永磁直驱现代有轨电车

李克雷，刘玉文，邓小军，吴永深，牟晓莎

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111）

永磁直驱现代有轨电车

李克雷，刘玉文，邓小军，吴永深，牟晓莎

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111）

介绍青岛城阳永磁直驱现代有轨电车，包括车辆的编组和主要技术参数，以及车体、转向架、牵引系统、列车控制及诊断、辅助电源系统、制动系统等主要部件和系统的基本特点，并对永磁直驱有轨电车的主要技术特点进行了总结。

有轨电车；永磁牵引电机；直驱技术

0　引言

现代有轨电车作为一种新兴的公共交通形式，运行速度快，编组灵活，运量较大，绿色环保，同时建设费用低，施工周期短，与地铁和公交系统互补，符合国内多元化交通运输网络的需求，得到了快速发展。现代有轨电车所采用的低地板技术的不同，决定了车辆的主要结构、技术参数各不相同，以下介绍为青岛城阳示范线所设计的采用永磁直驱技术的现代有轨电车。

1　列车编组及主要技术参数

1.1列车编组

永磁直驱现代有轨电车采用 3 模块 4 转向架编组，如图 1 所示，编组方式为：= Mcl + Ml + Mc2 =，其中：=为折叠车钩，+为铰接式转向架；Mc1、Mc2 为带司机室的模块，M1 为无司机室模块。

1.2列车主要参数

列车主要技术规格和设计参数见表 1。

表 1 中，平均牵引加速度是列车在平直干燥轨道上，在额定电压（750 V）、额定载员、车轮半磨耗状态下的测试结果。平均制动减速度是列车在平直干燥轨道上以最高速度（70 km/h）运行时，在任何载荷情况下从给出制动指令到停车时的测试结果。

图 1 永磁直驱有轨电车

表 1 列车主要设计参数

2　列车的主要设备

列车主要设备布置情况见表 2。

表 2 主要设备布置情况一览表

2.1车体

车体采用轻量化整体承载的钢骨架结构设计，底架、车顶、司机室、侧墙和端墙均能承受载荷，保证车体在轻量化的同时具有足够的强度和刚度，以承受车辆不同工况下所受到的各种载荷，车体材料为高耐候钢，其机械性能满足标准 GB/T4171-2008《耐候结构钢》要求。

车辆采用鼓形断面设计，在头型设计、车体造型和外装上符合现代有轨电车的特点。外侧墙采用与传统地铁车辆不同的结构，为粘接模压玻璃钢，由于有轨电车在路面上与其他车辆混行，经常出现磕碰等交通事故，采用这样的结构，可以便于车辆的维修以及美观造型。

车体固有频率、转向架固有频率以及车上电气设备的自振频率均有差异，防止发生共振现象。

为了在发生碰撞时吸收动能、保护乘客安全，在Mc1 车模块的前端设置防爬器和吸能装置。

完工后的车体见图 2。

图 2 车体完工后的照片

2.2转向架

永磁直驱现代有轨电车的中部采用低地板车辆专用铰接式转向架（图 3），通过摇枕上的转盘实现模块之间的连接以及牵引力的传递，而不是采用车体之间的铰接方式，该结构简单可靠。这种车体的优点是车体受力均衡，不易导致应力集中，彻底避免了浮车型的各种缺点；另外，车体与转向架之间通过轴承相连，回转灵活，摩擦力小，可通过曲线半径更小。这种车体转向架的连接方式还具有的一个优点是安全，当车辆出现脱轨故障时，车辆不会出现倾覆，最大限度地避免了对乘客造成危险，提高了车辆的安全性。

图 3 有轨电车用转向架

2.2.1直驱传动技术

采用直驱技术，无齿轮箱结构。相对于传统带齿轮箱的传动系统，无齿轮箱的传动系统具有如下优势。

（1）减少了传动系统的成本和能耗。

（2）降低了传动系统的维修难度和费用。

（3）没有传动齿轮的油耗磨损和噪声。

新型现代有轨电车的传动系统主要由以下部件组成。

（1）为牵引电动机供电的水冷三相 IGBT 逆变器。

（2）驱动无齿轮箱的永磁同步牵引电动机。

（3）全悬挂传动装置——万向节空心轴联轴节。

2.2.2永磁同步牵引电动机

虽然异步牵引电机具有其独特的优点，但在传动系统的结构尺寸、重量、损耗和噪声方面相对同步牵引电机仍有劣势。永磁三相交流同步牵引电动机具有如下特点。

（1）采用液冷，全封式结构，增加了牵引电动机的可靠性。

（2）采用多磁极对数结构，减小了定子磁轭的厚度，同时缩短绕组端部，从而减小了电极体积和重量，增加了单位质量的功率。

（3）实践表明，定子绕组的耐热等级（200）符合轨道交通的电机绝缘标准要求。

（4）转子损耗件少，牢固性非常可靠。

牵引电动机的主要技术参数见表 3。

牵引电动机示意图见图 4。

表 3 牵引电动机的主要技术参数

图 4 牵引电动机示意图

2.3牵引系统

列车的牵引及其控制系统采用轮控方式，主要包括受电弓、高压箱、牵引电动机、高速断路器箱等设备，每个牵引箱内包含 4 个独立的牵引控制模块，控制 1 个转向架上的 4 个永磁同步牵引电动机，牵引系统主电路原理如图 5 所示。

图 5 牵引系统主电路图

2.4制动系统

永磁直驱现代有轨电车制动系统为微机控制的闭环数字、液压传动的盘式制动系统，具有结构紧凑、制动率高、紧急制动减速度大的特点，满足车辆在城市中与其他交通工具混跑的安全性要求。其制动原理图见图 6。

制动系统具有常用制动功能（包括电液混合制动功能）、安全制动功能、紧急制动功能、保持制动及停放制动功能。每个转向架均设有 1 套独立的制动控制单元。本装置通过接收列车控制单元发出的制动指令，制动力随列车载重自动调整，并设有电子防滑系统。

列车设撒砂装置，具有自动和手动 2 种操作方式，正常运营状态下采用自动模式。

为改善通过小曲线的轮轨磨耗，车辆设有湿式轮缘润滑装置。

2.5辅助供电系统

车辆安装1套辅助电源装置，即静止逆变器（SIV），采用微机控制大功率电力电子器件 IGBT，其输出能力满足列车各种负载工况的用电要求。

IGBT 输出 50 Hz、三相 380 V、单相 220 V 的正弦基波交流电和 24 V 的直流电。

辅助供电系统可在短时间内承受负载起动电流的冲击，抗过载能力强；具有完备的输入、输出、过流、过压、接地等保护；具有自动监控功能，可实现自我诊断和故障记录，并将故障情况传送到控制室。

静止逆变器技术参数如下。

（1）持续电流（输入参数），额定电压 DC750V（500～950 V）。

（2）输出电源三相交流 380 V：①定频部分，额定输出功率 14 kVA，额定输出电压 380（1±10%）V；频率50（1±1%）Hz；②可变频部分，额定输出功率 14 kVA；额定输出电压 380（1±10%）V，频率可调值 20～50 Hz。

图 6 液压制动原理图

（3）输出电源参数 AC220V：单相额定连续输出功率 2.5 kVA；单相额定输出电压 220 V；单相额定输出频率 50（1±1%）Hz；单相额定输出电流 11 A。

（4）输出电源参数 DC24V：①车辆低压电源，低电压电网 24 V，输出电压 16.8～30 V，最大连续输出电流 240 A；②制动器电源：额定输出电压 16.8～30 V，额定输出电流 4×80 A。

2.6列车控制及监控系统

列车采用 2 套网络系统进行数据交互：控制器局域网络（CAN）和以太网网络。CAN 网络为控制网，主要用来传输控制类数据，实现列车控制。以太网主要用来传输视频、音频监控等数据。其余牵引、制动等设备的以太网连接主要用来作为维护接口，仅在修改程序等情况下使用。

2.6.1CAN网络

CAN网络根据设备的布置分为 3 个子网络：CAN1网络主要由司机室 4 个面板以及显示器组成；CAN2网络主要由牵引系统、制动系统以及服务面板组成；CAN3 网络主要由辅助单元、车门、空调、远程输入输出模块组成。CAN 网络拓扑图见图 7，图 7 中“I/O”为“输入/输出单元”。

图 7 CAN 网络拓扑图

2.6.2以太网网络

车辆上布设有以太网网络，主要有以下 2 种功能。

（1）音频、视频数据传输。主要用来传输旅客信息系统（PIDS）的信息数据，包括液晶显示器（LCD）、发光二极管（LED）显示器、视频监控监视（CCTV）的视频信息等相关内容。

（2）维护端口。如车门、空调（HVAC）、牵引、制动（BCU）等子系统，车辆控制单元（VCU）、人机接口（HMI）等网络设备通过以太网连接，起维护终端的作用，包括更新下载程序、系统维护等用途。

车辆以太网网络拓扑图见图 8。

3　列车的主要技术特点

（1）采用同步永磁电机驱动，体积小，重量轻，效率高（效率为 0.97，异步电机效率 0.92），黏着利用好，是目前世界上最先进的驱动技术。

（2）单电机控制，曲线通过性能优秀，采用 1 个牵引变流器控制 1 个电机的低地板独立轮转向架车辆，曲线通过时，4 个车轮始终处于径向位置，冲角小，无轮轨滑动，基本消除轮缘磨耗，提高了车轮寿命并减小了轮轨噪声。

图 8 以太网网络拓扑图

（3）采用双转盘的转向架承载方式，无车端铰接装置，车辆结构可靠，动力学性能好；转向架与车体回转灵活，能够顺利通过小曲线。

（4）无齿轮箱，运营维护成本低，采用构架安装的直驱电机，转向架上没有齿轮传动箱，杜绝齿轮箱漏油等问题，整体结构简单，制造及维护成本低。

（5）转向架布置在车端，车门布置更加灵活，每个模块单侧对开门数量可达 2 个，乘客上下车更快，停站时间短。

（6）动力配置灵活，起动加速度大，列车加速快，可减少运营列车间隔时间。

（7）车辆轻量化设计，自重小，同样载客工况下，轴重轻，车辆能耗低。

（8）采用模块化设计，可根据业主的要求，实现 2～5 个模块的灵活编组，动力配置可以采用全部动力转向架配置或部分动力转向架配置。

（9）低噪声。车辆通过曲线性能好，无轮轨滑动尖叫；弹性车轮技术；牵引电机无风冷噪声；无齿轮箱传动噪声；整车噪声控制技术全面。

4　结束语

永磁直驱现代有轨电车通过全面的评估规划、严谨的设计和仿真分析验证，根据工艺流程快速进行了生产制造，参照相关标准通过了强度、模态、电磁兼容、振动噪声等一系列型式试验，表明列车技术参数完全符合设计要求。城阳有轨电车线路已于 2016 年 3 月正式开通运营，其车辆的性能、可靠性得到了业主的充分肯定，作为山东地区的首条有轨电车线路，城阳永磁直驱有轨电车的成功应用，对城市轨道交通线网的车辆选择具有重要的借鉴和指导意义。

［1］ 秦国栋，苗彦英，张素燕. 有轨电车的发展历程和思考［J］. 城市交通，2013，11（4）：6-12.

［2］ GB/T23431-2009 城市轻轨交通铰接车辆通用技术条件［S］. 2009.

［3］ CJ/T417-2012 城市低地板有轨电车的通用技术条件［S］. 2012.

［4］ A. Joeckel. 无传动齿轮箱的机车交流传动［J］. 变流技术与电力牵引，2003（5）：34-38.

［5］ 张安. 北京昌平线地铁车辆［J］. 机车电传动，2011（3）：56-60，82.

责任编辑 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，高级工程师