浅谈Nidec KDS曳引机在地铁项目中的应用

       摘要：全球城市化进程加快，轨道交通行业快速发展。地铁作为城市重要基础设施，面对客流量与日俱增，乘客出行需求日益多样化的趋势，向地铁电梯中的核心部件——曳引机，带来了新的挑战和课题，例如在大客流场景下，如何兼顾效率与安全，如何满足乘客对舒适性和便捷性需求的提升，如何兼顾成本与设计寿命等。本文将浅谈Nidec KDS作为曳引机设计及制造专家，如何为客户提供专业解决方案。

       关键词：地铁电梯，工作制，节能环保，可靠性分析，过载能力，使用寿命设计

       根据《2021 年世界城市轨道交通运营统计与分析综述》中的分类方法，城市轨道交通可划分为地铁、轻轨和有轨电车三大类。轨道交通普遍具有运量大、速度快、班次密、安全舒适、准点率高、运费低和节能环保等优点，但同时要求具备较高技术要求和维护成本。[1]

地铁作为城市轨道交通中的重要一环，在城市交通发展中发挥不可置疑的重要作用，有利于缓解城市交通压力，通过建造综合交通网络，扩大城市半径，拓宽了居民的生活半径，提升居民生活品质，也可以提升城市的整体形象，促进城市发展和进步、社会交流和繁荣。

通过搭乘垂直电梯，乘客可高效便捷地进站、换乘或出站。电梯电机的技术水平对保障乘客搭乘体验感方面起到关键作用。Nidec KDS深耕电机行业60余载，产品集国际先进技术设计、卓越生产及质量管理为一体，凭着过硬的产品质量及完善的服务体系，已为印度大客户稳定供应地铁项目电梯曳引机十余载。

01全球城市轨道交通行业规模及前景发展

       根据统计结果显示，截至2022 年底，全球共有78个国家和地区的545座城市开通城市轨道交通，运营里程超过41386.12 km。相较于2021 年，全球城市轨道交通总里程增加4531.92 km，同比增长11.0%。[1]

图1展示了全球各大洲城市轨道交通总体规模（注：俄罗斯的全部城市划入欧洲计算）。从数据表明，地铁和有轨电车是全球的主流制式，而全球城市轨道交通主要集中在亚欧大陆，其中地铁主要分布在亚洲国家。[1]

图1 2022年世界各大洲城市轨道交通运营里程汇总（km）

        在全球范围内，城市轨道交通行业正处于关键的发展阶段，各国政府和企业不断投资新的技术和设施，以提高运输效率，减少环境污染，并提供更好的服务给广大乘客。全球轨道交通的建设和应用正不断扩展，一些发展中国家也在积极推进轨道交通的建设。

        印度自2014年起推动了大规模的地铁扩建。《印度时报》称截至2022年4月，印度的地铁网络已覆盖870公里，服务于18个城市。目前约有1000公里的地铁轨道在27个城市建设中。每月大约有近6公里新轨道投入使用。过去十年印度地铁建设的速度和规模令人印象深刻。

        Nidec KDS作为专业的电梯永磁同步电机方案提供者，在近十年内，已为印度大客户供应了超1600台垂直电梯电机，重点项目如图2展示。Nidec KDS以出强大的技术力量和制造力量，深度参与到城市建设中，助力当地城市的国际化形象建设。

图2 Nidec KDS中标的印度地铁项目

02  地铁行业产业链与电梯

       轨道交通串联了城市产业，促进了产业链条的延伸，能够带动装备制造、科技研发等配套产业的快速发展。地铁产业链如图3展示，各个环节相互依存，带动城市群和都市圈的经济发展。[2]

图3 地铁产业链

       电梯作为地铁供应链的上游产业，除了可为城市交通出行提供巨大的便利和保障，也体现了国家对于老年人、残疾人和携带重物的市民的关心和重视。未来城市的发展与地铁的建设紧密结合，建设轨道交通网，是政府的重要项目，其建设水平将会在城市印象中画下浓厚的一笔。

图4 Nidec KDS电机在地铁电梯中的应用

03地铁电梯电机技术要点

       为地铁垂直电梯核心部件的曳引机，其设计必须要依据地铁电梯的使用环境和应用场景进行考虑。Nidec KDS主机优秀的性能表现，来源于对应用环境的精准掌握和永磁同步电机的技术积累中，具体如下：

      1. 高工作制、高能效要求

       在全球提倡绿色低碳出行的背景下，轨道交通建设对节能提出了较高的要求，因此，地铁电梯相对其它电梯，要求曳引机必须具有较高的效率来满足客流量大的城市场景。梯速在1m/s左右电梯，其效率高达90%，而在电梯安装的要求下，必须管控主机的重量和尺寸，因此，需要曳引机设计工程师具备丰富的电磁设计经验，结合先进的电磁场分析软件优化电磁设计（图5），选用合适的电磁材料以满足要求。

        因运量的要求，曳引机运行都会比较频繁，所以对运行工作制有较高要求，一般在S5-60%或以上，同时对温升（图6）的要求也非常高。

        这就要求地铁曳引机设计时除满足节能、低温升性能之外，还必须符合紧凑性、经济性的原则。

图5 电磁场分析

图6 温升模拟

      2. 高安全性和可靠性要求

       高安全性和可靠性是电梯的基本要求和属性，人们对地铁电梯对安全性和可靠性要求甚至更高，因此，我们对机械强度做出具体分析（图7），在机械承载性和制动性能上作了特别要求和升级，针对关键机械部件如机座、轮毂、曳引轮及轴等相应提升了承载的安全倍数。

目前我们出口的地铁曳引机机大多采用鼓式制动器，其制动力矩盈余大，制动稳定，并匹配经充分验证后的电源控制器，制动器的输入电压、电流不受电网波动影响及其它用电设备的干扰，为曳引机的可靠运行提供了保障。

图7 机械强度分析

      3.过载稳定性强，乘坐舒适性要求高

      为乘客提供便利是配置地铁垂直电梯的目的之一。携带重物的市民以及需要特殊照顾的群体，如老年人、残疾人等是垂直电梯的主要服务对象，因此，地铁电梯曳引机需求过载能力强，根据过载分析，过载能力均在2倍以上，并且要求无论高速、低速，轻载、重载，力矩都能稳定输出。

      为了提供乘坐的舒适感，曳引机在设计时还特别注重抑制谐波，特别对影响舒适感较大的低次谐波及其力波幅值的抑制和削弱（图8），降低低速转矩脉动（图9）和齿槽转矩，确保电梯运行全过程平稳、噪声小、振动低，为乘客提供了良好的乘坐体验。

图8 力波分析

图9 转矩分析

4. 设计寿命高、维护保养人性化要求

      地铁曳引机在设计时还必须注重使用寿命，不仅仅局限上述所提到的，如低温升、高机械强度以延长曳引机使用寿命，还包含其它如电机绝缘、轴承、润滑油脂、永磁体等。如绝缘方面，选择力学性能及介电强度较高的绝缘纸作为槽绝缘，以及抗冲击电压更强的电磁线，在工艺方面推行VPI浸漆方式，大大提高了曳引机定子抵抗电压冲击的能力，延长曳引机的使用寿命。

      地铁电梯大多为无机房应用，Nidec KDS电机应用于地铁项目的主力机型如图10展示。在设计上我们尽可能采取集成化设计、免维护设计及易损部件可视化设计，如接线采用插拔方式、旋转部件免润滑设计、电气部件高防护设计、制动器摩擦片磨损量可视化等，延长了曳引机零部件使用寿命及更换的间隔，降低维护和保养难度，让曳引机的旋转更加顺畅、静音、持久。多项技术集成，成就优质产品，为客户节省了维护和保养成本。

图10 Nidec KDS电机应用于地铁项目的主力机型

04未来展望  

       世界城市轨道交通持续上升发展，预计2024年，世界城市轨道交通运营里程将突破44500km，轨道交通行业的未来发展前景亦非常广阔。在技术日新月异的时代里，对电梯电机的技术及质量要求将会越来越高，要求适应全球范围内多样的地区人文、地理差异。

      凭借高品质的产品、专业的解决方案和优良的服务团队，Nidec KDS在地铁类重要城市基建项目中已深耕十余年，助力全球客户取得了很多重大政府项目，为广大乘客提供了舒适安全的搭乘体验，帮助客户树立起值得信赖的良好口碑。

      未来，Nidec KDS将秉承“质量为先，成就客户”的经营理念，以客户为中心，用坚实的设计和制造力量，用超越客户期望的优质服务，与客户携手打造更多更优的电梯解决方案。