探讨直线电机地铁转向架

王清华

摘 要：介绍了直线电机的工作原理及转向架的基本结构， 提出直线电机地铁车辆是现代轨道交通的一种可行的选择。

关键词：地铁；直线电机；转向架

1 直线电机系统的工作特点

直线电机系统的工作原理是将旋转电机展开，转子展开后安装在轨道上， 形成感应板；定子展开后安装在车辆转向架上，形成直线电机。通过感应电流磁化的车载磁铁产生排斥和吸引，对车辆实现驱动和制动[ 1]。

直线电机系统是介于磁悬浮与轮轨系统之间的一种轨道系统 ，并区别于传统轨道交通牵引模式。它既有传统轮轨系统的安全可靠性，又有磁悬浮系统非粘着的特点，非常适合城轨车辆。

直线电机的驱动具有如下特点：

（1）直线电机与传统的旋转电机不同， 是由直线运动来代替旋转，因此它是一种非粘着的驱动方式， 不受粘着系数的限制。具有较强的爬坡能力（最大坡度可达80%）， 有利于线路断面设计 ， 有利于选线和避开地下建筑物，同时有利于地下至地面、高架线的过渡 ，降低线路制造成本。

（2）取消了旋转电机和齿轮箱， 减少了噪声， 转向架内部空间可用来安置自导向或迫导向机构，使转向架更趋于简化。

（3）圆形电机取消后 ，轮径可以减小，从而提高轮对的蠕滑导向能力，有效地降低车辆地板高度 ，实现车辆的小型化 ，进而减小隧道的空间。

（4）取消旋转电机后 ，可以实现构架内置， 从而减小转向架重量。

（5）直线电机对气隙要求高， 气隙是指直线电机与感应板之间的间隙，间隙小会引起碰撞 ，间隙大会导致传动效率降低。从直线电机的特性上来看，励磁无功功率与气隙成正比， 其功率和功率因数也要比普通电机稍差些，所以希望气隙要小一些；但考虑到感应板的制造、铺设施工精度和运行中的变动，气隙不可能太小，一般多设定在10 mm ～ 12 mm 。

2 直线电机转向架的基本结构

地铁车辆转向架为二轴转向架，每台转向架由 1台直线电机驱动，转向架结构示于图1。直线电机通过悬挂梁采用全悬挂方式安装在转向架轴箱上，悬挂结构如图2所示。直线电机与转向架之间以及车体和转向架之间的纵向作用力的传递通过纵向牵引杆来实现。构架俯视呈“目”形结构，采用箱形全钢板焊接结构。构架侧梁由 U 形断面压型的上下盖板组焊而成 ，为中间下凹的鱼腹箱形结构，以保证侧梁的抗弯、抗扭性能。轮对采用轴箱内置、制动盘外置的结构 ， 简化了结构并减轻了重量。轴箱与构架之间设置了锥型橡胶弹簧的一系悬挂 ， 一系悬挂需采用刚度很大的橡胶弹簧。构架与摇枕之间设置了空气弹簧的二系悬挂， 二系悬挂由空气弹簧本体和应急橡胶弹簧组成 ，垂向具有良好的非线性 ， 即垂向挠度随载荷的增加而变化较小 ， 空重车挠度变化不大。这一特性有利于减小地铁和轻轨车辆等在载客量或承载不同时地板高度或车钩高度的变化 ， 以及防止车辆在空载状态下因静挠度过小而引起的垂向动力学性能的明显下降 ；空气弹簧在水平方向可以提供 80 mm ～ 115mm 的横向变形量 ， 起着具有当量吊杆长度的摇动台的作用 ；在垂直于水平面的方向上 ，提供相当于转盘的功能 ，允许转向架相对车体转动一定的角度 ， 以能顺利通过小半径曲线。二系悬挂采用空气弹簧 ， 既简化了转向架结构 ， 减轻了转向架自重 ， 又能适应现代轨道车辆全方位提高运行品质的需要。

车体由空气弹簧支撑 ，设有高度控制阀和差压阀。高度控制阀控制空气弹簧的充排气， 以调节空气弹簧内的空气压力， 使不同载荷下的车辆地板面保持一定的高度。同一个转向架的 2 个空气弹簧之间设有差压阀，当一侧空气弹簧爆破时，可起安全作用。当空气弹簧失效时， 橡胶堆作为应急二系悬挂系统。在橡胶堆与构架之间设有调整垫 ， 以补偿车轮磨耗引起的车辆地板面下降。直线电机与转向架之间以及车体和转向架之间的纵向作用力的传递通过牵引杆来实现。转向架牵引杆分为 2 种 ：一种为布置在直线电机与构架之间的横向牵引杆；另外一种为布置在构架与摇枕之间的纵向牵引杆。牵引杆两端设有橡胶弹性关节， 在加速和减速时不会造成刚性冲击。

直线电机通过电机悬挂梁悬挂于轴箱体上 ，直线电机与感应板的气隙通过电机悬挂梁上的高度调整机构来实现 ，调整机构能够满足旋轮后较大尺寸的调整和日常维护过程中的微动调整。

1 .轮对组成 ；2 .直线电机悬挂系统 ；3 .二系悬挂 ；4 .摇枕 ；5 .一系悬挂 ；6 .构架 ；7 .轴箱装置 ；8 .制动系统 ；9 .旁承 ；10.抗側滚扭杆 ；11 .中心销 ；12 .直线电机。

图1直线电机转向架结构图

1 .横向连接杆 ；2 .轮对 ；3 .直线电机高度调整系统 ；4 .直线电机垂向吊杆；5.电机悬挂梁；6.轴箱组成；7.纵向牵引杆；8.直线电机。

图2 直线电机悬挂系统结构图

转向架制动采用外置式盘式制动单元 ， 每根轴安装 2套 ，其中一套具有停车制动功能。每列车的制动单元为同一种形式。

3 直线电机转向架运用情况简介

直线电机驱动的地铁车辆在东京、大阪运行了多年，均没有发生过大的故障。东京地铁都营 12 号线车辆的主电路耗电量为 1.54 kW ·h/（车·km），与最新的使用旋转交流异步机的 VVVF 调速车辆相比，耗电约增加 10%～ 20%。尽管直线电机驱动车辆的效率稍低 ，但它也有着适应断面小、爬坡能力强、曲线通过能力强、噪声小等不可代替的优点。

4 直线电机转向架在国内的运用展望

目前 ，我国大城市的交通状况日趋恶化。无疑 ，发展地铁和其他快速轨道交通是解决大城市交通问题的根本办法 ，而降低工程造价是我国发展城市轨道交通的首要问题。我国地铁造价中土建费占 35%～ 45%，有关专家认为地铁建设费中约 60 %为隧道建设费。在地铁造价日益昂贵的今天 ，直线电机驱动的小断面地铁车辆为我们提供了一种降低造价的选择。

参考文献：

[ 1] 金新民.直线感应电机在地铁车辆上的应用[ J] .机车电传动，1998 ，（2）：1 — 3 .

[ 2] 施 翊， 魏庆朝.新型城市轨道交通模式———直线电机地铁系统[ J] .地铁与轻轨， 2003，（4）：18—22.

[ 3] 严隽耄.车辆工程[ M] .北京：中国铁道出版社， 1999.