葉云岳

(浙江大學(xué)，浙江杭州 310027)

0 引言

交通運(yùn)輸是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)，隨著社會與經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對交通運(yùn)輸不斷提出新的要求。科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展也為發(fā)展新的交通運(yùn)輸工具提供了條件，奠定了基礎(chǔ)，從而進(jìn)一步促進(jìn)了交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展。我國是一個(gè)人口眾多的發(fā)展中國家，城市基礎(chǔ)建設(shè)較為落后，交通還不是很發(fā)達(dá)，大中城市普遍存在道路擁擠、車輛堵塞、交通秩序混亂的現(xiàn)象，該現(xiàn)象已成為城市發(fā)展的“瓶頸”，也嚴(yán)重阻礙了國家發(fā)展的進(jìn)程。隨著我國城市規(guī)模和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程的逐步加快，城市人口在急劇增加，大量流動人口涌進(jìn)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(yán)重制約了城市交通的快速發(fā)展。要解決城市交通的堵塞問題，目前認(rèn)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(shè)和立體車庫建設(shè)中所采用的一些新穎電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用作一介紹。

1 直線電機(jī)驅(qū)動的地鐵交通

發(fā)展以軌道交通為骨干，以常規(guī)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(huán)境，引導(dǎo)城市居民使用公共交通系統(tǒng)是國外大城市解決城市交通問題的成功經(jīng)驗(yàn)，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(gè)百萬以上人口的城市正在規(guī)劃、籌建和在建地鐵、輕軌等交通設(shè)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(shù)以千億元。但是地鐵建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)營成本都較高，且噪聲對周邊環(huán)境的負(fù)面影響等都影響了地鐵建設(shè)的進(jìn)程。為了促進(jìn)我國地鐵建設(shè)事業(yè)持續(xù)發(fā)展，急需研發(fā)一種比目前傳統(tǒng)地鐵性能好、建設(shè)和運(yùn)營成本低的新型環(huán)保的地鐵系統(tǒng)。

我國城軌交通建設(shè)在工程、裝備、技術(shù)諸方面不斷推陳出新，引進(jìn)、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(shù)。其中由直線電機(jī)驅(qū)動的非磁浮城軌交通，由于技術(shù)成熟度高、造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)異，在世界許多國家都得到了應(yīng)用，近年來已成了一大熱點(diǎn)。

1.1 直線電機(jī)地鐵的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的地鐵系統(tǒng)采用的是旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動、經(jīng)減速器等傳動機(jī)構(gòu)，靠輪軌粘著驅(qū)動前進(jìn)的模式。該驅(qū)動方式使地鐵工程存在建設(shè)費(fèi)用高、振動噪聲大、維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)。為了克服這些缺點(diǎn)，從20世紀(jì)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(yīng)電機(jī)驅(qū)動的新型軌道交通模式，為地鐵建設(shè)開辟了一條新的途徑。直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動的新型軌道交通技術(shù)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)結(jié)構(gòu)簡單，車輛小型化，隧道面積大大減少，成本降低。

與傳統(tǒng)地鐵、輕軌一樣，直線電機(jī)驅(qū)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(jī)替代旋轉(zhuǎn)電機(jī)加齒輪減速器的驅(qū)動方法，直線異步電機(jī)初級(通電源部分)直接裝在車軸上;與路面上的直線電機(jī)次級(感應(yīng)部分)相互作用產(chǎn)生電磁力牽引車輛行駛，直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單。

直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式為扁平式，電機(jī)的高度得到有效控制，在保證電機(jī)驅(qū)動力的條件下，可降低車輛的底盤，實(shí)現(xiàn)車輛的小型化。由此，可以縮小隧道斷面，降低建設(shè)費(fèi)用;或在相同隧道斷面下，可擴(kuò)大客艙容量，改善客艙性能，提高乘坐舒適度。直線電機(jī)地鐵與普通地鐵的截面圖對照如圖1所示。

圖1 直線電機(jī)地鐵與普通地鐵的截面圖對照

(2)轉(zhuǎn)彎半徑小，爬坡能力強(qiáng)，土建費(fèi)用低。應(yīng)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(jī)驅(qū)動方式的改變，車輪與軌道間運(yùn)行屬非粘著行走，在驅(qū)動力不變的前提下，可在比原來更陡的坡道上運(yùn)行。陡坡技術(shù)的采用，不僅可加大路線的自由度，也能降低建設(shè)費(fèi)用。此外，采用大坡度遠(yuǎn)行的地鐵，設(shè)置的地鐵站離地面很近，既節(jié)約了建設(shè)費(fèi)用，又方便了乘客。

因不直接驅(qū)動車輪，所以可采用操舵式的機(jī)車，轉(zhuǎn)彎半徑小，急轉(zhuǎn)彎時(shí)也可以平穩(wěn)運(yùn)行。另外，轉(zhuǎn)彎半徑小及利用急轉(zhuǎn)彎技術(shù)還可縮短占地距離，節(jié)省占地費(fèi)用。

由于以上優(yōu)勢，直線電機(jī)地鐵比傳統(tǒng)地鐵造價(jià)低20%以上(大阪東京地鐵的實(shí)際成績)。

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

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

直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動機(jī)械能的電力裝量。由于直線電機(jī)出力方式的改變，采用的是非粘著力驅(qū)動，不存在車輪與鐵軌磨擦?xí)r的“嘶嘶”聲，也不存在有旋轉(zhuǎn)電機(jī)與齒輪箱的振動聲，舒適度增加。

(5)系統(tǒng)能耗低。由于直線電機(jī)初級和次級的間隙較大(約12 mm)，效率和功率因數(shù)較傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(yōu)勢，實(shí)際系統(tǒng)能耗更低。

直線電機(jī)軌道交通系統(tǒng)能耗與旋轉(zhuǎn)電機(jī)軌道交通系統(tǒng)能耗相比，前者具有綜合能源效率高，系統(tǒng)能源消耗低的明顯優(yōu)勢，如表1所示。

表1 不同軌道交通系統(tǒng)能耗比較

從整個(gè)直線電機(jī)軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行來說，由于不用齒輪減速、滾動摩擦小、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、重量輕、高度低等優(yōu)勢，直線電機(jī)地鐵的實(shí)際運(yùn)行效率比采用電阻制動的傳統(tǒng)地鐵約節(jié)能12%。

此外，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，車體輕量化的發(fā)展，安全性、舒適性的提高，站臺與區(qū)間設(shè)備的不斷增加，直線電機(jī)牽引傳動所消耗的能耗占整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)中電能消耗比例將進(jìn)一步下降，而直線電機(jī)本身隨著在軌道交通系統(tǒng)中的不斷應(yīng)用發(fā)展，自身的效率也通過各種節(jié)能措施使效率不斷提高，能耗更低。因此，隨著直線電機(jī)軌道交通系統(tǒng)的不斷發(fā)展，直線電機(jī)軌道交通系統(tǒng)能耗與旋轉(zhuǎn)電機(jī)軌道交通系統(tǒng)能耗相比，前者具有綜合能源效率高，系統(tǒng)能源消耗低的優(yōu)勢將越來越明顯。

1.2 國內(nèi)外的應(yīng)用發(fā)展概況和趨勢

目前，日本和加拿大是將直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用在輪軌交通上的領(lǐng)先國家，都有成熟的產(chǎn)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(yīng)電機(jī)來驅(qū)動地鐵;在加拿大，則采用直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動輕軌更多。截止到目前，他們的直線電機(jī)驅(qū)動的輪軌交通技術(shù)不僅在本國已有了很長的運(yùn)營時(shí)間，還實(shí)現(xiàn)了技術(shù)出口。目前已采用直線電機(jī)驅(qū)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(chǎn)了多條直線電機(jī)驅(qū)動的城市輕軌。1985年，加拿大多倫多的Scarborought RT首先將直線電機(jī)應(yīng)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(jī)驅(qū)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(jī)驅(qū)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(yùn)行，全線長21.4 km。1999年，該公司開始建設(shè)另一條新的支路，即通向溫哥華東部商業(yè)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(yè)中心的主要交通線連成環(huán)狀。

日本大阪是除東京之外的第二大地鐵交通網(wǎng)。1990年3月20日，日本第一次在第7號線采用了直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動的地鐵，當(dāng)年該新系統(tǒng)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(fā)了直線電機(jī)驅(qū)動的地鐵8號線。日本東京首都運(yùn)輸局跟隨大阪在東京地鐵12號線路采用直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。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(jī)地鐵。在日本有7條地鐵線采用了直線電機(jī)驅(qū)動。

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

我國廣州4號線大學(xué)城專線工程根據(jù)系統(tǒng)要求，提出了小編組與高密度系統(tǒng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、隧道截面小、噪聲低等要求，上述技術(shù)特點(diǎn)自然就選擇了國際上已成熟的直線電機(jī)技術(shù)，開創(chuàng)了我國。州市城軌交通4號線北起科學(xué)城，南到南沙，線路全長66.5 km，共設(shè)22座車站。直線電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)不但使地鐵爬坡能力大幅提高，縮短行程，而且系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(jī)運(yùn)載系統(tǒng)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(jī)技術(shù)。廣州地鐵5號線全長約41.4 km，全線共有26個(gè)車站。此外，廣州于2012年運(yùn)行的6號線也采用直線電機(jī)技術(shù)，廣州6號地鐵線全長約42 km，全線共有32個(gè)車站。除廣州外，北京也引進(jìn)了直線電機(jī)城軌交通技術(shù)，東直門至首都機(jī)場城軌交通線已運(yùn)行多年，效果良好。

上述直線電機(jī)驅(qū)動的輪軌交通技術(shù)在我國應(yīng)用的遺憾之處在于，采用的直線電機(jī)及其驅(qū)動技術(shù)全部從國外引進(jìn)，所以發(fā)展我國的直線電機(jī)技術(shù)是形勢所迫，也是大的發(fā)展趨勢。

直線電機(jī)驅(qū)動城軌交通技術(shù)還需要進(jìn)一步提高和完善。例如，如何通過直線電機(jī)本體和系統(tǒng)控制進(jìn)一步提高效率降低能耗的問題等，使直線電機(jī)驅(qū)動城軌交通的優(yōu)勢更明顯。

2 立體車庫中的直驅(qū)技術(shù)

2.1 城市停車狀況

2010年5月27日，住建部、公安部和國家發(fā)改委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于城市停車規(guī)劃建設(shè)及管理的指導(dǎo)意見》，明確提出要推動立體化停車設(shè)施的建設(shè)與管理。

2.4 ABCG2 ELISA檢測結(jié)果 與對照組相比，阿霉素組ABCG2蛋白表達(dá)上調(diào)，苦參素組和聯(lián)合組中ABCG2蛋白表達(dá)均降低，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

隨著人們生活水平的提高和工作節(jié)奏的加快，我國城市汽車保有量逐年激增。以車代步既體現(xiàn)著生活方式的方便快捷與城市的現(xiàn)代化步伐，同時(shí)也產(chǎn)生著負(fù)面效應(yīng)，如公共場所、醫(yī)院、商業(yè)繁華地段停車難、停車亂的現(xiàn)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(yán)重影響著機(jī)動車正常運(yùn)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(jī)動車10%～20%的時(shí)間在路上走，剩下的80%～90%的時(shí)間要停著。不開的車輛停在哪是一個(gè)棘手的問題，如不采取措施，機(jī)動車保有量的迅速增長與城市停車場建設(shè)滯后的矛盾將十分突出。建設(shè)部城市交通工程技術(shù)中心曾對全國15個(gè)城市的停車狀況進(jìn)行過一次調(diào)查，結(jié)果表明，15個(gè)城市的機(jī)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(yán)重不足，迫使機(jī)動車占道停放、非法停放，占道停放的比例也遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國家和地區(qū)。停車問題已經(jīng)成為中國城市化進(jìn)程的一大瓶頸。從城市建設(shè)與發(fā)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(shè)的一個(gè)重要方向。其巨大的潛在市場為機(jī)械停車設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展展示了美好的前景，可以說，停車設(shè)備制造業(yè)將成為21世紀(jì)最熱門的行業(yè)之一。

2.2 國內(nèi)外立體車庫現(xiàn)狀

目前國內(nèi)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(jī)械式全自動立體停車庫。由于機(jī)械立體停車設(shè)施配置靈活，規(guī)?？纱罂尚?，既可單獨(dú)設(shè)置也可并排設(shè)置，可依附建筑物也可建在建筑物內(nèi)，可設(shè)在地上、地下，也可設(shè)在半地下，形式多樣，適應(yīng)性廣，因而成為當(dāng)前最具有推廣前景的停車方式。

具體而言，機(jī)械式全自動立體停車庫有以下優(yōu)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(jī)械式停車設(shè)備每個(gè)泊位投資約2～10萬元，而自行式立體停車場(庫)每個(gè)泊位的造價(jià)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(hù)性，改善了市容環(huán)境。(6)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。

業(yè)內(nèi)人士計(jì)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(jī)械式停車設(shè)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(huán)境下，立體停車設(shè)備無疑可以節(jié)約大筆的土地成本。尤其在商業(yè)中心、寫字樓、醫(yī)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(shè)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(shù)量上均是世界第一的發(fā)展中國家，而立體車庫對于大多數(shù)國家而言都是一個(gè)新興的產(chǎn)品，發(fā)展時(shí)間較短?？梢哉J(rèn)為中國對立體車庫的需求是世界各地區(qū)對立體車庫需求的一個(gè)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(wěn)定的發(fā)展趨勢。

就目前我國的立體車庫行業(yè)情況來說，應(yīng)該還處于剛剛起步，很多設(shè)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(shè)施的總量遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前汽車飛速發(fā)展的需求，且其技術(shù)裝置落后、技術(shù)水平低下，新技術(shù)、新產(chǎn)品的應(yīng)用率低，在滿足客戶特殊要求時(shí)更顯得力不從心。這是當(dāng)前立體車庫不能與汽車一樣飛速發(fā)展的障礙之一，說明立體車庫設(shè)備缺乏有效的差異化，存在功能缺陷。

2.3 新型直驅(qū)快速立體車庫

目前，國內(nèi)外的立體車庫其驅(qū)動系統(tǒng)均由力矩電機(jī)通過鏈條或鋼絲繩驅(qū)動運(yùn)行。一是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整個(gè)車庫每個(gè)車位都有鏈條或鋼絲繩及相應(yīng)的電機(jī)，還要減速箱等;二是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修不便，易出故障;三是一個(gè)最關(guān)鍵的問題一直未能很好解決，這就是停、取車的速度問題。現(xiàn)有立體車庫的驅(qū)動裝置幾乎均采用電機(jī)加鋼絲繩或鏈條的方式。這樣的驅(qū)動裝置，一般存取車時(shí)間約在120 s，較快的在90 s，最快的也大于70 s。要在現(xiàn)有驅(qū)動裝置的技術(shù)上再降低其存取時(shí)間到30 s以下，幾乎不可能。

(1)結(jié)構(gòu)簡單，車位無電機(jī)、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(tǒng)的立體車庫存取時(shí)間減少60%以上;

(3)環(huán)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(jié)構(gòu)直線電機(jī)驅(qū)動的直驅(qū)式快速平移裝置，該裝置通過可旋轉(zhuǎn)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(jī)直接驅(qū)動載車板，無鏈或繩的傳動，結(jié)構(gòu)簡單，且直接驅(qū)動使其驅(qū)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(jī)直接驅(qū)動。該車庫Ⅲ型將在垂直方向采用直線電機(jī)直接驅(qū)動。圖2為直驅(qū)式快速平移立體車庫的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為該立體車庫的直驅(qū)式快速平移結(jié)構(gòu)視圖。

圖2 車庫的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 快速平移結(jié)構(gòu)視圖

新型直驅(qū)快速立體車庫由浙江大學(xué)與杭州新峰恒富科技有限公司合作研發(fā)，已完成一個(gè)8車位立體車庫樣機(jī)，一直在停取車運(yùn)行試驗(yàn)。本項(xiàng)目已申請專利30項(xiàng)，其中10項(xiàng)專利已授權(quán)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(jī)軌道交通系統(tǒng)能耗與直線電機(jī)能耗分析［D］.直線電機(jī)軌道交通技術(shù)交流研討會論文集，2011.

［3］葉云岳.電氣裝備優(yōu)化與直驅(qū)技術(shù)［D］.浙江大學(xué)研究生學(xué)位課教材，2010.