城市交通与新颖电机驱动技术的应用

叶云岳

(浙江大学，浙江杭州 310027)

0 引言

交通运输是国民经济的重要基础，随着社会与经济的不断发展，对交通运输不断提出新的要求。科学技术的迅速发展也为发展新的交通运输工具提供了条件，奠定了基础，从而进一步促进了交通运输业的发展。我国是一个人口众多的发展中国家，城市基础建设较为落后，交通还不是很发达，大中城市普遍存在道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱的现象，该现象已成为城市发展的“瓶颈”，也严重阻碍了国家发展的进程。随着我国城市规模和经济建设的飞速发展，城市化进程的逐步加快，城市人口在急剧增加，大量流动人口涌进城市，人员出行和物资交流频繁，交通需求急剧增长，城市交通供需矛盾日趋紧张。

随着汽车拥有量的快速增长，城市交通的堵塞问题严重制约了城市交通的快速发展。要解决城市交通的堵塞问题，目前认为主要有两条途径比较有效，那就是增加地铁线路和增加立体车库。本文就地铁建设和立体车库建设中所采用的一些新颖电机驱动技术的应用作一介绍。

1 直线电机驱动的地铁交通

发展以轨道交通为骨干，以常规公交为主体的公共交通体系，为城市居民提供安全、快速、舒适的交通环境，引导城市居民使用公共交通系统是国外大城市解决城市交通问题的成功经验，也是我国大城市解决交通问题的惟一途径。目前，全国有几十个百万以上人口的城市正在规划、筹建和在建地铁、轻轨等交通设施，力图依靠城市轨道交通来改善日益拥堵的交通状况。我国每年在地铁和轻轨方面投入数以千亿元。但是地铁建设费用和运营成本都较高，且噪声对周边环境的负面影响等都影响了地铁建设的进程。为了促进我国地铁建设事业持续发展，急需研发一种比目前传统地铁性能好、建设和运营成本低的新型环保的地铁系统。

我国城轨交通建设在工程、装备、技术诸方面不断推陈出新，引进、消化各种新的工程建造模式、各种新的装备和各种新的技术。其中由直线电机驱动的非磁浮城轨交通，由于技术成熟度高、造价低、结构简单、性能优异，在世界许多国家都得到了应用，近年来已成了一大热点。

1.1 直线电机地铁的优势

传统的地铁系统采用的是旋转感应电机驱动、经减速器等传动机构，靠轮轨粘着驱动前进的模式。该驱动方式使地铁工程存在建设费用高、振动噪声大、维护费用高等缺点。为了克服这些缺点，从20世纪80年代起，温哥华、纽约、东京、大阪、吉隆坡等城市先后采用了直线感应电机驱动的新型轨道交通模式，为地铁建设开辟了一条新的途径。直线感应电机驱动的新型轨道交通技术特点主要表现在以下几个方面:

(1)结构简单，车辆小型化，隧道面积大大减少，成本降低。

与传统地铁、轻轨一样，直线电机驱动的车辆、轨道也采用钢轮支撑，沿铁轨行驶。所不同的只是采用扁平状的直线异步电机替代旋转电机加齿轮减速器的驱动方法，直线异步电机初级(通电源部分)直接装在车轴上;与路面上的直线电机次级(感应部分)相互作用产生电磁力牵引车辆行驶，直接驱动，结构简单。

直线电机的结构型式为扁平式，电机的高度得到有效控制，在保证电机驱动力的条件下，可降低车辆的底盘，实现车辆的小型化。由此，可以缩小隧道断面，降低建设费用;或在相同隧道断面下，可扩大客舱容量，改善客舱性能，提高乘坐舒适度。直线电机地铁与普通地铁的截面图对照如图1所示。

图1 直线电机地铁与普通地铁的截面图对照

(2)转弯半径小，爬坡能力强，土建费用低。应用大坡道(60‰～80‰)、小曲率半径(Rmin=50 m)，普通地铁坡道最大为 35‰，最小曲率160 m，选线自由度大。

由于直线电机驱动方式的改变，车轮与轨道间运行属非粘着行走，在驱动力不变的前提下，可在比原来更陡的坡道上运行。陡坡技术的采用，不仅可加大路线的自由度，也能降低建设费用。此外，采用大坡度远行的地铁，设置的地铁站离地面很近，既节约了建设费用，又方便了乘客。

因不直接驱动车轮，所以可采用操舵式的机车，转弯半径小，急转弯时也可以平稳运行。另外，转弯半径小及利用急转弯技术还可缩短占地距离，节省占地费用。

由于以上优势，直线电机地铁比传统地铁造价低20%以上(大阪东京地铁的实际成绩)。

(3)噪声低，不打滑。由于直线电机驱动的地铁或轻轨是靠电磁力驱动，非粘着行走(不靠机械摩擦传动)，因此无电机旋转及齿轮啮合产生的噪声。直线电机驱动的地铁或轻轨的另一好处在于，列车运行受天气影响少，特别是在多雪地区，即使是大坡道也不打滑，能顺利运行。

(4)安全，舒适。直线电机地铁或轻轨由于采用扁平状直线电机作为牵引，降低了车辆重心，同时直线电机初级和次级间还存在一定的吸力，增加了系统的安全性，从而使其较传统地铁车辆更不易出轨;直线电机非磨擦粘着驱动使车辆具备更大的制动能力，也就更不易发生追尾事故。所有与安全有关的项目，均通过了严格试验，直线电机城轨交通线20多年来的运营也证明了直线电机系统的安全、可靠。

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的电力装量。由于直线电机出力方式的改变，采用的是非粘着力驱动，不存在车轮与铁轨磨擦时的“嘶嘶”声，也不存在有旋转电机与齿轮箱的振动声，舒适度增加。

(5)系统能耗低。由于直线电机初级和次级的间隙较大(约12 mm)，效率和功率因数较传统的旋转电机差，但由于不用齿轮减速而不存在打滑等问题，以及车体减轻、隧道减小、路线改善等优势，实际系统能耗更低。

直线电机轨道交通系统能耗与旋转电机轨道交通系统能耗相比，前者具有综合能源效率高，系统能源消耗低的明显优势，如表1所示。

表1 不同轨道交通系统能耗比较

从整个直线电机轨道交通系统运行来说，由于不用齿轮减速、滚动摩擦小、爬坡能力强、转弯半径小、重量轻、高度低等优势，直线电机地铁的实际运行效率比采用电阻制动的传统地铁约节能12%。

此外，随着技术的不断进步，车体轻量化的发展，安全性、舒适性的提高，站台与区间设备的不断增加，直线电机牵引传动所消耗的能耗占整个运输系统中电能消耗比例将进一步下降，而直线电机本身随着在轨道交通系统中的不断应用发展，自身的效率也通过各种节能措施使效率不断提高，能耗更低。因此，随着直线电机轨道交通系统的不断发展，直线电机轨道交通系统能耗与旋转电机轨道交通系统能耗相比，前者具有综合能源效率高，系统能源消耗低的优势将越来越明显。

1.2 国内外的应用发展概况和趋势

目前，日本和加拿大是将直线感应电机驱动技术应用在轮轨交通上的领先国家，都有成熟的产品，但各自使用的交通形式有所不同。在日本，主要是使用直线感应电机来驱动地铁;在加拿大，则采用直线感应电机驱动轻轨更多。截止到目前，他们的直线电机驱动的轮轨交通技术不仅在本国已有了很长的运营时间，还实现了技术出口。目前已采用直线电机驱动的轮轨交通的国家有日本、加拿大、美国、马来西亚和中国等。

加拿大的Bombardier公司，已生产了多条直线电机驱动的城市轻轨。1985年，加拿大多伦多的Scarborought RT首先将直线电机应用于城轨交通。随后，Bombardier公司又为马来西亚首都吉隆坡建造了一条直线电机驱动的城市轻轨。Bombardier公司还在温哥华制造了被称为Skytrain的直线电机驱动的城市轻轨，由温哥华的BC高速交通公司管理，已有全自动列车在2条线上运行，全线长21.4 km。1999年，该公司开始建设另一条新的支路，即通向温哥华东部商业车站的Millennimum线，该线在2002年8月31日已向公众开放，把温哥华东部商业中心的主要交通线连成环状。

日本大阪是除东京之外的第二大地铁交通网。1990年3月20日，日本第一次在第7号线采用了直线感应电机驱动的地铁，当年该新系统共输送了约800万乘客到博览会，使用效果非常好。大阪还开发了直线电机驱动的地铁8号线。日本东京首都运输局跟随大阪在东京地铁12号线路采用直线电机驱动系统。这条线路是从东京副中心新宿站到光丘站，全长14 km。此外，日本的神户、横滨、福冈、仙台和其他一些城市也引入直线电机地铁。在日本有7条地铁线采用了直线电机驱动。

美国的底特律在1987年采用了直线电机驱动的轻轨，全线长4.8 km。纽约肯尼迪机场线也采用了直线电机驱动的轮轨交通，全线长13 km。

我国广州4号线大学城专线工程根据系统要求，提出了小编组与高密度系统、转弯半径小、隧道截面小、噪声低等要求，上述技术特点自然就选择了国际上已成熟的直线电机技术，开创了我国。州市城轨交通4号线北起科学城，南到南沙，线路全长66.5 km，共设22座车站。直线电机运载系统不但使地铁爬坡能力大幅提高，缩短行程，而且系统运行时的噪声也大大降低，仅为60 dB。因此，4号线将是广州首条低噪声的地铁线路。由于4号线的直线电机运载系统成本低、维修方便，并且还有极好的防恐、防水、防爆等安全性能。继4号线之后，广州的5号线亦采用了直线电机技术。广州地铁5号线全长约41.4 km，全线共有26个车站。此外，广州于2012年运行的6号线也采用直线电机技术，广州6号地铁线全长约42 km，全线共有32个车站。除广州外，北京也引进了直线电机城轨交通技术，东直门至首都机场城轨交通线已运行多年，效果良好。

上述直线电机驱动的轮轨交通技术在我国应用的遗憾之处在于，采用的直线电机及其驱动技术全部从国外引进，所以发展我国的直线电机技术是形势所迫，也是大的发展趋势。

直线电机驱动城轨交通技术还需要进一步提高和完善。例如，如何通过直线电机本体和系统控制进一步提高效率降低能耗的问题等，使直线电机驱动城轨交通的优势更明显。

2 立体车库中的直驱技术

2.1 城市停车状况

2010年5月27日，住建部、公安部和国家发改委联合发布《关于城市停车规划建设及管理的指导意见》，明确提出要推动立体化停车设施的建设与管理。

2.4 ABCG2 ELISA检测结果 与对照组相比，阿霉素组ABCG2蛋白表达上调，苦参素组和联合组中ABCG2蛋白表达均降低，差异有统计学意义(P<0.05)。

随着人们生活水平的提高和工作节奏的加快，我国城市汽车保有量逐年激增。以车代步既体现着生活方式的方便快捷与城市的现代化步伐，同时也产生着负面效应，如公共场所、医院、商业繁华地段停车难、停车乱的现象比比皆是，停车位全线告急;很多大、中城市的部分道路被停放的车辆占用，不仅严重影响着机动车正常运行，而且给行人和骑车族造成极大不便。按照目前汽车使用状况，有50%车辆在城市中行驶，专家推算，一般情况下，机动车10%～20%的时间在路上走，剩下的80%～90%的时间要停着。不开的车辆停在哪是一个棘手的问题，如不采取措施，机动车保有量的迅速增长与城市停车场建设滞后的矛盾将十分突出。建设部城市交通工程技术中心曾对全国15个城市的停车状况进行过一次调查，结果表明，15个城市的机动车保有量与停车位之比为5∶1，也就是说停车位的满足率仅为20%。由于停车位的严重不足，迫使机动车占道停放、非法停放，占道停放的比例也远高于发达国家和地区。停车问题已经成为中国城市化进程的一大瓶颈。从城市建设与发展的角度来看，必须考虑其中一部分要立体化停放，立体车库被视为破解这一难题的一大药方。因此，全自动立体化停车将是今后停车建设的一个重要方向。其巨大的潜在市场为机械停车设备制造业的发展展示了美好的前景，可以说，停车设备制造业将成为21世纪最热门的行业之一。

2.2 国内外立体车库现状

目前国内外停车场(库)主要有三种形式:一是平面停车场;二是自行式立体停车库;三是机械式全自动立体停车库。由于机械立体停车设施配置灵活，规模可大可小，既可单独设置也可并排设置，可依附建筑物也可建在建筑物内，可设在地上、地下，也可设在半地下，形式多样，适应性广，因而成为当前最具有推广前景的停车方式。

具体而言，机械式全自动立体停车库有以下优势:(1)占地少。约为平面停车场(库)面积的1/2～1/25。(2)投资少。机械式停车设备每个泊位投资约2～10万元，而自行式立体停车场(库)每个泊位的造价约为20万元以上。(3)使用方便。(4)减少了因路边停车而引起的交通事故。(5)安全性高，增加了汽车的防盗性和防护性，改善了市容环境。(6)经济效益和社会效益显著。

业内人士计算:建造一座容车约10辆的平面停车场，约须用地100 m2，如果使用相同占地面积的机械式停车设备，可容车近百辆，是平面停车场容车率的10倍。在目前土地资源十分匮乏、土地成本高昂的环境下，立体停车设备无疑可以节约大笔的土地成本。尤其在商业中心、写字楼、医院、银行等人流量、车流量大的公共场所，充分利用垂直空间的立体停车设备显然是缓解停车难的较好方法。

中国无论在土地面积还是在人口数量上均是世界第一的发展中国家，而立体车库对于大多数国家而言都是一个新兴的产品，发展时间较短。可以认为中国对立体车库的需求是世界各地区对立体车库需求的一个缩影，从中国的情况来看，立体车库下游用户的需求一直保持着长期而稳定的发展趋势。

就目前我国的立体车库行业情况来说，应该还处于刚刚起步，很多设备还处于比较低级的阶段，自动化、信息化、集成化的水平都还比较低。立体车库设施的总量远不能满足当前汽车飞速发展的需求，且其技术装置落后、技术水平低下，新技术、新产品的应用率低，在满足客户特殊要求时更显得力不从心。这是当前立体车库不能与汽车一样飞速发展的障碍之一，说明立体车库设备缺乏有效的差异化，存在功能缺陷。

2.3 新型直驱快速立体车库

目前，国内外的立体车库其驱动系统均由力矩电机通过链条或钢丝绳驱动运行。一是结构复杂，整个车库每个车位都有链条或钢丝绳及相应的电机，还要减速箱等;二是由于结构复杂，维修不便，易出故障;三是一个最关键的问题一直未能很好解决，这就是停、取车的速度问题。现有立体车库的驱动装置几乎均采用电机加钢丝绳或链条的方式。这样的驱动装置，一般存取车时间约在120 s，较快的在90 s，最快的也大于70 s。要在现有驱动装置的技术上再降低其存取时间到30 s以下，几乎不可能。

(1)结构简单，车位无电机、无钢丝绳或链条，安装维修方便可靠;

(2)高速高效，比目前传统的立体车库存取时间减少60%以上;

(3)环保无噪声;

(4)成本低，性能好，该车库车位越多，成本越低。

该车库Ⅰ型的原理是:在立体车库的升降车上安装平板式或其他结构直线电机驱动的直驱式快速平移装置，该装置通过可旋转电磁铁吸住载车板，将载有汽车的载车板或空载板直接快速地平移到所需的车位上。由于采用了直线电机直接驱动载车板，无链或绳的传动，结构简单，且直接驱动使其驱动速度大大提高，可控性与定位精度也大大提高。该车库Ⅱ型将在纵向采用直线电机直接驱动。该车库Ⅲ型将在垂直方向采用直线电机直接驱动。图2为直驱式快速平移立体车库的结构示意图。图3为该立体车库的直驱式快速平移结构视图。

图2 车库的结构示意图

图3 快速平移结构视图

新型直驱快速立体车库由浙江大学与杭州新峰恒富科技有限公司合作研发，已完成一个8车位立体车库样机，一直在停取车运行试验。本项目已申请专利30项，其中10项专利已授权颁证。

［1］YE Y Y，LU Q F.Research and development of linear motor technology in China during recent decade LDIA 2011［J］.Eindhoven，the Netherlands，2011(7):3-6.

［2］叶云岳.直线电机轨道交通系统能耗与直线电机能耗分析［D］.直线电机轨道交通技术交流研讨会论文集，2011.

［3］叶云岳.电气装备优化与直驱技术［D］.浙江大学研究生学位课教材，2010.