直线电机在轨道交通中的应用与关键技术综述

摘要：随着我国城市之间、城镇之间互相促进和依存的关系不断加强，以及城市核心区域迅速扩张与发展，加强各地域快速、安全、舒适的互联互通越来越重要，对我国干线轨道交通和城市轨道交通领域提出了新要求。直线电机由于具有非黏着驱动、结构简单与性能可靠等特点，是高速磁悬浮列车和新型非黏着城轨车辆的核心装备。在轨道交通的背景下，以直线电机为对象，阐述了直线电机在轨道交通中应用的优势及其经济性以及关键技术。

关键词：城市轨道交通;直线电机;应用

传统的高速动车组内端门驱动装置动力源为永磁同步直流电机，并通过同步轮、同步带、涡轮蜗杆减速器等装置，将旋转运动转化为门系统的直线运动。对于整个系统装置而言，体积较大，同步轮和同步带之间有磨损，传动有损耗。轨道交通作为缓解城市拥堵的有效手段，正逐步取代路面交通系统成为城市客运的主力，对城市规划和空间布局都有着重要影响，城市轨道交通在城市建设中已占据突出的位置。伴随着科技的发展，轨道交通运输方式的技术含量也在不断地提高和创新，采用直线电机技术的轨道交通系统在我国的应用又迈进了一步，目前直线电机轨道交通系统正在快速发展。

一、直线电机的种类

直线电机的分类方式有很多种，可根据其应用场合、结构型式、功能用途和工作原理进行分类。根据结构型式主要分为扁平型、圆筒型（或称之为管型、圆弧型和圆盘型。从功能用途角度主要分为力电机、功电机和能电机三种。力电机的主要特性是输出作用力大，应用在静止物体上或低速的设备上施加一定的推力，其运行特点是运行时间短、运行速度快，如阀门的开合关闭、门窗的左右移动和机械手的运动操作等。功电机的主要特性是能提供持续、稳定有效的功率，可长期连续运行，衡量其性能的指标与旋转电机基本相同，即效率、功率因数等，主要应用在高速磁悬浮列车、各种高速运行的输送线上等。能电机的主要特性是提供短时的大能量，即在短时间、短距离内提供巨大的直线运动能，典型的应用集中在军事领域，如导弹和鱼雷的发射、飞机的起飞以及冲击和碰撞等试验机的驱动等。按工作原理可分为直线电动机和直线驱动器。直线电动机又可划分为直线交流感应电动机、直线交流同步电动机、直线直流电动机、直线步进电动机和混合式直线电动机等。直线驱动器则包括直线振荡电机、直线电磁螺线管电机、直线电磁泵和直线超声波电动机等。

二、线电机在城市轨道交通中的应用

城市轨道交通采用以旋转电机驱动为代表的传统地铁主要依靠的是轮轨的作用力来传递牵引力的一种技术模式。城市轨道交通的另一种新的模式是鹿线电机驱动系统，是采用直线同步电动机，实质就是把直线电机的定子安装在车上，转子铺设在线路上，需要接触轨和变流器牵引驱动的一种技术模式。

1、传统地铁与直线电机地铁比较

直线电机地铁和传统地铁车辆技术的不同之处主要在于转向架、牵引和制动技术。

（1）车辆都采用自导式径向转向架，既简化了结构，又提高了车辆通过小半径曲线的能力。车辆可以在曲线半径很小的线路上平稳运行。

（2）直线电机地铁车辆采用直线感应电机（LIM）牵引。LIM由安装在转向架上的定子和沿轨道铺设在钢轨中间的感应板组成。LIM工作时不仅产生列车牵引所需的推力，还产生垂向力和侧向力，所以在选取LIM推力动作点时必须兼顾垂向力和侧向力对LIM支承装置的影响。

（3）直线电机地铁车辆常用制动时一般使用再生制动和反接制动两种电动方式，紧急制动时采用窄气制动加再生制动的方式，充分利用直线电机地铁车辆的非粘着制动特性。传统地铁车辆在常用制动和快速制动时，采用空气制动和电制动相配合：紧急制动一般采用空气制动。

2、直线电机地铁系统优势。相对于旋转电机牵引的传统轮轨地铁系统，直线电机地铁系统突出优势在于： （1）直线电机牵引属于非粘着驱动，不受轮轨之间的粘着限制，具有良好的爬坡能力。常规铁路的坡度一般不超过3%～4%，而直线电机地铁坡度可达6%～8%，在转入地下和爬升地面时显得相当灵活。（2）直线电机牵引无需减速齿轮等装置，转向架设计的自由度大，便于采用径向转向架，轮缘力和轮轨磨耗等性能指标也大大降低。车辆易于通过小半径曲线线路（能够通过的最小曲线半径为50m）。小半径曲线线路设计可缩短线路建设长度，同时也增加了线路设计的自由度。（3）隧道断面小。车轮只起车体的支撑作用，轮径较小，使车辆总高度降低，整个系统小型化，减少了行走区间的断面面积。

3、直线电机轨道交通的经济性和适用性。直线电机车体使用径向转向架，轮缘力和轮轨磨耗等性能指标大大降低。且轮对冲角比自导向转向架减少80%，比构架式转向架减少84%，导向效果明显。采用小半径曲线线路，一方面有利于城市轨道交通选线，另一方面可以在困难地段减少拆迁量，降低工程造价。与旋转电机相比，直线电机可以降低车辆地板面高度和减少整个车辆尺寸，又不影响车辆内部的空间，不会对旅客带来不便影响。某车辆宽度为2.8m，最宽处为2.9m，与B型车相当。以普通地铁隧道直径为5.8m，而直线电机地铁隧道直径为4.0m～4.3m，后者横截面面积仅为前者的一半。因此，后者隧道工程的开凿量可比前者减少1/3左右，意味着地铁的建设成本将大大下降。直线电机地铁非常适合小曲线、大坡度城市轨道交通的需要，特别适于对线位和站位选择困难、水文地质条件复杂和沿线有密集建筑物的城市，最适合于单向高峰小时客流量不超过3万～4万人需求的中大运量城市快速线路。但是，由于直线电机地铁牵引能耗比旋转电机要多耗20%～30%，成为制约直线电机轨道交通进一步普及的最大瓶颈。

在交通拥挤成为影响人们出行的主要问题的今天，地铁作为快捷、安全、舒适、大运量、低能耗、少污染的城市交通工具，受到了广大乘客的青睐，成为解决城市交通矛盾的有效手段。在交通运输业中可由直线电机驱动的磁悬浮列车、地铁等正在蓬勃发展。

参考文献：

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[2]曾辉，刘建强. 直线电机轨道交通牵引传动系统研究[D]. 北 京： 北京交通大学，2018： 26-40.