直线电机在城市轨道交通系统中的应用
直线电机及其在城市轨道交通中的应用
采用 双侧 定 子 结构 。两 种结 构如 图
４所 示 。双
审桐ｌ ｎ ｌ Ｊｌ ｌ ｌ ｕ ｚ ｎ ｍ 拽ｌ
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（ 双侧定子 ｂ ）
定子 转子
度 ， ３是试验 时的照片。 图
定 子
然而 ， 直线 电机 成 功地 用于轨 道 交通却 是 在磁 悬
浮列车上首先实现 的。由于磁悬 浮列车不能 再依靠 车
子 结 构， 审 绕 为 千 组 了 改 善 磁
定 子 转 子
验， 而仅 仅 是 检 验 直 线 电 机 牵 引 系 统
的可行 性 ， 包 括 感 应 板 安
装 的 难 易 程
图 ３ １７ ９５年英 国直线电机轮轨列车试验
路 、 高 效 提
率 ， 可 以 也
（ 单侧定子 ａ ）
维普资讯
都市快轨交通 ・ １ 卷 第 １ ２ ０ 年 ２ 第 ９ 期 ０６ 月
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直线 电机 及其 一 ～ 德一 一 一馘 要 ～ 一日 ～ 机国 一 催燃 彻骄 回 ～ 道～ 一一 中姒 灿 鲻 几 在城市轨道交通 中的应用
都市快轨交通 ・ １ 卷 第 １ ２ ０ 年 ２ 第 ９ 期 ０６ 月
试验线 ： 铁轨 中间 安装２ ８ ３ 的铝 制感应 板 ， ｍ长 在英 国
ｌ１ Ｍ ０Ｄ Ｕ型 列
线 电机也相继 问世 ， 如永 磁直线 电机 、 双馈直线 异步 电
机、 直线开关磁阻电机等【 。以下主要介绍在轨道交通 中已经得到应用 的或进行了试验 的几种直线 电机 。
的试 验线 ， 对 这 台 轨 道 车 辆模 型（ 直 垂 感应板 ） 进行
了试验 （ 见图
城轨交通的一种新模式_直线电机驱动地铁车辆
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要：文章论述了直线电机驱动方式的原理、 车辆的特点和应用的原则， 为我国城市轨道交通在特定
的线路条件下提供一种新的选择。 关键词：城轨交通； 直线电机； 驱动； 模式 中图分类号： %#&’()； *+&)’(! 文献标识码： , 文章编号： "-.#/""0.（ #$$&） $!/$$$!/$!
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低效率、 低功率因数的缺点 地铁车辆上工程应用的直线电机，由于车载定子
与地面转子是处在一个相对直线运动的弹性 （ 轴箱垂 向弹性定位）系统间，不可避免地会造成相互间隙变 化，因此气隙设计得不能太小，否则会导致不安全因 素， 一般定在 %! ’’ 左 右 （ 比德国磁悬浮列车的直线 电机气隙 & ’’ 要高一些） 。再加上直线电机是有端部 的（ 旋转电机是闭环） ， 因此漏磁场较大， 机电能量转化 率低， 所以直线电机的效率较低， 一般在 ")+.")& 之间，
城建物的密集， 使线路的水平断面曲线变小； （ #） （ 城市人口的增长， 使运行区间变短， 必须依靠 &） 较高运行速度和较大的加 Y 减速度才能增大运能； 环保的要求更高， 要求车辆的振动和噪声的影 （ !） 响更小； （ 为减少运营成本必须降低土建工程的造价， 要 )） 求地铁车辆重量轻、 体积小， 才能使隧道和高架结构简 单经济。 传统技术模式的地铁车辆是依靠轮轨作用来发挥 由于物理黏着的存在限制了其加 Y 减速 牵引 Y 制动力， 度性能和爬坡能力的提高，还存在全天候运行特性较 差， 运行的机械振动和噪声较大， 车辆结构轻量化和小 型化相对困难等缺点， 不能很好地适应新的运行特点。 因此， 长期以来科技界、 工业界一直在追求研发一种新 的技术模式。
试析直线电机轨道交通牵引传动系统研究
试析直线电机轨道交通牵引传动系统研究摘要：近年来，越来越多的人们开始认识到城市轨道交通的重要性，因此我国大力推进城市轨道交通建设，直线电机轨道交通系统在我国得到了长足的发展。
本文主要研究探讨了直线电机轨道交通中的牵引传动系统。
关键词：直线电机；轨道交通；牵引传动系统近几十年来，世界各国都在不断推进城市化建设进程，其中城市轨道交通系统是建设和发展的重点之一，各国的工程师都对城市轨道交通系统进行了系统深入的研究，采用直线电机传动的城市轨道交通系统就是研究内容之一。
直线电机车辆减少了车辆摩擦和振动噪声，解决了维护运行成本，降低工程造价，因此其在城市轨道交通中的应用越来越广泛，研究其牵引传动系统也存在非常重要的现实意义[1]。
一、直线电机轨道交通系统的发展和现状随着城市化进程的加快，城市的交通问题日益成为城市建设发展的重点研究工作，城市化建设的发展和高新现代科技的研究对城市轨道交通的建设提出了更高的要求。
在城市轨道交通系统中，虽然传统的牵引制动模式技术成熟，应用较多，但是它限制了车辆的速度性能，振动噪声较大，不能适应新的运行特点，所以人们开始研究新的技术模式。
直线感应电机运载系统开始进入人们的视线。
直线感应电机运载系统在城市轨道交通中的应用不同于磁悬浮，这种系统仍然使用铁轨作为支撑导向，只是利用直线感应电机进行驱动[2]。
近几十年来在世界得到了良好的发展。
目前在世界上投入商业运营的直线感应电机驱动线路已有10条（如图1所示），直线感应电机运载系统正逐渐成为城市轨道交通的重要模式。
图1 世界投入商业运营的直线感应电机运载系统线路直线感应电机驱动的城市轨道交通车辆具有以下优点：（1）车辆不受轮轨黏着因素的限制，可以获得较强的起动、加速、减速动力性能，在比较恶劣的轨面条件和环境下也能保持优越的性能。
（2）直线感应电机取代了旋转电机，提高了车辆的运行稳定性和曲线通过性能，便于车辆小型化。
（3）容易避开在建和规划中的施工路线，降低土建工程造价。
直线电机在城市轨道交通系统中的应用
直线电机在城市轨道交通系统中的应用赵青峰;程晓民【摘要】简要介绍直线电机驱动系统的工作原理,概述其在城市轨道交通系统应用中的优势.根据发展过程,详细阐述直线电机在国内外城市轨道交通中的应用情况.随后,通过分析实际运用情况,探讨直线电机在我国城市轨道交通系统运营中出现的问题及解决办法.最后提出,直线电机城市轨道交通系统作为一种独特的制式,在未来的城市交通中具有一定的应用前景.【期刊名称】《现代城市轨道交通》【年(卷),期】2017(000)010【总页数】4页(P54-57)【关键词】城市轨道交通;直线电机;优势;应用【作者】赵青峰;程晓民【作者单位】长安大学材料科学与工程学院,陕西西安 710064;宁波工程学院材料工程研究所,浙江宁波 315016【正文语种】中文【中图分类】U264.1+4随着社会的发展，中国城市人口越来越多，引起了严重的交通问题。
由于载客量大、行驶不拥堵、方便等特点，地铁已成为城市中不可缺少的交通工具，也是一种绿色交通[1]。
在传统城市轨道交通系统中，列车采用旋转电动机驱动。
这种驱动模式依赖于轮轨之间的粘着力，因此，列车的速度、加速度及爬坡能力等都受到一定的限制，同时，传统驱动模式还具有车型大、噪声高等一系列缺点，逐渐不能适应新的交通模式[2]。
而直线电机驱动模式取消了中间的传动机构，电磁力直接作为牵引力驱动车辆运行，是一种完全非粘着驱动系统。
因此，相对传统驱动模式，直线电机驱动是一种新型的驱动方式。
直线电机驱动与旋转电机驱动不同，它取消了中间的传动环节，直接将电能转换成运动所需的机械能。
直线电机可分为直线同步电机和直线感应电机（直线异步电机），在城市轨道交通系统中，一般使用直线感应电机作为驱动电机[3]。
直线电机可看作由旋转电机沿圆周方向展平而来[4]，其工作原理与旋转电机相似。
直线电机的电磁铁和绕组作为定子安装在车辆转向架上，感应板则作为转子固定在轨道中间，当电磁铁通电时，产生的行波磁场和感应板相互作用，该作用产生的力即为列车运动所需的牵引力，若改变通入的电流方向，列车则反方向运行[3]。
城市轨道交通直线电机车辆用感应板的性能与应用
１ ． ４ 感 应 板 腐 蚀 保 护
承 受 较 大 的推 力 和 吸力 。 因此 ， 感
应 板 一 般 选 用 铝 钢 复合 或 是 铜 钢 复 合 材料 ， 其 中铜 或 铝 主要 用 于 导
电． 钢作 为铁芯 ， 主 要 起 导 磁 作 用
㈣
。
接 在 铁芯上 。铝 扣板 与铁 芯之 间通 过 绝 缘 布绝 缘 隔 离 ， 绝 缘 布 同 时也
７ 结 束 语
隧道 观 测 的 目的 是 在 保 证 人
力 成 本 最低 的前 提 下 。 对 运 营 隧道 进 行监 测 。工务 部 门要及 时建 立理
的 防灾减 灾对 策提 供科 学依据 。但
当 前 的监 测 方 法 主 要 是 人 工 采 集
数据 ， 存在 监 测 周 期 长 、 工作 量 大 、
城市 轨道 交通 中得 到广 泛应 用 。目
作 为 直 线 电 机 系 统 转 子 部 分
转 向架上 ， 转子（ 次 极线 圈 ） 就 是 感 应 板设 置在 线路 中间。安 装在 车辆 转 向架 上 的定 子 ． 在 通 电情 况 下 与 铺 设 于 线 路 中 间 的 感 应 板 间 产 生 移动磁场 。 通 过磁 力 之 间 相互 作 用 （ 吸引 、 排 斥１ 产生 牵 引 力 ， 通 过 改变
机等 长 。 但 是考虑 到直线段 、 曲线
段 及 各方 面 的影 响 。 感 应 板 的长 度 相 对 是灵 活 多 变 的 ． 常 见 的长 度 有
好． 次级 在初级作用下 ， 会 产 生 水 平推力 。 也 会产 生 横 向吸力 。而 单 纯 的 铝 或铜 强 度及 刚度 不够 ． 不 能
直线电机在城市轨道交通中的应用
ＣＯＮＳ ＴＲＵＣ￣ ＯＮ
直线 电机在城市轨道交通 中的应用
刘家栋 刘豫 湘 高锋 罗京
南 车株洲 电力机车有 限公司 湖南 株洲 ４ ０ １ １ ０ ２
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
的 ，弥 补 效 率 低 的 缺 点 。
１ 与其他轨道 系统 的融合பைடு நூலகம்同难 ． ６
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 点 ，科技界 和工 界一 直在追求 研发一种 可以降低 工程造价 ，且运行 系统 通用 。冈此 ，能否科学 的规划一个 城市的城 市轨道交通 系统 网是 及维护费用少 、性 价 比高 的城 市轨道交通 系统 。 制 约直线电机驱动 系统 的关键 。
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 直线 电机在 轮轨式车辆 中的应 用 １
ｕ ｂ ｌ Ｈ ａ ５ ｒｎ ｉ。 ｒ ａｌ ｌ ａ ｓｔ ｓｔ Ｋｅ ｏ ｄ ：Ｕ ｒ ａ ｓ ｔａ ｓｔ ｌ ｅ ｒ ｏ ｏ ； ｍａ ｌｖ ｖ ｈｉｌ ｙＷ ｒ ｓ ｂ ｎ ｍａ ｓ ｒ ｎ ｉ； ｉ ａ ｔ ｒ ｎ ｍ ｇ ｅ ｅ ｃｅ；ｐ ｏ ｐｅ ｔ ｒ ｓ ｃ
表１ 国外直线电机轮 轨运载系统应用情况统计 线路名称 开通 年份 线路长度 车站个数 车辆数 Ｅ客流量 最小发车 ｌ
直线电机在轨道交通系统中的应用
直线电机在轨道交通系统中的应用Ap I a in on a o o b nMasT「n ipitfLie「MtriU「asastco nZ e gL n hn o g Abta t W i n ito u t no h m il n p la in src t a rd ci ft epicpea da pi t h n o c o on a tri h n h iMa IvDe o sr t n Liea du——fl ermoo Saga gemn tai nrinonbn masta s。
t i pp rdsu sst epo I so c le n a S「n i hs a e icse h rbe c ut d i t mtep we u py ssea a d te p emiay s It n frd - h o rs p I y t, n h rl n r oui o e n i o cesn h n eia c n eli n h ta u「n . raig tel er s n ea drcamigt esryc ret i s t Ke r s I e rmoo, u b n n ywod i a tr ra ® ns se a yt nta st p we u py rn i, o r sp IAuh r sa d es S a g a i TrfcEq ime tDe dO一to1 d rs h n h i I af up n v pRa imei C丄d,2 0 4, h n h i hn r o, t. 0 0 1 S a g a.C ia t图2同步长定子直线电机原理示意图直线电机如同将旋转电机的转子与定子展开成直线形状，相当予把一个旋转电机沿旋转方向切开后平铺而成，在理论上，可以把它看成具有无限大半径的传统的旋转电机。
直线电机的驱动根据定子、转子安装的位置可分为两种应用方式：一种为长定子直线电机，定子安装在轨道上，转子安装在车辆上；另一种为短定子直线电机，转子安装在轨道上，定子安装在车辆上。
《直线电机轨道交通》课件
社会影响
促进城市可持续发展
直线电机轨道交通的建设将有力推动城市可持续发展，缓解城市 交通拥堵，降低空气污染。
提升城市形象
新型直线电机轨道交通将成为城市的新名片，提升城市的形象和 国际影响力。
带动相关产业发展
直线电机轨道交通的建设和运营将带动相关产业的发展，如装备 制造、电子信息、新能源等产业。
05 直线电机轨道交通的案例 分析
优势
高效节能
直线电机直接驱动列车，减少机械损耗，提 高能源利用效率。
高速度与大载客量
直线电机技术使得列车运行速度更快，且能 承载更多乘客。
低噪音
采用非接触式驱动方式，减少机械摩擦和振 动，降低噪音污染。
维护成本低
由于减少了机械部件，使得维护工作量减少 ，降低长期运营成本。
挑战
技术成熟度
相较于传统轮轨技术，直线电机轨道 交通技术仍需进一步成熟和验证。
上海磁悬浮列车
案例介绍
上海磁悬浮列车是中国第一条商业化运营的磁悬 浮线路，具有高速、安全、舒适的特点。
技术特点
磁悬浮技术通过磁场力使列车悬浮于轨道上，减 少了摩擦和阻力，实现了高速运行。
应用情况
上海磁悬浮列车连接了浦东国际机场和龙阳路地 铁站，为旅客提供了便捷的出行选择。
日本新干线
案例介绍
日本新干线是全球第一条高速铁路，具有高速度、高安全、高舒适 的特点。
起源
起源于20世纪初，但直到最近几十年才得到广 泛应用。
应用阶段
20世纪末至21世纪初，多个城市开始建设直线 电机轨道交通系统。
ABCD
初期探索
20世纪初，人们开始探索直线电机技术。
未来展望
随着技术的进步和环保需求的增加，直线电机轨 道交通有望在未来得到更广泛的应用。
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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。
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。
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，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。
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。
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。