永磁直驅(qū)現(xiàn)代有軌電車

李克雷，劉玉文，鄧小軍，吳永深，牟曉莎

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

永磁直驅(qū)現(xiàn)代有軌電車

李克雷，劉玉文，鄧小軍，吳永深，牟曉莎

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

介紹青島城陽永磁直驅(qū)現(xiàn)代有軌電車，包括車輛的編組和主要技術(shù)參數(shù)，以及車體、轉(zhuǎn)向架、牽引系統(tǒng)、列車控制及診斷、輔助電源系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等主要部件和系統(tǒng)的基本特點，并對永磁直驅(qū)有軌電車的主要技術(shù)特點進行了總結(jié)。

有軌電車；永磁牽引電機；直驅(qū)技術(shù)

0　引言

現(xiàn)代有軌電車作為一種新興的公共交通形式，運行速度快，編組靈活，運量較大，綠色環(huán)保，同時建設(shè)費用低，施工周期短，與地鐵和公交系統(tǒng)互補，符合國內(nèi)多元化交通運輸網(wǎng)絡(luò)的需求，得到了快速發(fā)展?，F(xiàn)代有軌電車所采用的低地板技術(shù)的不同，決定了車輛的主要結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)各不相同，以下介紹為青島城陽示范線所設(shè)計的采用永磁直驅(qū)技術(shù)的現(xiàn)代有軌電車。

1　列車編組及主要技術(shù)參數(shù)

1.1列車編組

永磁直驅(qū)現(xiàn)代有軌電車采用 3 模塊 4 轉(zhuǎn)向架編組，如圖 1 所示，編組方式為：= Mcl + Ml + Mc2 =，其中：=為折疊車鉤，+為鉸接式轉(zhuǎn)向架；Mc1、Mc2 為帶司機室的模塊，M1 為無司機室模塊。

1.2列車主要參數(shù)

列車主要技術(shù)規(guī)格和設(shè)計參數(shù)見表 1。

表 1 中，平均牽引加速度是列車在平直干燥軌道上，在額定電壓（750 V）、額定載員、車輪半磨耗狀態(tài)下的測試結(jié)果。平均制動減速度是列車在平直干燥軌道上以最高速度（70 km/h）運行時，在任何載荷情況下從給出制動指令到停車時的測試結(jié)果。

圖 1 永磁直驅(qū)有軌電車

表 1 列車主要設(shè)計參數(shù)

2　列車的主要設(shè)備

列車主要設(shè)備布置情況見表 2。

表 2 主要設(shè)備布置情況一覽表

2.1車體

車體采用輕量化整體承載的鋼骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計，底架、車頂、司機室、側(cè)墻和端墻均能承受載荷，保證車體在輕量化的同時具有足夠的強度和剛度，以承受車輛不同工況下所受到的各種載荷，車體材料為高耐候鋼，其機械性能滿足標準 GB/T4171-2008《耐候結(jié)構(gòu)鋼》要求。

車輛采用鼓形斷面設(shè)計，在頭型設(shè)計、車體造型和外裝上符合現(xiàn)代有軌電車的特點。外側(cè)墻采用與傳統(tǒng)地鐵車輛不同的結(jié)構(gòu)，為粘接模壓玻璃鋼，由于有軌電車在路面上與其他車輛混行，經(jīng)常出現(xiàn)磕碰等交通事故，采用這樣的結(jié)構(gòu)，可以便于車輛的維修以及美觀造型。

車體固有頻率、轉(zhuǎn)向架固有頻率以及車上電氣設(shè)備的自振頻率均有差異，防止發(fā)生共振現(xiàn)象。

為了在發(fā)生碰撞時吸收動能、保護乘客安全，在Mc1 車模塊的前端設(shè)置防爬器和吸能裝置。

完工后的車體見圖 2。

圖 2 車體完工后的照片

2.2轉(zhuǎn)向架

永磁直驅(qū)現(xiàn)代有軌電車的中部采用低地板車輛專用鉸接式轉(zhuǎn)向架（圖 3），通過搖枕上的轉(zhuǎn)盤實現(xiàn)模塊之間的連接以及牽引力的傳遞，而不是采用車體之間的鉸接方式，該結(jié)構(gòu)簡單可靠。這種車體的優(yōu)點是車體受力均衡，不易導(dǎo)致應(yīng)力集中，徹底避免了浮車型的各種缺點；另外，車體與轉(zhuǎn)向架之間通過軸承相連，回轉(zhuǎn)靈活，摩擦力小，可通過曲線半徑更小。這種車體轉(zhuǎn)向架的連接方式還具有的一個優(yōu)點是安全，當車輛出現(xiàn)脫軌故障時，車輛不會出現(xiàn)傾覆，最大限度地避免了對乘客造成危險，提高了車輛的安全性。

圖 3 有軌電車用轉(zhuǎn)向架

2.2.1直驅(qū)傳動技術(shù)

采用直驅(qū)技術(shù)，無齒輪箱結(jié)構(gòu)。相對于傳統(tǒng)帶齒輪箱的傳動系統(tǒng)，無齒輪箱的傳動系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢。

（1）減少了傳動系統(tǒng)的成本和能耗。

（2）降低了傳動系統(tǒng)的維修難度和費用。

（3）沒有傳動齒輪的油耗磨損和噪聲。

新型現(xiàn)代有軌電車的傳動系統(tǒng)主要由以下部件組成。

（1）為牽引電動機供電的水冷三相 IGBT 逆變器。

（2）驅(qū)動無齒輪箱的永磁同步牽引電動機。

（3）全懸掛傳動裝置——萬向節(jié)空心軸聯(lián)軸節(jié)。

2.2.2永磁同步牽引電動機

雖然異步牽引電機具有其獨特的優(yōu)點，但在傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸、重量、損耗和噪聲方面相對同步牽引電機仍有劣勢。永磁三相交流同步牽引電動機具有如下特點。

（1）采用液冷，全封式結(jié)構(gòu)，增加了牽引電動機的可靠性。

（2）采用多磁極對數(shù)結(jié)構(gòu)，減小了定子磁軛的厚度，同時縮短繞組端部，從而減小了電極體積和重量，增加了單位質(zhì)量的功率。

（3）實踐表明，定子繞組的耐熱等級（200）符合軌道交通的電機絕緣標準要求。

（4）轉(zhuǎn)子損耗件少，牢固性非?？煽俊?/p>

牽引電動機的主要技術(shù)參數(shù)見表 3。

牽引電動機示意圖見圖 4。

表 3 牽引電動機的主要技術(shù)參數(shù)

圖 4 牽引電動機示意圖

2.3牽引系統(tǒng)

列車的牽引及其控制系統(tǒng)采用輪控方式，主要包括受電弓、高壓箱、牽引電動機、高速斷路器箱等設(shè)備，每個牽引箱內(nèi)包含 4 個獨立的牽引控制模塊，控制 1 個轉(zhuǎn)向架上的 4 個永磁同步牽引電動機，牽引系統(tǒng)主電路原理如圖 5 所示。

圖 5 牽引系統(tǒng)主電路圖

2.4制動系統(tǒng)

永磁直驅(qū)現(xiàn)代有軌電車制動系統(tǒng)為微機控制的閉環(huán)數(shù)字、液壓傳動的盤式制動系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、制動率高、緊急制動減速度大的特點，滿足車輛在城市中與其他交通工具混跑的安全性要求。其制動原理圖見圖 6。

制動系統(tǒng)具有常用制動功能（包括電液混合制動功能）、安全制動功能、緊急制動功能、保持制動及停放制動功能。每個轉(zhuǎn)向架均設(shè)有 1 套獨立的制動控制單元。本裝置通過接收列車控制單元發(fā)出的制動指令，制動力隨列車載重自動調(diào)整，并設(shè)有電子防滑系統(tǒng)。

列車設(shè)撒砂裝置，具有自動和手動 2 種操作方式，正常運營狀態(tài)下采用自動模式。

為改善通過小曲線的輪軌磨耗，車輛設(shè)有濕式輪緣潤滑裝置。

2.5輔助供電系統(tǒng)

車輛安裝1套輔助電源裝置，即靜止逆變器（SIV），采用微機控制大功率電力電子器件 IGBT，其輸出能力滿足列車各種負載工況的用電要求。

IGBT 輸出 50 Hz、三相 380 V、單相 220 V 的正弦基波交流電和 24 V 的直流電。

輔助供電系統(tǒng)可在短時間內(nèi)承受負載起動電流的沖擊，抗過載能力強；具有完備的輸入、輸出、過流、過壓、接地等保護；具有自動監(jiān)控功能，可實現(xiàn)自我診斷和故障記錄，并將故障情況傳送到控制室。

靜止逆變器技術(shù)參數(shù)如下。

（1）持續(xù)電流（輸入?yún)?shù)），額定電壓 DC750V（500～950 V）。

（2）輸出電源三相交流 380 V：①定頻部分，額定輸出功率 14 kVA，額定輸出電壓 380（1±10%）V；頻率50（1±1%）Hz；②可變頻部分，額定輸出功率 14 kVA；額定輸出電壓 380（1±10%）V，頻率可調(diào)值 20～50 Hz。

圖 6 液壓制動原理圖

（3）輸出電源參數(shù) AC220V：單相額定連續(xù)輸出功率 2.5 kVA；單相額定輸出電壓 220 V；單相額定輸出頻率 50（1±1%）Hz；單相額定輸出電流 11 A。

（4）輸出電源參數(shù) DC24V：①車輛低壓電源，低電壓電網(wǎng) 24 V，輸出電壓 16.8～30 V，最大連續(xù)輸出電流 240 A；②制動器電源：額定輸出電壓 16.8～30 V，額定輸出電流 4×80 A。

2.6列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)

列車采用 2 套網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互：控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。CAN 網(wǎng)絡(luò)為控制網(wǎng)，主要用來傳輸控制類數(shù)據(jù)，實現(xiàn)列車控制。以太網(wǎng)主要用來傳輸視頻、音頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)。其余牽引、制動等設(shè)備的以太網(wǎng)連接主要用來作為維護接口，僅在修改程序等情況下使用。

2.6.1CAN網(wǎng)絡(luò)

CAN網(wǎng)絡(luò)根據(jù)設(shè)備的布置分為 3 個子網(wǎng)絡(luò)：CAN1網(wǎng)絡(luò)主要由司機室 4 個面板以及顯示器組成；CAN2網(wǎng)絡(luò)主要由牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)以及服務(wù)面板組成；CAN3 網(wǎng)絡(luò)主要由輔助單元、車門、空調(diào)、遠程輸入輸出模塊組成。CAN 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖見圖 7，圖 7 中“I/O”為“輸入/輸出單元”。

圖 7 CAN 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

2.6.2以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)

車輛上布設(shè)有以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，主要有以下 2 種功能。

（1）音頻、視頻數(shù)據(jù)傳輸。主要用來傳輸旅客信息系統(tǒng)（PIDS）的信息數(shù)據(jù)，包括液晶顯示器（LCD）、發(fā)光二極管（LED）顯示器、視頻監(jiān)控監(jiān)視（CCTV）的視頻信息等相關(guān)內(nèi)容。

（2）維護端口。如車門、空調(diào)（HVAC）、牽引、制動（BCU）等子系統(tǒng)，車輛控制單元（VCU）、人機接口（HMI）等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過以太網(wǎng)連接，起維護終端的作用，包括更新下載程序、系統(tǒng)維護等用途。

車輛以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖見圖 8。

3　列車的主要技術(shù)特點

（1）采用同步永磁電機驅(qū)動，體積小，重量輕，效率高（效率為 0.97，異步電機效率 0.92），黏著利用好，是目前世界上最先進的驅(qū)動技術(shù)。

（2）單電機控制，曲線通過性能優(yōu)秀，采用 1 個牽引變流器控制 1 個電機的低地板獨立輪轉(zhuǎn)向架車輛，曲線通過時，4 個車輪始終處于徑向位置，沖角小，無輪軌滑動，基本消除輪緣磨耗，提高了車輪壽命并減小了輪軌噪聲。

圖 8 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

（3）采用雙轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)向架承載方式，無車端鉸接裝置，車輛結(jié)構(gòu)可靠，動力學(xué)性能好；轉(zhuǎn)向架與車體回轉(zhuǎn)靈活，能夠順利通過小曲線。

（4）無齒輪箱，運營維護成本低，采用構(gòu)架安裝的直驅(qū)電機，轉(zhuǎn)向架上沒有齒輪傳動箱，杜絕齒輪箱漏油等問題，整體結(jié)構(gòu)簡單，制造及維護成本低。

（5）轉(zhuǎn)向架布置在車端，車門布置更加靈活，每個模塊單側(cè)對開門數(shù)量可達 2 個，乘客上下車更快，停站時間短。

（6）動力配置靈活，起動加速度大，列車加速快，可減少運營列車間隔時間。

（7）車輛輕量化設(shè)計，自重小，同樣載客工況下，軸重輕，車輛能耗低。

（8）采用模塊化設(shè)計，可根據(jù)業(yè)主的要求，實現(xiàn) 2～5 個模塊的靈活編組，動力配置可以采用全部動力轉(zhuǎn)向架配置或部分動力轉(zhuǎn)向架配置。

（9）低噪聲。車輛通過曲線性能好，無輪軌滑動尖叫；彈性車輪技術(shù)；牽引電機無風冷噪聲；無齒輪箱傳動噪聲；整車噪聲控制技術(shù)全面。

4　結(jié)束語

永磁直驅(qū)現(xiàn)代有軌電車通過全面的評估規(guī)劃、嚴謹?shù)脑O(shè)計和仿真分析驗證，根據(jù)工藝流程快速進行了生產(chǎn)制造，參照相關(guān)標準通過了強度、模態(tài)、電磁兼容、振動噪聲等一系列型式試驗，表明列車技術(shù)參數(shù)完全符合設(shè)計要求。城陽有軌電車線路已于 2016 年 3 月正式開通運營，其車輛的性能、可靠性得到了業(yè)主的充分肯定，作為山東地區(qū)的首條有軌電車線路，城陽永磁直驅(qū)有軌電車的成功應(yīng)用，對城市軌道交通線網(wǎng)的車輛選擇具有重要的借鑒和指導(dǎo)意義。

［1］ 秦國棟，苗彥英，張素燕. 有軌電車的發(fā)展歷程和思考［J］. 城市交通，2013，11（4）：6-12.

［2］ GB/T23431-2009 城市輕軌交通鉸接車輛通用技術(shù)條件［S］. 2009.

［3］ CJ/T417-2012 城市低地板有軌電車的通用技術(shù)條件［S］. 2012.

［4］ A. Joeckel. 無傳動齒輪箱的機車交流傳動［J］. 變流技術(shù)與電力牽引，2003（5）：34-38.

［5］ 張安. 北京昌平線地鐵車輛［J］. 機車電傳動，2011（3）：56-60，82.

責任編輯 冒一平

Modern Tram of Permanent Magnet Direct Drive

Li Kelei， Liu Yuwen， Deng Xiaojun， et al.

The paper introduces the Qingdao Chengyang’s modern trams of permanent magnet direct drive， including vehicle formation and the main technical specifi cations， basic characteristics and the major components and systems such as car-body， bogie， traction system， train control and diagnosis system， auxiliary power supply system，braking system， and it further summarizes the main technical characteristics of permanent magnet direct drive tram.

tram， permanent magnet traction motor，direct drive technology

U482.1

2016-06-17

李克雷（1979—），男，高級工程師