城市交通與新穎電機驅動技術的應用

葉云岳

(浙江大學，浙江杭州 310027)

0 引言

交通運輸是國民經濟的重要基礎，隨著社會與經濟的不斷發展，對交通運輸不斷提出新的要求。科學技術的迅速發展也為發展新的交通運輸工具提供了條件，奠定了基礎，從而進一步促進了交通運輸業的發展。我國是一個人口眾多的發展中國家，城市基礎建設較為落后，交通還不是很發達，大中城市普遍存在道路擁擠、車輛堵塞、交通秩序混亂的現象，該現象已成為城市發展的“瓶頸”，也嚴重阻礙了國家發展的進程。隨著我國城市規模和經濟建設的飛速發展，城市化進程的逐步加快，城市人口在急劇增加，大量流動人口涌進城市，人員出行和物資交流頻繁，交通需求急劇增長，城市交通供需矛盾日趨緊張。

隨著汽車擁有量的快速增長，城市交通的堵塞問題嚴重制約了城市交通的快速發展。要解決城市交通的堵塞問題，目前認為主要有兩條途徑比較有效，那就是增加地鐵線路和增加立體車庫。本文就地鐵建設和立體車庫建設中所采用的一些新穎電機驅動技術的應用作一介紹。

1 直線電機驅動的地鐵交通

發展以軌道交通為骨干，以常規公交為主體的公共交通體系，為城市居民提供安全、快速、舒適的交通環境，引導城市居民使用公共交通系統是國外大城市解決城市交通問題的成功經驗，也是我國大城市解決交通問題的惟一途徑。目前，全國有幾十個百萬以上人口的城市正在規劃、籌建和在建地鐵、輕軌等交通設施，力圖依靠城市軌道交通來改善日益擁堵的交通狀況。我國每年在地鐵和輕軌方面投入數以千億元。但是地鐵建設費用和運營成本都較高，且噪聲對周邊環境的負面影響等都影響了地鐵建設的進程。為了促進我國地鐵建設事業持續發展，急需研發一種比目前傳統地鐵性能好、建設和運營成本低的新型環保的地鐵系統。

我國城軌交通建設在工程、裝備、技術諸方面不斷推陳出新，引進、消化各種新的工程建造模式、各種新的裝備和各種新的技術。其中由直線電機驅動的非磁浮城軌交通，由于技術成熟度高、造價低、結構簡單、性能優異，在世界許多國家都得到了應用，近年來已成了一大熱點。

1.1 直線電機地鐵的優勢

傳統的地鐵系統采用的是旋轉感應電機驅動、經減速器等傳動機構，靠輪軌粘著驅動前進的模式。該驅動方式使地鐵工程存在建設費用高、振動噪聲大、維護費用高等缺點。為了克服這些缺點，從20世紀80年代起，溫哥華、紐約、東京、大阪、吉隆坡等城市先后采用了直線感應電機驅動的新型軌道交通模式，為地鐵建設開辟了一條新的途徑。直線感應電機驅動的新型軌道交通技術特點主要表現在以下幾個方面:

(1)結構簡單，車輛小型化，隧道面積大大減少，成本降低。

與傳統地鐵、輕軌一樣，直線電機驅動的車輛、軌道也采用鋼輪支撐，沿鐵軌行駛。所不同的只是采用扁平狀的直線異步電機替代旋轉電機加齒輪減速器的驅動方法，直線異步電機初級(通電源部分)直接裝在車軸上;與路面上的直線電機次級(感應部分)相互作用產生電磁力牽引車輛行駛，直接驅動，結構簡單。

直線電機的結構型式為扁平式，電機的高度得到有效控制，在保證電機驅動力的條件下，可降低車輛的底盤，實現車輛的小型化。由此，可以縮小隧道斷面，降低建設費用;或在相同隧道斷面下，可擴大客艙容量，改善客艙性能，提高乘坐舒適度。直線電機地鐵與普通地鐵的截面圖對照如圖1所示。

圖1 直線電機地鐵與普通地鐵的截面圖對照

(2)轉彎半徑小，爬坡能力強，土建費用低。應用大坡道(60‰～80‰)、小曲率半徑(Rmin=50 m)，普通地鐵坡道最大為 35‰，最小曲率160 m，選線自由度大。

由于直線電機驅動方式的改變，車輪與軌道間運行屬非粘著行走，在驅動力不變的前提下，可在比原來更陡的坡道上運行。陡坡技術的采用，不僅可加大路線的自由度，也能降低建設費用。此外，采用大坡度遠行的地鐵，設置的地鐵站離地面很近，既節約了建設費用，又方便了乘客。

因不直接驅動車輪，所以可采用操舵式的機車，轉彎半徑小，急轉彎時也可以平穩運行。另外，轉彎半徑小及利用急轉彎技術還可縮短占地距離，節省占地費用。

由于以上優勢，直線電機地鐵比傳統地鐵造價低20%以上(大阪東京地鐵的實際成績)。

(3)噪聲低，不打滑。由于直線電機驅動的地鐵或輕軌是靠電磁力驅動，非粘著行走(不靠機械摩擦傳動)，因此無電機旋轉及齒輪嚙合產生的噪聲。直線電機驅動的地鐵或輕軌的另一好處在于，列車運行受天氣影響少，特別是在多雪地區，即使是大坡道也不打滑，能順利運行。

(4)安全，舒適。直線電機地鐵或輕軌由于采用扁平狀直線電機作為牽引，降低了車輛重心，同時直線電機初級和次級間還存在一定的吸力，增加了系統的安全性，從而使其較傳統地鐵車輛更不易出軌;直線電機非磨擦粘著驅動使車輛具備更大的制動能力，也就更不易發生追尾事故。所有與安全有關的項目，均通過了嚴格試驗，直線電機城軌交通線20多年來的運營也證明了直線電機系統的安全、可靠。

直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能的電力裝量。由于直線電機出力方式的改變，采用的是非粘著力驅動，不存在車輪與鐵軌磨擦時的“嘶嘶”聲，也不存在有旋轉電機與齒輪箱的振動聲，舒適度增加。

(5)系統能耗低。由于直線電機初級和次級的間隙較大(約12 mm)，效率和功率因數較傳統的旋轉電機差，但由于不用齒輪減速而不存在打滑等問題，以及車體減輕、隧道減小、路線改善等優勢，實際系統能耗更低。

直線電機軌道交通系統能耗與旋轉電機軌道交通系統能耗相比，前者具有綜合能源效率高，系統能源消耗低的明顯優勢，如表1所示。

表1 不同軌道交通系統能耗比較

從整個直線電機軌道交通系統運行來說，由于不用齒輪減速、滾動摩擦小、爬坡能力強、轉彎半徑小、重量輕、高度低等優勢，直線電機地鐵的實際運行效率比采用電阻制動的傳統地鐵約節能12%。

此外，隨著技術的不斷進步，車體輕量化的發展，安全性、舒適性的提高，站臺與區間設備的不斷增加，直線電機牽引傳動所消耗的能耗占整個運輸系統中電能消耗比例將進一步下降，而直線電機本身隨著在軌道交通系統中的不斷應用發展，自身的效率也通過各種節能措施使效率不斷提高，能耗更低。因此，隨著直線電機軌道交通系統的不斷發展，直線電機軌道交通系統能耗與旋轉電機軌道交通系統能耗相比，前者具有綜合能源效率高，系統能源消耗低的優勢將越來越明顯。

1.2 國內外的應用發展概況和趨勢

目前，日本和加拿大是將直線感應電機驅動技術應用在輪軌交通上的領先國家，都有成熟的產品，但各自使用的交通形式有所不同。在日本，主要是使用直線感應電機來驅動地鐵;在加拿大，則采用直線感應電機驅動輕軌更多。截止到目前，他們的直線電機驅動的輪軌交通技術不僅在本國已有了很長的運營時間，還實現了技術出口。目前已采用直線電機驅動的輪軌交通的國家有日本、加拿大、美國、馬來西亞和中國等。

加拿大的Bombardier公司，已生產了多條直線電機驅動的城市輕軌。1985年，加拿大多倫多的Scarborought RT首先將直線電機應用于城軌交通。隨后，Bombardier公司又為馬來西亞首都吉隆坡建造了一條直線電機驅動的城市輕軌。Bombardier公司還在溫哥華制造了被稱為Skytrain的直線電機驅動的城市輕軌，由溫哥華的BC高速交通公司管理，已有全自動列車在2條線上運行，全線長21.4 km。1999年，該公司開始建設另一條新的支路，即通向溫哥華東部商業車站的Millennimum線，該線在2002年8月31日已向公眾開放，把溫哥華東部商業中心的主要交通線連成環狀。

日本大阪是除東京之外的第二大地鐵交通網。1990年3月20日，日本第一次在第7號線采用了直線感應電機驅動的地鐵，當年該新系統共輸送了約800萬乘客到博覽會，使用效果非常好。大阪還開發了直線電機驅動的地鐵8號線。日本東京首都運輸局跟隨大阪在東京地鐵12號線路采用直線電機驅動系統。這條線路是從東京副中心新宿站到光丘站，全長14 km。此外，日本的神戶、橫濱、福岡、仙臺和其他一些城市也引入直線電機地鐵。在日本有7條地鐵線采用了直線電機驅動。

美國的底特律在1987年采用了直線電機驅動的輕軌，全線長4.8 km。紐約肯尼迪機場線也采用了直線電機驅動的輪軌交通，全線長13 km。

我國廣州4號線大學城專線工程根據系統要求，提出了小編組與高密度系統、轉彎半徑小、隧道截面小、噪聲低等要求，上述技術特點自然就選擇了國際上已成熟的直線電機技術，開創了我國。州市城軌交通4號線北起科學城，南到南沙，線路全長66.5 km，共設22座車站。直線電機運載系統不但使地鐵爬坡能力大幅提高，縮短行程，而且系統運行時的噪聲也大大降低，僅為60 dB。因此，4號線將是廣州首條低噪聲的地鐵線路。由于4號線的直線電機運載系統成本低、維修方便，并且還有極好的防恐、防水、防爆等安全性能。繼4號線之后，廣州的5號線亦采用了直線電機技術。廣州地鐵5號線全長約41.4 km，全線共有26個車站。此外，廣州于2012年運行的6號線也采用直線電機技術，廣州6號地鐵線全長約42 km，全線共有32個車站。除廣州外，北京也引進了直線電機城軌交通技術，東直門至首都機場城軌交通線已運行多年，效果良好。

上述直線電機驅動的輪軌交通技術在我國應用的遺憾之處在于，采用的直線電機及其驅動技術全部從國外引進，所以發展我國的直線電機技術是形勢所迫，也是大的發展趨勢。

直線電機驅動城軌交通技術還需要進一步提高和完善。例如，如何通過直線電機本體和系統控制進一步提高效率降低能耗的問題等，使直線電機驅動城軌交通的優勢更明顯。

2 立體車庫中的直驅技術

2.1 城市停車狀況

2010年5月27日，住建部、公安部和國家發改委聯合發布《關于城市停車規劃建設及管理的指導意見》，明確提出要推動立體化停車設施的建設與管理。

2.4 ABCG2 ELISA檢測結果 與對照組相比，阿霉素組ABCG2蛋白表達上調，苦參素組和聯合組中ABCG2蛋白表達均降低，差異有統計學意義(P<0.05)。

隨著人們生活水平的提高和工作節奏的加快，我國城市汽車保有量逐年激增。以車代步既體現著生活方式的方便快捷與城市的現代化步伐，同時也產生著負面效應，如公共場所、醫院、商業繁華地段停車難、停車亂的現象比比皆是，停車位全線告急;很多大、中城市的部分道路被停放的車輛占用，不僅嚴重影響著機動車正常運行，而且給行人和騎車族造成極大不便。按照目前汽車使用狀況，有50%車輛在城市中行駛，專家推算，一般情況下，機動車10%～20%的時間在路上走，剩下的80%～90%的時間要停著。不開的車輛停在哪是一個棘手的問題，如不采取措施，機動車保有量的迅速增長與城市停車場建設滯后的矛盾將十分突出。建設部城市交通工程技術中心曾對全國15個城市的停車狀況進行過一次調查，結果表明，15個城市的機動車保有量與停車位之比為5∶1，也就是說停車位的滿足率僅為20%。由于停車位的嚴重不足，迫使機動車占道停放、非法停放，占道停放的比例也遠高于發達國家和地區。停車問題已經成為中國城市化進程的一大瓶頸。從城市建設與發展的角度來看，必須考慮其中一部分要立體化停放，立體車庫被視為破解這一難題的一大藥方。因此，全自動立體化停車將是今后停車建設的一個重要方向。其巨大的潛在市場為機械停車設備制造業的發展展示了美好的前景，可以說，停車設備制造業將成為21世紀最熱門的行業之一。

2.2 國內外立體車庫現狀

目前國內外停車場(庫)主要有三種形式:一是平面停車場;二是自行式立體停車庫;三是機械式全自動立體停車庫。由于機械立體停車設施配置靈活，規模可大可小，既可單獨設置也可并排設置，可依附建筑物也可建在建筑物內，可設在地上、地下，也可設在半地下，形式多樣，適應性廣，因而成為當前最具有推廣前景的停車方式。

具體而言，機械式全自動立體停車庫有以下優勢:(1)占地少。約為平面停車場(庫)面積的1/2～1/25。(2)投資少。機械式停車設備每個泊位投資約2～10萬元，而自行式立體停車場(庫)每個泊位的造價約為20萬元以上。(3)使用方便。(4)減少了因路邊停車而引起的交通事故。(5)安全性高，增加了汽車的防盜性和防護性，改善了市容環境。(6)經濟效益和社會效益顯著。

業內人士計算:建造一座容車約10輛的平面停車場，約須用地100 m2，如果使用相同占地面積的機械式停車設備，可容車近百輛，是平面停車場容車率的10倍。在目前土地資源十分匱乏、土地成本高昂的環境下，立體停車設備無疑可以節約大筆的土地成本。尤其在商業中心、寫字樓、醫院、銀行等人流量、車流量大的公共場所，充分利用垂直空間的立體停車設備顯然是緩解停車難的較好方法。

中國無論在土地面積還是在人口數量上均是世界第一的發展中國家，而立體車庫對于大多數國家而言都是一個新興的產品，發展時間較短。可以認為中國對立體車庫的需求是世界各地區對立體車庫需求的一個縮影，從中國的情況來看，立體車庫下游用戶的需求一直保持著長期而穩定的發展趨勢。

就目前我國的立體車庫行業情況來說，應該還處于剛剛起步，很多設備還處于比較低級的階段，自動化、信息化、集成化的水平都還比較低。立體車庫設施的總量遠不能滿足當前汽車飛速發展的需求，且其技術裝置落后、技術水平低下，新技術、新產品的應用率低，在滿足客戶特殊要求時更顯得力不從心。這是當前立體車庫不能與汽車一樣飛速發展的障礙之一，說明立體車庫設備缺乏有效的差異化，存在功能缺陷。

2.3 新型直驅快速立體車庫

目前，國內外的立體車庫其驅動系統均由力矩電機通過鏈條或鋼絲繩驅動運行。一是結構復雜，整個車庫每個車位都有鏈條或鋼絲繩及相應的電機，還要減速箱等;二是由于結構復雜，維修不便，易出故障;三是一個最關鍵的問題一直未能很好解決，這就是停、取車的速度問題。現有立體車庫的驅動裝置幾乎均采用電機加鋼絲繩或鏈條的方式。這樣的驅動裝置，一般存取車時間約在120 s，較快的在90 s，最快的也大于70 s。要在現有驅動裝置的技術上再降低其存取時間到30 s以下，幾乎不可能。

(1)結構簡單，車位無電機、無鋼絲繩或鏈條，安裝維修方便可靠;

(2)高速高效，比目前傳統的立體車庫存取時間減少60%以上;

(3)環保無噪聲;

(4)成本低，性能好，該車庫車位越多，成本越低。

該車庫Ⅰ型的原理是:在立體車庫的升降車上安裝平板式或其他結構直線電機驅動的直驅式快速平移裝置，該裝置通過可旋轉電磁鐵吸住載車板，將載有汽車的載車板或空載板直接快速地平移到所需的車位上。由于采用了直線電機直接驅動載車板，無鏈或繩的傳動，結構簡單，且直接驅動使其驅動速度大大提高，可控性與定位精度也大大提高。該車庫Ⅱ型將在縱向采用直線電機直接驅動。該車庫Ⅲ型將在垂直方向采用直線電機直接驅動。圖2為直驅式快速平移立體車庫的結構示意圖。圖3為該立體車庫的直驅式快速平移結構視圖。

圖2 車庫的結構示意圖

圖3 快速平移結構視圖

新型直驅快速立體車庫由浙江大學與杭州新峰恒富科技有限公司合作研發，已完成一個8車位立體車庫樣機，一直在停取車運行試驗。本項目已申請專利30項，其中10項專利已授權頒證。

［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］葉云岳.直線電機軌道交通系統能耗與直線電機能耗分析［D］.直線電機軌道交通技術交流研討會論文集，2011.

［3］葉云岳.電氣裝備優化與直驅技術［D］.浙江大學研究生學位課教材，2010.