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论线性电机车辆的特点及车辆段设计值得注意的问题

关键词： 线性电机    车辆段    设计    注意问题                                          

                                       

论线性电机车辆的特点及车辆段设计值得注意的问题

叶芹禄

（铁道第四勘察设计院设备处，wuhan，china）

摘要：

关键词：线性电机 车辆段 设计 注意问题

传统的轮轨式轨道交通车辆，如地铁（LMT）、轻轨（LRT）等，是由旋转电机驱动的。电机的电磁力矩通过轮轴、齿轮箱、联轴节等传递到车轮，再经过车轮与钢轨之间的“粘着”现象转化为驱动力。车辆的牵引力不仅受粘着条件的限制，使牵引电机的牵引功率难以充分发挥，影响车辆的爬坡能力和加速性能，而且容易出现打滑和空转现象，使轮轨磨耗和维护工作量增加。另外，由于旋转电机的驱动力是通过若干个轮轨踏面局部作用在轨道上，因此，这种牵引力或电气制动力对线路造成的冲击力也较大，动轮的传动噪声大。最突出的特点是，旋转电机要占用较大的车底空间，使得车辆相对较高，若线路采用地下敷设形式，则其土建工程投资往往较大。

图1    线性电机车辆

通常，应用在城市轨道交通车辆中的线性电机由线性感应马达 (LIM，linear induction motor)驱动，在本质上与旋转电机没有区别，都属于异步电动机一类，车辆的支撑和导向与传统的旋转式电机轨道交通车辆一样有赖于轮对和轨道。右图1，为加拿大skytrain线路运营的线性电机车辆。

形象地说，线性电机就是将其定子和转子沿轴线方向展开，使电机的回转运动变为直线运动，如图2，可以帮助大家直观地理解。但是，线性电机又因定子与转子装设位置之不同而有线性感应马达 (LIM) 与线性同步马达 (LSM，linear synchronization motor) 之分。

图2    线性感应马达原理图

线性感应马达是在导轨上安装反应板(以铝板当转子)，而在列车上装设靠三相交流电力励磁的移动用电磁石 (作为定子)，分左右两排夹装在铝板两旁 (但不接触)，磁力线与铝板垂直相交，铝板即感应而生电流，因而产生驱动力。由于线性感应马达的定子装在列车上，较导轨短，因此线性感应马达又称为“短定子线性马达”(Short-stator Motor)。

线性同步马达的原理则是将超导电磁石装于列车上 (当作转子)，轨道上则装有三相电枢线圈 (作为定子)，当轨道上的线圈供应以可变周波数的三相交流电时，即能驱动车辆。由于车辆移动的速度系依与三相交流电周波数成比例的同步速度移动，故称为线性同步马达。由于线性同步马达的定子装于轨道上，与轨道同长，故线性同步马达又称为“长定子线性马达”(Long-stator Motor)，而它属于“磁悬浮”的应用，此处不再述及。

广州市轨道交通四号线采用“LIM运载系统”。四号线线性电机车辆的承包商为日本川崎重工业株式会社与我国四方轨道交通车辆股份公司的联合体，已经于2004年签订制造、服务合同，线性电机车辆在国内的应用尚属首次。系统供电制式为DC 1500V，车辆在正线运行采用受电弓受电的方式，但是，为了车辆段内作业和管理的安全，车辆在车辆段内运行将采用三轨受电的方式。图3为线性电机车辆断面示意图。

图3    线性电机车辆断面图

线性电机车辆与传统轨道交通车辆在原理上的区别在于：将线性电机的初级绕组（即定子）安装在转向架上，次级 绕组（即转子，也叫“感应板”）安装于线路中央的轨枕上。原理上，线性电机车辆的运行不再依赖于和受制于轮轨间的“粘着”，也不再需要齿轮箱、联轴节等机械传动部件，减小轴重，也较大幅度降低对车下安装空间的需

图4    气隙示意图

求；由于设计上不受传动比的限制，不再需要考虑电机的选型以及轮径、最高运行速度、动力性能之间的关系，因此，可以采用小轮径轮对，以降低车辆高度和断面尺寸，降低车辆重心，从而降低盾构区间的土建投资。从图3可以看出，电机和感应板之间存在间隙（称“气隙”），从改善电机性能和节约能耗角度，气隙越小越好；但是，从轨道、路基的施工工艺技术水平以及所需的投资角度，气隙越大越好，在实际应用中常视不同情况采用6～14mm。在实际应用中，制造商通常会依据设计对气隙做出严格 的要求，如图4所示。

图6   转向架

图5   电机

线性电机车辆，其电机实际上已经仅仅是“初级绕组”(如图5所示),它通过特殊的悬挂装置吊装于转向架上（如图6所示），在日常运用过程中，可以很容易地通过调整悬吊装置中的螺栓达到调整电机和感应板之间的气隙，以满足技术要求中规定的气隙值。由于LIM驱动的地铁车辆轮对只起支撑和导向作用，因此方便采用径向自导向转向架，更有利于通过曲线，同时也使得转向架的设计自由度增大，结构上相对简单。

综上所述，LIM运载系统的主要优点可以概括为：

Ø         运营不受天气条件影响。

Ø         土建工程投资降低。

Ø         电机基本免维护，运用维护成本降低。

Ø         爬坡能力强，起动性能好，曲线通过能力强，因此：选线工作更容易、高架与地下线路间过渡更容易，尤其对车辆段出入段线跨越正线等复杂情况更容易处理。

Ø         轴重降低，减少了噪声、也减少了轮对踏面磨耗。

Ø         采用径向自导向转向架，曲线通过能力强，有利于降低轮对偏磨耗。

线性电机车辆段的设计与常规车辆段设计主要区别？

答：首先，我们在近年来与川崎重工业株式会社车辆本部以及伊藤忠商事常有技术交往，对线性电机车辆的结构特性和检修工艺也有较多的研究。车辆段的运用检修工艺及站场布置和线路的设计，与线路所采用的车辆制式紧密相关,在设计中有如下具体区别：

1. 为了安全，车辆段内牵引供电需要从三轨方式切换为接触网方式，设计时需要注意切换的地点。

2. 车辆段内轨道需要铺设置感应板。因此，需要设置检查坑的线路. 轨道需要结合感应板的设置要求，进行特殊设计。从电机在转向架上悬挂结构可以看到，调整气隙工作虽然容易，但是仍然需要配备必要的顶升设备。

3. 因为线性电机具有通过曲线能力和爬坡能力强的特点，出入段线可采用大坡度（限制坡度55‰），同时站场布置可采用5号道岔，从而使得整个站场布置更加紧凑，占地更小。

4. 线性电机车辆，其高度和地板高度比常规车辆小，检查库的多层作业平台的高度相应降低，以符合使用要求。

5. 转向架采用了径向转向架，因此，转向架检修车间工艺应区别于常规地铁车辆段，包括检查. 检测. 试验设备的选择军需要结合线性转向架的结构特点. 修理工艺进行；线性电机基本免维护，相应的检修车间设计无论工艺. 设备. 车间房屋面积均与常规地铁车辆段的设计有所不同。

6. 因为线性电机与感应板间的间隙要求较高，需配备车辆轮对自动检测装置和间隙检测调整装置，以便动态掌握车辆的技术状态，更好的为运营服务。

7. 线性电机车辆具有完善的故障自诊断系统，有扩大检查范围，缩小修理范围的趋势，为了提高生产效率，提高服务运营质量，设计中应根据车辆段的功能定位，以换件修为主，增加备品备件的储备量。

对平过道和库内检查坑的感应板如何处理？

答：从工艺要求说，运用库、检查库都需要挂接触网，因此，需要在库前. 库内设置感应板。但是，如何设置感应板却牵涉两方面问题：一是，需要保证车辆牵引特性需要，而是需要满足方便检修的要求，而这两者又是矛盾的。也就需要在设计中处理好专业接口的问题。

从物理上的技术接口来说，感应板安装在轨道上，主要技术要求应由轨道专业最终确定。具体的安装要求还需要和厂商. 轨道专业进行协商，最后由轨道专业提出具体要求。

 

【作者: 孤高True-Man】【访问统计:】【2005年12月13日 星期二 22:06】【 加入博采】【打印】