直线电机在城市轨道交通系统中的应用

摘 要：介绍了直线电机工作原理和直线电机电动车特点，以及日本利用直线电机的地铁和常导磁悬浮交通系统发展的概况。

关键词：直线电机；城市轨道交通；地铁；磁悬浮；电动车

城市交通在城市的发展过程中愈来愈重要，而城市轨道交通占据突出的位置。由于近年来科学技术的发展和进步，包括地铁、轻轨交通、单轨交通、新交通系统以及磁悬浮交通系统等城市轨道交通的形式变化多样。在改善城市交通的时候，各个城市根据自己城市的具体特点选择交通系统的范围也更宽。安全、舒适、高密度运行，通过引入新技术达到节能，保护环境，降低成本，从结构和性能上采取措施，不断进行改进，保持先进性是城市轨道交通存在的价值。在城市轨道交通系统中，根据车辆的特点，采用直线电机作为驱动电机又提供了一种新的选择。
1 直线电机的工作原理
通常，电动机是旋转型的。定子包围着圆筒形的转子，定子形成磁场，在转子中流过电流，使转子产生旋转力矩。而直线电机则是将两个圆筒形部件展开成平板状，面对面，定子在相应于转子移动的长度方向上延长，转子通过一定的方式被支承起来，并保持稳定，形成转子和定子之间的空隙。
直流电机、感应电机、同步电机等都可做成直线电机，但是，直流电机在结构上无法做成无整流子型，所以，直线电机一般为感应电动机和同步电动机。这些交流电动机的1次侧有作为定子侧的，也有作为转子侧即移动体侧的。例如，超导磁悬浮中，同步电动机的定子（地上）是1次侧，旋转磁场在地上移动；而地铁的直线电机，感应电动机的旋转磁场装在车上，2次侧固定在地上。前者的空隙靠左右导向线圈保持，而后者靠车轮保持。
产生推进力的原理与电动机产生力矩的原理一样，在直线电机地铁中，安装在转向架上的直线电动机沿前进方向产生移动磁场。让面对该磁场、安装在地上的反作用板（相当于2次线圈）中通过2次电流（涡电流），由这个2次电流切割磁场产生的力作为反作用力，安装在转向架上的直线电动机得到推进力。
直线电机的基本缺点是很难将定子与转子空隙做成象旋转式电机那么小，旋转式是无限循环的，而直线电动机是有端头的。为此，泄漏磁通多，电气—机械能量转换的效率低，如果要得到相同的输出，逆变器的容量需要比旋转式大。
2 直线电机电动车的特点
在使用旋转式电机的电动车中，一般是通过齿轮减速将旋转力矩转换为列车的牵引力，同时也受到轮轨间粘着的限制。
直线电机电动车的推进力和制动力都利用直线电机，如上所述，有1次侧在车上和地上2种。1次侧在车上时，要将vvvf逆变器和直线电机装载在车上，使车辆重量增加，车辆价格高；但在地面上的设备仅只有反作用板，又降低了建设费用。1次侧在车上的方式已在一部分地铁得到了实际应用。
在直线电机的电动车中，推进力由铺设在钢轨间的反作用板直接传递，所以不受粘着的限制，有可能从滑行和空转产生的各种问题中解脱出来，有利于通过大坡道（最大坡度可达60‰～80‰）和小半径曲线（最小半径为50 m）的线路。此外，由于直线电机无转动部件，所以不需要轴承和润滑机构，使之结构简单，延长寿命，这是其最大的特点。
在旋转电动机中，旋转力矩与其直径的平方成正比，所以要得到大的旋转力矩，电动机的直径就要增大，在直线电机中，这相当于将相应的部分在长度方向延长，而高度方向可以减小。在大型电机中，如果是1级齿轮减速，车轮直径也必须加大；而在直线电机驱动中，则不必如此，所以，可以减小车轮的直径，这将使车辆的地板面的高度降低。
以上的优点就是小断面地铁采用直线电机电动车的理由。
但是，直线电机的效率低，与相同的地铁比，电力的消耗量多，除这个缺点外，上述的优点也有不能充分发挥的时候。因为不受粘着限制，所以在牵引时，线路的坡度可以取大；但是，在制动时，如果电气制动失效，就必须依赖于机械制动，这受粘着控制，所以，线路的坡度又不能太大。此外，由于直线电机是扁平状的设备，车辆地板面的高度可以降低，这时车轮的直径也可以减小。但直径小的车轮磨耗会加快，所以实际上不能太小。由于扁平状直线电机的长度可以加长，所以，一台转向架装一台电机即可，这就是现在的直线电机地铁为全动车编组的理由之一。
3 直线电机电动车在日本的应用和发展
3.1 直线电机地铁
在建设地铁的成本中，开凿地下隧道的成本占了很大一块，采用直线电机电动车对降低开凿地下隧道的成本，从而对降低整个地铁的建设成本非常有利。以日本为例，普通地下铁隧道的直径为5.8 m，而直线电机地铁隧道的直径为4.0～4.3 m，见图1。可以估算，后者隧道工程的开凿量可比前者减少1/3左右，这意味着地铁的成本将大大下降。此外，与旋转电机相比，直线电机的形状平坦，因而可以降低车辆地板面高度和减少整个车辆尺寸，但这并不影响车辆内部的空间，即不会对旅客带来不便。直线电机只是产生车辆的驱动力，车辆仍使用钢制车轮和钢轨作为支承和导向系统。
在日本，直线电机地铁已在东京和大阪投入运用，这2个直线电机地铁的概况见表1。表中直线电机地铁车辆的控制系统均为带再生制动的vvvf逆变器控制，并均采用铝合金车体，车辆定员为90～100人。图2为东京都营12-000型直线电机地铁动车的外形照片。横滨、神户、福冈的直线电机地铁也正在建设或规划中。
3.2 常导磁悬浮交通系统
常导磁悬浮交通系统与现行的铁道相比，是全新的交通系统。由于走行装置与轨道不接触，所以，噪声与振动很小，基本上不发生磨耗，在环境保护、经济性和维修方面都较为优越，利用其可通过大坡道和小半径曲线线路的特点，作为一种新型城市轨道交通是可行的，经过多年的开发研究，最高速度为100km/h的hsst-100型车辆将在名古屋等城市得到应用。表2是hsst-100s型和hsst-100l型2种试验车辆的主要参数。图3是hsst-100l型试验车辆系统断面图。

在名古屋采用hsst的线路称作东部丘陵线，总投资额1 000亿日元，全长9 km，设9个车站，预估客流量3万人/日，最大坡度60‰，最小曲线半径75 m，无人驾驶，每列3辆编组，共8列，高峰时每编组乘车人员约400人，供电电源为dc1500v，由梁两侧刚性接触网供电，在线路中间地点设置1个变电所，另外，还设有车辆检修基地。这条线路预计2005年3月开业通车。

直线电机地铁虽然有不少优点，如建设成本低、通过大坡道能力强、转弯曲线半径小、维修少、运行平稳等，并已经在一些城市得到运用，但其载客量少，所以，目前只能作为现有地铁的补充。常导磁悬浮交通系统与现行的铁道相比是全新的交通系统，其所具有的优点将会使之在城市轨道交通系统中占有一席之地。随着科学技术的进步，直线电机以及它在地铁与其他方面的应用都会有良好的发展前景。

参考文献
1 事务局 リニア地下铁车辆机械ソヮンポイント·レッスン讲座69rm2001.2
2 长野秀洋 常电导磁气浮上式交通システムhsstの最近の动向についてjrea2001