直線電機(jī)交通模式及技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性

1、引言
從1825年世界第一條鐵路出現(xiàn)算起，軌道交通已有近180年的歷史。特別是上個(gè)世紀(jì)中葉以來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，軌道交通運(yùn)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。快速軌道交通有地鐵、輕軌、單軌等多種方式。牽引方式歷經(jīng)蒸汽牽引、內(nèi)燃牽引、電力牽引等階段，目前在世界范圍內(nèi)又發(fā)展出直線電機(jī)牽引的交通方式，包括磁懸浮鐵路、直線電機(jī)輪軌交通、磁懸浮飛機(jī)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(jì)的主要交通方式之一。
本文介紹以直線電機(jī)作為牽引方式的新型客運(yùn)交通方式，主要包括技術(shù)原理和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，最后對(duì)我國(guó)發(fā)展軌道交通系統(tǒng)提出發(fā)展建議。
2. 直線電機(jī)及分類
2.1 直線電機(jī)原理
傳統(tǒng)的輪軌接觸式鐵路，車輛所獲得的牽引力（或稱驅(qū)動(dòng)力）、導(dǎo)向力和支承力均依靠輪軌相互作用獲得，電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車或電力機(jī)車的牽引動(dòng)力來(lái)自于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。直線電機(jī)交通系統(tǒng)不使用傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)而使用直線電機(jī)(liner motor)來(lái)獲得牽引動(dòng)力。可以想象將傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)從轉(zhuǎn)子中心向一側(cè)切開(kāi)并且展直，這樣旋轉(zhuǎn)電機(jī)則變?yōu)橹本€電機(jī)。或者認(rèn)為直線電機(jī)是半徑無(wú)限大的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。這時(shí)定子中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將變?yōu)橹本€移動(dòng)磁場(chǎng)，車輛將隨著直線電機(jī)磁場(chǎng)的移動(dòng)而向前運(yùn)動(dòng)。
2.2直線電機(jī)分類
直線電機(jī)可以根據(jù)磁場(chǎng)是否同步、定子長(zhǎng)度及驅(qū)動(dòng)方式等因素進(jìn)行分類。
2.2.1 按直線電機(jī)定子長(zhǎng)度劃分
根據(jù)定子長(zhǎng)度的不同，直線電機(jī)可以劃分為長(zhǎng)定子直線電機(jī)和短定子直線電機(jī)。
長(zhǎng)定子直線電機(jī)的定子（初級(jí)線圈）設(shè)置在導(dǎo)軌上，其定子繞組可以在導(dǎo)軌上無(wú)限長(zhǎng)地鋪設(shè)，故稱為“長(zhǎng)定子”。長(zhǎng)定子直線電機(jī)通常用在高速及超高速磁懸浮鐵路中，應(yīng)用在長(zhǎng)大干線及城際鐵路領(lǐng)域。
短定子直線電機(jī)的定子設(shè)置在車輛上。由于其長(zhǎng)度受列車長(zhǎng)度的限制，故稱為“短定子”。短定子直線電機(jī)通常用在中低速磁懸浮鐵路及直線電機(jī)輪軌交通中，用在城市軌道交通領(lǐng)域。
2.2.2 按直線電機(jī)的磁場(chǎng)是否同步劃分
導(dǎo)軌磁場(chǎng)與車輛磁場(chǎng)可以同步運(yùn)行，也可以不同步運(yùn)行。據(jù)此可以將直線電機(jī)劃分為直線同步電機(jī)和直線感應(yīng)電機(jī)兩大類型。
直線同步電機(jī)LSM(Liner Synch ronous Motor)一般采用長(zhǎng)定子技術(shù)，定子線圈（初級(jí)線圈）安裝在導(dǎo)軌上，而轉(zhuǎn)子線圈（次級(jí)線圈）安裝在車輛上。導(dǎo)軌上的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與車輛上的定子磁場(chǎng)同步運(yùn)行，控制定子磁場(chǎng)的移動(dòng)速度就可以準(zhǔn)確控制列車的運(yùn)行速度。高速、超高速磁懸浮鐵路一般使用該種長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)。德國(guó)的運(yùn)捷TR和日本的MLX系統(tǒng)均使用這種直線同步電機(jī)。其原理見(jiàn)圖1。

圖1 長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)原理圖
直線感應(yīng)電機(jī)LIM(Liner Induction Motor) 一般采用短定子技術(shù)，與LSM正好相反，定子線圈（初級(jí)線圈）安裝在車輛上，而轉(zhuǎn)子部分則安裝在導(dǎo)軌上。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)不同步運(yùn)行，故也稱為直線異步電機(jī)。中低速磁懸浮鐵路（如HSST）及直線電機(jī)輪軌交通一般使用該種電機(jī)。其原理見(jiàn)圖2。

圖2. 短定子直線感應(yīng)電機(jī)原理圖

2.2.3 按驅(qū)動(dòng)方式劃分
列車的運(yùn)行工況（牽引、惰行、制動(dòng)）及運(yùn)行速度完全由定子繞組中的移動(dòng)磁場(chǎng)控制。按照直線電機(jī)的初級(jí)線圈（定子線圈）的安設(shè)位置不同，直線電機(jī)牽引的軌道交通可以劃分為導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)和車輛驅(qū)動(dòng)兩種類型。
導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)也稱為路軌驅(qū)動(dòng)或地面驅(qū)動(dòng)，采用長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)LSM。直線電機(jī)的初級(jí)線圈（定子線圈）設(shè)置在導(dǎo)軌上，采用長(zhǎng)定子同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)。其列車的運(yùn)行工況及運(yùn)行速度由地面控制中心控制，列車司機(jī)不能直接控制。導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)技術(shù)一般用于長(zhǎng)大干線鐵路或城際軌道交通。德國(guó)的運(yùn)捷TR和日本的MLX系統(tǒng)均使用這種驅(qū)動(dòng)技術(shù)。
列車驅(qū)動(dòng)技術(shù)采用短定子直線感應(yīng)電機(jī)LIM。直線電機(jī)的初級(jí)線圈（定子線圈）設(shè)置在車輛上，其列車的運(yùn)行工況及運(yùn)行速度由列車司機(jī)控制，故稱為列車驅(qū)動(dòng)。列車驅(qū)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）及輪軌直線電機(jī)鐵路。
3.直線電機(jī)交通模式
直線電機(jī)交通主要包括磁懸浮鐵路和直線電機(jī)牽引的輪軌交通兩種類型。磁懸浮鐵路的典型模式包括日本的超導(dǎo)超高速磁懸浮MLX、德國(guó)的常導(dǎo)超高速磁懸浮“運(yùn)捷”TR和日本中低速磁懸浮HSST。
3.1 德國(guó)常導(dǎo)磁懸浮TR系統(tǒng)
德國(guó)常導(dǎo)磁懸浮TR系統(tǒng)采用了長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)（LSM）驅(qū)動(dòng)，懸浮和導(dǎo)向采用電磁懸浮EMS原理，利用在車體底部的可控懸浮電磁鐵和安裝在導(dǎo)軌底面的鐵磁反應(yīng)軌(定子部件)之間的吸引力使列車浮起，導(dǎo)向磁鐵從側(cè)面使車輛與軌道保持一定的側(cè)向距離，保持運(yùn)行軌跡（圖3）。高度可靠的電磁控制系統(tǒng)保證列車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(dǎo)磁懸浮MLX系統(tǒng)
日本超導(dǎo)磁懸浮MLX系統(tǒng)采用了長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)（LSM）驅(qū)動(dòng)，見(jiàn)圖4。在導(dǎo)軌側(cè)壁安裝有懸浮及導(dǎo)向繞組。當(dāng)車輛高速通過(guò)時(shí)，車輛上的超導(dǎo)磁場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)軌側(cè)壁的懸浮繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流和感應(yīng)磁場(chǎng)，控制每組懸浮繞組上側(cè)的磁場(chǎng)極性與車輛超導(dǎo)磁場(chǎng)的極性相反從而產(chǎn)生引力、下側(cè)極性與超導(dǎo)磁場(chǎng)極性相同產(chǎn)生斥力，使得車輛懸浮起來(lái)，懸浮高度為100mm。如果車輛在平面上遠(yuǎn)離了導(dǎo)軌的中心位置，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)在導(dǎo)軌每側(cè)的懸浮繞組中產(chǎn)生磁場(chǎng)，并且使得偏離側(cè)的地面磁場(chǎng)與車體的超導(dǎo)磁場(chǎng)產(chǎn)生吸引力，靠近側(cè)的地面磁場(chǎng)與車體磁場(chǎng)產(chǎn)生排斥力，從而保持車體不偏離導(dǎo)軌的中心位置（如圖5所示）。2002年6月在山梨試驗(yàn)線新投入試驗(yàn)運(yùn)行的MLX01-901試驗(yàn)車見(jiàn)圖6，該試驗(yàn)車最近創(chuàng)造了580km/h的列車最高試驗(yàn)速度。

3.3 日本中低速磁懸浮HSST系統(tǒng)
中低速磁懸浮系統(tǒng)以日本的HSST為代表，主要應(yīng)用于速度較低的城市軌道交通和機(jī)場(chǎng)鐵路。日本HSST為地面交通系統(tǒng)，采用列車驅(qū)動(dòng)方式，電機(jī)為短定子直線感應(yīng)電機(jī)（LIM）。電機(jī)的初級(jí)線圈（定子）安裝在車輛上，轉(zhuǎn)子（或稱次級(jí)線圈）沿列車前進(jìn)方向展開(kāi)設(shè)置在軌道上，見(jiàn)圖2。在懸浮原理方面，HSST系統(tǒng)與德國(guó)TR相似，不同之處在于HSST系統(tǒng)將導(dǎo)向力與懸浮力合二為一。我國(guó)的磁懸浮鐵路研究目前大都側(cè)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的車輛及軌道見(jiàn)圖7。

圖7. HSST車輛及軌道
3.4 直線電機(jī)輪軌交通系統(tǒng)
如前所述，磁懸浮鐵路與傳統(tǒng)輪軌鐵路在驅(qū)動(dòng)、支承（懸浮）和導(dǎo)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，直線電機(jī)輪軌交通系統(tǒng)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輪起支承、導(dǎo)向作用，這與傳統(tǒng)輪軌系統(tǒng)相似。但在牽引方面卻采用了短定子列車驅(qū)動(dòng)直線感應(yīng)電機(jī)（LIM）驅(qū)動(dòng)，工作原理與HSST系統(tǒng)直線電機(jī)原理基本相同（見(jiàn)圖2）。當(dāng)初級(jí)線圈通以三相交流電時(shí)，由于感應(yīng)而產(chǎn)生電磁力，直接驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)，改變磁場(chǎng)移動(dòng)方向，車輛運(yùn)動(dòng)的方向也隨之改變。車輛平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，定子與感應(yīng)軌之間的間隙一般保持在10mm左右。該系統(tǒng)原理見(jiàn)圖8，車輛見(jiàn)圖9。

迄今為止，該系統(tǒng)已經(jīng)在4個(gè)國(guó)家的9個(gè)城市建成，總里程已超過(guò)180km。見(jiàn)表1。
表1 直線電機(jī)輪軌交通系統(tǒng)應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)表

另外日本福岡地鐵3號(hào)線將于2006建成，韓國(guó)、美國(guó)華盛頓、法國(guó)巴黎等國(guó)家和城市有可能建設(shè)，我國(guó)廣州地鐵4、5號(hào)線已決定采用該系統(tǒng)，首都機(jī)場(chǎng)線也在研究采用該系統(tǒng)。
4. 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較
4.1 德、日高速磁浮鐵路比較
德國(guó)常導(dǎo)超高速磁懸浮鐵路TR與日本超導(dǎo)超高速磁懸浮鐵路MLX系統(tǒng)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(tǒng)主要技術(shù)特點(diǎn)比較

綜合對(duì)比分析日本電動(dòng)懸浮MLX與德國(guó)電磁懸浮TR系統(tǒng)在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境三方面的性能，可以得出如下結(jié)論。
1、MLX系統(tǒng)造價(jià)高、超導(dǎo)技術(shù)難度大；TR系統(tǒng)造價(jià)相對(duì)較低，雖然控制系統(tǒng)復(fù)雜、精確，但技術(shù)相對(duì)成熟，大部分零部件具有通用性，市場(chǎng)供應(yīng)方便。
2、MLX系統(tǒng)車輛懸浮氣隙較大，對(duì)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(yùn)量、長(zhǎng)距離、更高速度的客運(yùn)。
3、從經(jīng)濟(jì)和效率來(lái)看，在450km/h以上速度運(yùn)行時(shí)，日本MLX系統(tǒng)優(yōu)于德國(guó)TR