直線電機交通模式及技術經濟特性

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，隨著科技的進步，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，目前在世界范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，將來會成為本世紀的主要交通方式之一。
本文介紹以直線電機作為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，最后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于傳統的旋轉電機。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并且展直，這樣旋轉電機則變為直線電機。或者認為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為直線移動磁場，車輛將隨著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，直線電機可以劃分為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）設置在導軌上，其定子繞組可以在導軌上無限長地鋪設，故稱為“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，應用在長大干線及城際鐵路領域。
短定子直線電機的定子設置在車輛上。由于其長度受列車長度的限制，故稱為“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運行，也可以不同步運行。據此可以將直線電機劃分為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 Synch ronous Motor)一般采用長定子技術，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運行，控制定子磁場的移動速度就可以準確控制列車的運行速度。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) 一般采用短定子技術，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運行，故也稱為直線異步電機。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
列車的運行工況（牽引、惰行、制動）及運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為導軌驅動和車輛驅動兩種類型。
導軌驅動也稱為路軌驅動或地面驅動，采用長定子直線同步電機LSM。直線電機的初級線圈（定子線圈）設置在導軌上，采用長定子同步驅動技術。其列車的運行工況及運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于長大干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。
列車驅動技術采用短定子直線感應電機LIM。直線電機的初級線圈（定子線圈）設置在車輛上，其列車的運行工況及運行速度由列車司機控制，故稱為列車驅動。列車驅動技術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系統采用了長定子直線同步電機（LSM）驅動，懸浮和導向采用電磁懸浮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，保持運行軌跡（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，兩邊橫向氣隙均為8～10mm。

3.2 日本超導磁懸浮MLX系統
日本超導磁懸浮MLX系統采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。當車輛高速通過時，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，懸浮高度為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，并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運行的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為代表，主要應用于速度較低的城市軌道交通和機場鐵路。日本HSST為地面交通系統，采用列車驅動方式，電機為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置在軌道上，見圖2。在懸浮原理方面，HSST系統與德國TR相似，不同之處在于HSST系統將導向力與懸浮力合二為一。我國的磁懸浮鐵路研究目前大都側重于中低速范圍，并且大都參照HSST技術研制。將來用于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采用技術完全不同。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、導向作用，這與傳統輪軌系統相似。但在牽引方面卻采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，由于感應而產生電磁力，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。車輛平穩運行時，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。

迄今為止，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號線將于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號線已決定采用該系統，首都機場線也在研究采用該系統。
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，雖然控制系統復雜、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、速度快并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，因此更適合于大運量、長距離、更高速度的客運。
3、從經濟和效率來看，在450km/h以上速度運行時，日本MLX系統優于德國TR