摘要：直線電機已開始在磁懸浮鐵路、城市軌道交通中應用。介紹了直線電機的分類、3種典型的磁懸浮鐵路和直線電機驅動的輪軌交通，對上述交通方式的技術經濟特徵進行了對比，總結了上述交通方式的適用範圍。
關鍵詞：直線電機;磁懸浮;城市軌道交通;適用範圍
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。特別是上個世紀中葉以來，隨着科技的進步，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。牽引方式歷經蒸汽牽引、內燃牽引、電力牽引等階段，目前在世界範圍內又發展出直線電機牽引的交通方式，包括磁懸浮鐵路、直線電機輪軌交通、磁懸浮飛機等。該交通方式目前正在迅速發展，將來會成爲本世紀的主要交通方式之一。
本文介紹以直線電機作爲牽引方式的新型客運交通方式，主要包括技術原理和技術經濟分析，最後對我國發展軌道交通系統提出發展建議。
2. 直線電機及分類
2.1 直線電機原理
傳統的輪軌接觸式鐵路，車輛所獲得的牽引力(或稱驅動力)、導向力和支承力均依靠輪軌相互作用獲得，電傳動內燃機車或電力機車的牽引動力來自於傳統的旋轉電機。直線電機交通系統不使用傳統的旋轉電機而使用直線電機(liner motor)來獲得牽引動力。可以想象將傳統的旋轉電機從轉子中心向一側切開並且展直，這樣旋轉電機則變爲直線電機。或者認爲直線電機是半徑無限大的旋轉電機。這時定子中的旋轉磁場將變爲直線移動磁場，車輛將隨着直線電機磁場的移動而向前運動。
2.2直線電機分類
直線電機可以根據磁場是否同步、定子長度及驅動方式等因素進行分類。
2.2.1 按直線電機定子長度劃分
根據定子長度的不同，直線電機可以劃分爲長定子直線電機和短定子直線電機。
長定子直線電機的定子(初級線圈)設定在導軌上，其定子繞組可以在導軌上無限長地鋪設，故稱爲“長定子”。長定子直線電機通常用在高速及超高速磁懸浮鐵路中，應用在長大幹線及城際鐵路領域。
短定子直線電機的定子設定在車輛上。由於其長度受列車長度的限制，故稱爲“短定子”。短定子直線電機通常用在中低速磁懸浮鐵路及直線電機輪軌交通中，用在城市軌道交通領域。
2.2.2 按直線電機的磁場是否同步劃分
導軌磁場與車輛磁場可以同步執行，也可以不同步執行。據此可以將直線電機劃分爲直線同步電機和直線感應電機兩大類型。
直線同步電機LSM(Liner Synchronous Motor)一般採用長定子技術，定子線圈(初級線圈)安裝在導軌上，而轉子線圈(次級線圈)安裝在車輛上。導軌上的轉子磁場與車輛上的定子磁場同步執行，控制定子磁場的移動速度就可以準確控制列車的執行速度。高速、超高速磁懸浮鐵路一般使用該種長定子直線同步電機。德國的運捷TR和日本的MLX系統均使用這種直線同步電機。其原理見圖1。
圖1 長定子直線同步電機原理圖
直線感應電機LIM(Liner Induction Motor) 一般採用短定子技術，與LSM正好相反，定子線圈(初級線圈)安裝在車輛上，而轉子部分則安裝在導軌上。轉子磁場與定子磁場不同步執行，故也稱爲直線異步電機。中低速磁懸浮鐵路(如HSST)及直線電機輪軌交通一般使用該種電機。其原理見圖2。
圖2. 短定子直線感應電機原理圖
2.2.3 按驅動方式劃分
列車的執行工況(牽引、惰行、制動)及執行速度完全由定子繞組中的移動磁場控制。按照直線電機的初級線圈(定子線圈)的安設位置不同，直線電機牽引的軌道交通可以劃分爲導軌驅動和車輛驅動兩種類型。
導軌驅動也稱爲路軌驅動或地面驅動，採用長定子直線同步電機LSM。直線電機的初級線圈(定子線圈)設定在導軌上，採用長定子同步驅動技術。其列車的執行工況及執行速度由地面控制中心控制，列車司機不能直接控制。導軌驅動技術一般用於長大幹線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技術。
列車驅動技術採用短定子直線感應電機LIM。直線電機的初級線圈(定子線圈)設定在車輛上，其列車的執行工況及執行速度由列車司機控制，故稱爲列車驅動。列車驅動技術一般用於城市軌道交通，用於中低速磁懸浮鐵路(如HSST)及輪軌直線電機鐵路。
3.直線電機交通模式
直線電機交通主要包括磁懸浮鐵路和直線電機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系統採用了長定子直線同步電機(LSM)驅動，懸浮和導向採用電磁懸浮EMS原理，利用在車體底部的可控懸浮電磁鐵和安裝在導軌底面的鐵磁反應軌(定子部件)之間的吸引力使列車浮起，導向磁鐵從側面使車輛與軌道保持一定的側向距離，保持執行軌跡(圖3)。高度可靠的電磁控制系統保證列車與軌道之間的平均懸浮間隙保持在10mm，兩邊橫向氣隙均爲8～10mm。
3.2 日本超導磁懸浮MLX系統
日本超導磁懸浮MLX系統採用了長定子直線同步電機(LSM)驅動，見圖4。在導軌側壁安裝有懸浮及導向繞組。當車輛高速透過時，車輛上的超導磁場會在導軌側壁的懸浮繞組中產生感應電流和感應磁場，控制每組懸浮繞組上側的磁場極性與車輛超導磁場的極性相反從而產生引力、下側極性與超導磁場極性相同產生斥力，使得車輛懸浮起來，懸浮高度爲100mm。如果車輛在平面上遠離了導軌的中心位置，系統會自動在導軌每側的懸浮繞組中產生磁場，並且使得偏離側的地面磁場與車體的超導磁場產生吸引力，靠近側的地面磁場與車體磁場產生排斥力，從而保持車體不偏離導軌的.中心位置(如圖5所示)。2002年6月在山梨試驗線新投入試驗執行的MLX01-901試驗車見圖6，該試驗車最近創造了580km/h的列車最高試驗速度。
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爲代表，主要應用於速度較低的城市軌道交通和機場鐵路。日本HSST爲地面交通系統，採用列車驅動方式，電機爲短定子直線感應電機(LIM)。電機的初級線圈(定子)安裝在車輛上，轉子(或稱次級線圈)沿列車前進方向展開設定在軌道上，見圖2。在懸浮原理方面，HSST系統與德國TR相似，不同之處在於HSST系統將導向力與懸浮力合二爲一。我國的磁懸浮鐵路研究目前大都側重於中低速範圍，並且大都參照HSST技術研製。將來用於名古屋東部丘陵線的車輛及軌道見圖7。
圖7. HSST車輛及軌道
3.4 直線電機輪軌交通系統
如前所述，磁懸浮鐵路與傳統輪軌鐵路在驅動、支承(懸浮)和導向三方面的原理和所採用技術完全不同。在軌道交通體系中，直線電機輪軌交通系統是一種新型的介於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、導向作用，這與傳統輪軌系統相似。但在牽引方面卻採用了短定子列車驅動直線感應電機(LIM)驅動，工作原理與HSST系統直線電機原理基本相同(見圖2)。當初級線圈通以三相交流電時，由於感應而產生電磁力，直接驅動車輛前進，改變磁場移動方向，車輛運動的方向也隨之改變。車輛平穩執行時，定子與感應軌之間的間隙一般保持在10mm左右。該系統原理見圖8，車輛見圖9。
迄今爲止，該系統已經在4個國家的9個城市建成，總里程已超過180km。見表1。
表1 直線電機輪軌交通系統應用情況統計表
另外日本福岡地鐵3號線將於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號線已決定採用該系統，首都機場線也在研究採用該系統。
4. 技術經濟比較
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系統的主要技術性能方面的比較見表2。
表2 德日磁浮系統主要技術特點比較
綜合對比分析日本電動懸浮MLX與德國電磁懸浮TR系統在技術、經濟、環境三方面的性能，可以得出如下結論。
1、MLX系統造價高、超導技術難度大;TR系統造價相對較低，雖然控制系統複雜、精確，但技術相對成熟，大部分零部件具有通用性，市場供應方便。
2、MLX系統車輛懸浮氣隙較大，對軌面平整度要求較低、抗震性能好、速度快並且還有進一步提高速度的可能性，它還具有低速時不能懸浮的特點，因此更適合於大運量、長距離、更高速度的客運。
3、從經濟和效率來看，在450km/h以上速度執行時，日本MLX系統優於德國TR系統;在300—450km/h的速度範圍內執行時，TR系統比較優越;300km/h以下速度時，採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，高速鐵路發展迅猛，高速列車試驗速度已經達到515.3km/h，實際運營速度也達到250～300km/h。表3列出了磁浮鐵路和輪軌高速鐵路的主要技術指標。
表3 磁浮鐵路和輪軌高速鐵路主要技術指標
透過上表分析可以認爲：磁浮高速鐵路和輪軌高速鐵路各自有突出的優點和適用範圍，任何非此即彼的看法都是不科學的。在高速的速度範圍內(200~350km/h)，地面軌道交通應以高速鐵路爲主體;在需要350～600km/h超高速特定條件下，磁浮高速鐵路優於輪軌高速鐵路。
長大幹線、複雜地形條件下修建磁浮鐵路具有一定優勢，在短途客運方面、地形平坦條件下高速磁浮系統並無太大優越性。
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電機交通系統包括中低速磁浮系統(HSST)和直線電機輪軌交通系統，爲了便於比較，表4中也列出了傳統軌道交通(地鐵、輕軌)的綜合技術經濟指標。
表4 城市軌道交通系統綜合技術指標
透過上表分析可以認爲：城市軌道交通(包括市中心到機場之間的鐵路)距離較短，一般爲十幾千米至幾十千米，沿途需要停靠的車站比較密集。目前國內城市(包括機場內)軌道交通主要以地鐵爲主，但是由於工程造價、環境等諸多原因，延緩了地鐵的發展速度;中低速磁懸浮技術先進，但工程費用和運營費用較高，且目前尚無商業運營經驗，存在風險;直線電機輪軌交通技術先進，系統成熟、安全可靠、工程造價低、運營費用低、環保性能好，適合市內和市郊的中等運量運輸，值得大力發展。
4. 結論和建議
透過如上分析，對我國發展軌道交通系統提出如下建議：
1、在超高速鐵路速度範圍內(350~550km/h)應重點發展磁懸浮鐵路。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技術的應用速度範圍比較寬，從300km/h到450km/h，日本的ML技術在更高的速度範圍(400k/h到550km/h)內更具有優勢。
2、在高速鐵路(200~350km/h)範圍內應重點發展輪軌高速鐵路。我國即將構建快速客運專線網，高速輪軌技術具有廣闊的發展前景。在此速度範圍內也可考慮發展高速磁懸浮鐵路(MLX或TR系統)。
3、高速鐵路在未來的一段時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展也是不可阻擋的。他們的應用速度範圍各不相同，無法相互替代，應該共同發展、共同繁榮。
4、在中速(120~200km/h)範圍內應重點發展傳統輪軌鐵路。在該速度範圍內，目前還沒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)範圍內有較多的技術可供選擇。在鐵路範圍內主要採用傳統輪軌鐵路技術，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、直線電機輪軌交通等方式可供選擇，選擇何種交通方式應在進行技術經濟比較後確定。
6、我國的磁懸浮技術及研究大都屬於中低速磁懸浮技術的範疇，但目前還達不到實用化程度。故在未來的一段時間內，我國在中低速磁浮系統方面應重點進行研究開發工作，以便將來發展爲城市軌道交通的補充方式。
7、直線電機輪軌交通系統具有技術先進、安全可靠、經濟合理、綠色環保、易於實現等優勢，故今後我國城市軌道交通領域應大力發展該種制式。
8、磁懸浮鐵路、輪軌鐵路、直線電機輪軌交通技術特點不同，應用領域也不同，他們各有優勢，無法相互替代。應鼓勵發展多種交通方式，構築配置合理、豐富多彩的軌道交通體系。而採用何種交通方式主要根據速度目標值確定，當然也要結合線路長度、地形條件、社會經濟條件等多種因素選擇。
9、在直線電機牽引的超高速磁懸浮鐵路、中低速磁懸浮鐵路和直線電機輪軌交通系統中，發展原則應該是發展兩頭、帶動中間。目前應重點發展直線電機輪軌交通系統。
參考文獻
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