直線電機(jī)交通模式及技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性
魏慶朝，馮雅薇（北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院翃北京 100044）
施翃翃（北京城建設(shè)計(jì)研究總院 北京 100037)

摘要：直線電機(jī)已開(kāi)始在磁懸浮鐵路、城市軌道交通中應(yīng)用。介紹了直線電機(jī)的分類、3種典型的磁懸浮鐵路和直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輪軌交通，對(duì)上述交通方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特征進(jìn)行了對(duì)比，總結(jié)了上述交通方式的適用范圍。
關(guān)鍵詞：直線電機(jī)；磁懸浮；城市軌道交通；適用范圍

The Modes and features of the Transit Systems Driven by Linear Motor
WEI Qingchao1, FENG Yawei1, SHI Hong1,2
(1.School of Civil Engineering and Architecture, Beijing Jiaotong University
2. Beijing Urban Engineering Design & Research Institute.)

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(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 Synchronous 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系統(tǒng)；在300—450km/h的速度范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，TR系統(tǒng)比較優(yōu)越；300km/h以下速度時(shí)，采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(lái)，高速鐵路發(fā)展迅猛，高速列車試驗(yàn)速度已經(jīng)達(dá)到515.3km/h，實(shí)際運(yùn)營(yíng)速度也達(dá)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(shù)指標(biāo)。
表3 磁浮鐵路和輪軌高速鐵路主要技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)上表分析可以認(rèn)為：磁浮高速鐵路和輪軌高速鐵路各自有突出的優(yōu)點(diǎn)和適用范圍，任何非此即彼的看法都是不科學(xué)的。在高速的速度范圍內(nèi)(200~350km/h)，地面軌道交通應(yīng)以高速鐵路為主體；在需要350～600km/h超高速特定條件下，磁浮高速鐵路優(yōu)于輪軌高速鐵路。
長(zhǎng)大干線、復(fù)雜地形條件下修建磁浮鐵路具有一定優(yōu)勢(shì)，在短途客運(yùn)方面、地形平坦條件下高速磁浮系統(tǒng)并無(wú)太大優(yōu)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(jī)交通系統(tǒng)包括中低速磁浮系統(tǒng)（HSST）和直線電機(jī)輪軌交通系統(tǒng)，為了便于比較，表4中也列出了傳統(tǒng)軌道交通（地鐵、輕軌）的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。
表4 城市軌道交通系統(tǒng)綜合技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)上表分析可以認(rèn)為：城市軌道交通（包括市中心到機(jī)場(chǎng)之間的鐵路）距離較短，一般為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(guó)內(nèi)城市（包括機(jī)場(chǎng)內(nèi)）軌道交通主要以地鐵為主，但是由于工程造價(jià)、環(huán)境等諸多原因，延緩了地鐵的發(fā)展速度；中低速磁懸浮技術(shù)先進(jìn)，但工程費(fèi)用和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用較高，且目前尚無(wú)商業(yè)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，存在風(fēng)險(xiǎn)；直線電機(jī)輪軌交通技術(shù)先進(jìn)，系統(tǒng)成熟、安全可靠、工程造價(jià)低、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低、環(huán)保性能好，適合市內(nèi)和市郊的中等運(yùn)量運(yùn)輸，值得大力發(fā)展。

4. 結(jié)論和建議
通過(guò)如上分析，對(duì)我國(guó)發(fā)展軌道交通系統(tǒng)提出如下建議：
1、在超高速鐵路速度范圍內(nèi)(350~550km/h)應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展磁懸浮鐵路。但選用MLX系統(tǒng)還是選用TR系統(tǒng)主要看對(duì)速度的要求，德國(guó)TR技術(shù)的應(yīng)用速度范圍比較寬，從300km/h到450km/h，日本的ML技術(shù)在更高的速度范圍(400k/h到550km/h)內(nèi)更具有優(yōu)勢(shì)。
2、在高速鐵路(200~350km/h)范圍內(nèi)應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展輪軌高速鐵路。我國(guó)即將構(gòu)建快速客運(yùn)專線網(wǎng)，高速輪軌技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。在此速度范圍內(nèi)也可考慮發(fā)展高速磁懸浮鐵路(MLX或TR系統(tǒng))。
3、高速鐵路在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)仍然是高速軌道交通的主要方式，但超高速磁懸浮的發(fā)展也是不可阻擋的。他們的應(yīng)用速度范圍各不相同，無(wú)法相互替代，應(yīng)該共同發(fā)展、共同繁榮。
4、在中速(120~200km/h)范圍內(nèi)應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展傳統(tǒng)輪軌鐵路。在該速度范圍內(nèi)，目前還沒(méi)有其他的軌道交通方式與中速鐵路形成競(jìng)爭(zhēng)力。
5、在低速(<120km/h)范圍內(nèi)有較多的技術(shù)可供選擇。在鐵路范圍內(nèi)主要采用傳統(tǒng)輪軌鐵路技術(shù)，在城市軌道交通中有傳統(tǒng)輪軌地鐵或輕軌、中低速磁懸浮系統(tǒng)、直線電機(jī)輪軌交通等方式可供選擇，選擇何種交通方式應(yīng)在進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。
6、我國(guó)的磁懸浮技術(shù)及研究大都屬于中低速磁懸浮技術(shù)的范疇，但目前還達(dá)不到實(shí)用化程度。故在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)在中低速磁浮系統(tǒng)方面應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)工作，以便將來(lái)發(fā)展為城市軌道交通的補(bǔ)充方式。
7、直線電機(jī)輪軌交通系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、綠色環(huán)保、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)，故今后我國(guó)城市軌道交通領(lǐng)域應(yīng)大力發(fā)展該種制式。
8、磁懸浮鐵路、輪軌鐵路、直線電機(jī)輪軌交通技術(shù)特點(diǎn)不同，應(yīng)用領(lǐng)域也不同，他們各有優(yōu)勢(shì)，無(wú)法相互替代。應(yīng)鼓勵(lì)發(fā)展多種交通方式，構(gòu)筑配置合理、豐富多彩的軌道交通體系。而采用何種交通方式主要根據(jù)速度目標(biāo)值確定，當(dāng)然也要結(jié)合線路長(zhǎng)度、地形條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件等多種因素選擇。
9、在直線電機(jī)牽引的超高速磁懸浮鐵路、中低速磁懸浮鐵路和直線電機(jī)輪軌交通系統(tǒng)中，發(fā)展原則應(yīng)該是發(fā)展兩頭、帶動(dòng)中間。目前應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展直線電機(jī)輪軌交通系統(tǒng)。

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