初級線(xiàn)圈(定子線(xiàn)圈)的安設位置不同，直線(xiàn)電機牽引的軌道交通可以劃分為導軌驅動(dòng)和車(chē)輛驅動(dòng)兩種類(lèi)型。
導軌驅動(dòng)也稱(chēng)為路軌驅動(dòng)或地面驅動(dòng)，采用長(cháng)定子直線(xiàn)同步電機LSM。直線(xiàn)電機的初級線(xiàn)圈(定子線(xiàn)圈)設置在導軌上，采用長(cháng)定子同步驅動(dòng)技術(shù)。其列車(chē)的運行工況及運行速度由地面控制中心控制，列車(chē)司機不能直接控制。導軌驅動(dòng)技術(shù)一般用于長(cháng)大干線(xiàn)鐵路或城際軌道交通。德國的運捷TR和日本的MLX系統均使用這種驅動(dòng)技術(shù)。
列車(chē)驅動(dòng)技術(shù)采用短定子直線(xiàn)感應電機LIM。直線(xiàn)電機的初級線(xiàn)圈(定子線(xiàn)圈)設置在車(chē)輛上，其列車(chē)的運行工況及運行速度由列車(chē)司機控制，故稱(chēng)為列車(chē)驅動(dòng)。列車(chē)驅動(dòng)技術(shù)一般用于城市軌道交通，用于中低速磁懸浮鐵路(如HSST)及輪軌直線(xiàn)電機鐵路。
3.直線(xiàn)電機交通模式
直線(xiàn)電機交通主要包括磁懸浮鐵路和直線(xiàn)電機牽引的輪軌交通兩種類(lèi)型。磁懸浮鐵路的典型模式包括日本的超導超高速磁懸浮MLX、德國的常導超高速磁懸浮“運捷”TR和日本中低速磁懸浮HSST。
3.1 德國常導磁懸浮TR系統
德國常導磁懸浮TR系統采用了長(cháng)定子直線(xiàn)同步電機(LSM)驅動(dòng)，懸浮和導向采用電磁懸浮EMS原理，利用在車(chē)體底部的可控懸浮電磁鐵和安裝在導軌底面的鐵磁反應軌(定子部件)之間的吸引力使列車(chē)浮起，導向磁鐵從側面使車(chē)輛與軌道保持一定的側向距離，保持運行軌跡(圖3)。高度可靠的電磁控制系統保證列車(chē)與軌道之間的平均懸浮間隙保持在10mm，兩邊橫向氣隙均為8～10mm。
3.2 日本超導磁懸浮MLX系統
日本超導磁懸浮MLX系統采用了長(cháng)定子直線(xiàn)同步電機(LSM)驅動(dòng)，見(jiàn)圖4。在導軌側壁安裝有懸浮及導向繞組。當車(chē)輛高速通過(guò)時(shí)，車(chē)輛上的超導磁場(chǎng)會(huì )在導軌側壁的懸浮繞組中產(chǎn)生感應電流和感應磁場(chǎng)，控制每組懸浮繞組上側的磁場(chǎng)極性與車(chē)輛超導磁場(chǎng)的極性相反從而產(chǎn)生引力、下側極性與超導磁場(chǎng)極性相同產(chǎn)生斥力，使得車(chē)輛懸浮起來(lái)，懸浮高度為100mm。如果車(chē)輛在平面上遠離了導軌的中心位置，系統會(huì )自動(dòng)在導軌每側的懸浮繞組中產(chǎn)生磁場(chǎng)，并且使得偏離側的地面磁場(chǎng)與車(chē)體的超導磁場(chǎng)產(chǎn)生吸引力，靠近側的地面磁場(chǎng)與車(chē)體磁場(chǎng)產(chǎn)生排斥力，從而保持車(chē)體不偏離導軌的中心位置(如圖5所示)。2002年6月在山梨試驗線(xiàn)新投入試驗運行的MLX01-901試驗車(chē)見(jiàn)圖6，該試驗車(chē)最近創(chuàng )造了580km/h的列車(chē)最高試驗速度。
3.3 日本中低速磁懸浮HSST系統
中低速磁懸浮系統以日本的HSST為代表，主要應用于速度較低的城市軌道交通和機場(chǎng)鐵路。日本HSST為地面交通系統，采用列車(chē)驅動(dòng)方式，電機為短定子直線(xiàn)感應電機(LIM)。電機的初級線(xiàn)圈(定子)安裝在車(chē)輛上，轉子(或稱(chēng)次級線(xiàn)圈)沿列車(chē)前進(jìn)方向展開(kāi)設置在軌道上，見(jiàn)圖2。在懸浮原理方面，HSST系統與德國TR相似，不同之處在于HSST系統將導向力與懸浮力合二為一。我國的磁懸浮鐵路研究目前大都側重于中低速范圍，并且大都參照HSST技術(shù)研制。將來(lái)用于名古屋東部丘陵線(xiàn)的車(chē)輛及軌道見(jiàn)圖7。
圖7. HSST車(chē)輛及軌道
3.4 直線(xiàn)電機輪軌交通系統
如前所述，磁懸浮鐵路與傳統輪軌鐵路在驅動(dòng)、支承(懸浮)和導向三方面的原理和所采用技術(shù)完全不同。在軌道交通體系中，直線(xiàn)電機輪軌交通系統是一種新型的介于上述二者之間的軌道交通形式。
該種軌道交通利用車(chē)輪起支承、導向作用，這與傳統輪軌系統相似。但在牽引方面卻采用了短定子列車(chē)驅動(dòng)直線(xiàn)感應電機(LIM)驅動(dòng)，工作原理與HSST系統直線(xiàn)電機原理基本相同(見(jiàn)圖2)。當初級線(xiàn)圈通以三相交流電時(shí)，由于感應而產(chǎn)生電磁力，直接驅動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)，改變磁場(chǎng)移動(dòng)方向，車(chē)輛運動(dòng)的方向也隨之改變。車(chē)輛平穩運行時(shí)，定子與感應軌之間的間隙一般保持在10mm左右。該系統原理見(jiàn)圖8，車(chē)輛見(jiàn)圖9。
迄今為止，該系統已經(jīng)在4個(gè)國家的9個(gè)城市建成，總里程已超過(guò)180km。見(jiàn)表1。
表1 直線(xiàn)電機輪軌交通系統應用情況統計表
另外日本福岡地鐵3號線(xiàn)將于2006建成，韓國、美國華盛頓、法國巴黎等國家和城市有可能建設，我國廣州地鐵4、5號線(xiàn)已決定采用該系統，首都機場(chǎng)線(xiàn)也在研究采用該系統。
4. 技術(shù)經(jīng)濟比較
4.1 德、日高速磁浮鐵路比較
德國常導超高速磁懸浮鐵路TR與日本超導超高速磁懸浮鐵路MLX系統的主要技術(shù)性能方面的比較見(jiàn)表2。
表2 德日磁浮系統主要技術(shù)特點(diǎn)比較
綜合對比分析日本電動(dòng)懸浮MLX與德國電磁懸浮TR系統在技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境三方面的性能，可以得出如下結論。
1、MLX系統造價(jià)高、超導技術(shù)難度大;TR系統造價(jià)相對較低，雖然控制系統復雜、精確，但技術(shù)相對成熟，大部分零部件具有通用性，市場(chǎng)供應方便。
2、MLX系統車(chē)輛懸浮氣隙較大，對軌面平整度要求較低、抗震性能好、速度快并且還有進(jìn)一步提高速度的可能性，它還具有低速時(shí)不能懸浮的特點(diǎn)，因此更適合于大運量、長(cháng)距離、更高速度的客運。
3、從經(jīng)濟和效率來(lái)看，在450km/h以上速度運行時(shí)，日本MLX系統優(yōu)于德國TR系統;在300—450km/h的速度范圍內運行時(shí)，TR系統比較優(yōu)越;300km/h以下速度時(shí)，采用輪軌高速可能更好。
4.2 磁懸浮鐵路與輪軌高速鐵路比較
近年來(lái)，高速鐵路發(fā)展迅猛，高速列車(chē)試驗速度已經(jīng)達到515.3km/h，實(shí)際運營(yíng)速度也達到250～300km/h。表3列出了磁浮鐵路和輪軌高速鐵路的主要技術(shù)指標。
表3 磁浮鐵路和輪軌高速鐵路主要技術(shù)指標
通過(guò)上表分析可以認為：磁浮高速鐵路和輪軌高速鐵路各自有突出的優(yōu)點(diǎn)和適用范圍，任何非此即彼的看法都是不科學(xué)的。在高速的速度范圍內(200~350km/h)，地面軌道交通應以高速鐵路為主體;在需要350～600km/h超高速特定條件下，磁浮高速鐵路優(yōu)于輪軌高速鐵路。
長(cháng)大干線(xiàn)、復雜地形條件下修建磁浮鐵路具有一定優(yōu)勢，在短途客運方面、地形平坦條件下高速磁浮系統并無(wú)太大優(yōu)越性。
4.3 城市軌道交通不同模式比較
在城市軌道交通中比較成熟的直線(xiàn)電機交通系統包括中低速磁浮系統(HSST)和直線(xiàn)電機輪軌交通系統，為了便于比較，表4中也列出了傳統軌道交通(地鐵、輕軌)的綜合技術(shù)經(jīng)濟指標。
表4 城市軌道交通系統綜合技術(shù)指標
通過(guò)上表分析可以認為：城市軌道交通(包括市中心到機場(chǎng)之間的鐵路)距離較短，一般為十幾千米至幾十千米，沿途需要�？康能�(chē)站比較密集。目前國內城市(包括機場(chǎng)內)軌道交通主要以地鐵為主，但是由于工程造價(jià)、環(huán)境等諸多原因，延緩了地鐵的發(fā)展速度;中低速磁懸浮技術(shù)先進(jìn)，但工程費用和運營(yíng)費用較高，且目前尚無(wú)商業(yè)運營(yíng)經(jīng)驗，存在風(fēng)險;直線(xiàn)電機輪軌交通技術(shù)先進(jìn)，系統成熟、安全可靠、工程造價(jià)低、運營(yíng)費用低、環(huán)保性能好，適合市內和市郊的中等運量運輸，值得大力發(fā)展。
4. 結論和建議
通過(guò)如上分析，對我國發(fā)展軌道交通系統提出如下建議：
1、在超高速鐵路速度范圍內(350~550km/h)應重點(diǎn)發(fā)展磁懸浮鐵路。但選用MLX系統還是選用TR系統主要看對速度的要求，德國TR技術(shù)的應用速度范圍比較寬，從300km/h到450km/h，日本的ML技術(shù)在更高的速度范圍(400k/h到550km/h)內更具有優(yōu)勢。
2、在高速鐵路(200~350km/h)范圍內應重點(diǎn)發(fā)展輪軌高速鐵路。我國即將構建快速客運專(zhuān)線(xiàn)網(wǎng)，高速輪軌技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。在此速度范圍內也可考慮發(fā)展高速磁懸浮鐵路(MLX或TR系統)。
3、高速鐵路在未來(lái)的一段時(shí)間內仍然是高速軌道交通的主要方式，但超高速磁懸浮的發(fā)展也是不可阻擋的。他們的應用速度范圍各不相同，無(wú)法相互替代，應該共同發(fā)展、共同繁榮。
4、在中速(120~200km/h)范圍內應重點(diǎn)發(fā)展傳統輪軌鐵路。在該速度范圍內，目前還沒(méi)有其他的軌道交通方式與中速鐵路形成競爭力。
5、在低速(<120km/h)范圍內有較多的技術(shù)可供選擇。在鐵路范圍內主要采用傳統輪軌鐵路技術(shù)，在城市軌道交通中有傳統輪軌地鐵或輕軌、中低速磁懸浮系統、直線(xiàn)電機輪軌交通等方式可供選擇，選擇何種交通方式應在進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。
6、我國的磁懸浮技術(shù)及研究大都屬于中低速磁懸浮技術(shù)的范疇，但目前還達不到實(shí)用化程度。故在未來(lái)的一段時(shí)間內，我國在中低速磁浮系統方面應重點(diǎn)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)工作，以便將來(lái)發(fā)展為城市軌道交通的補充方式。
7、直線(xiàn)電機輪軌交通系統具有技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟合理、綠色環(huán)保、易于實(shí)現等優(yōu)勢，故今后我國城市軌道交通領(lǐng)域應大力發(fā)展該種制式。
8、磁懸浮鐵路、輪軌鐵路、直線(xiàn)電機輪軌交通技術(shù)特點(diǎn)不同，應用領(lǐng)域也不同，他們各有優(yōu)勢，無(wú)法相互替代。應鼓勵發(fā)展多種交通方式，構筑配置合理、豐富多彩的軌道交通體系。而采用何種交通方式主要根據速度目標值確定，當然也要結合線(xiàn)路長(cháng)度、地形條件、社會(huì )經(jīng)濟條件等多種因素選擇。
9、在直線(xiàn)電機牽引的超高速磁懸浮鐵路、中低速磁懸浮鐵路和直線(xiàn)電機輪軌交通系統中，發(fā)展原則應該是發(fā)展兩頭、帶動(dòng)中間。目前應重點(diǎn)發(fā)展直線(xiàn)電機輪軌交通系統。
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