外觀
▲ 80系於今里站 2012/06/21(四)

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前言
今里筋線(正式名稱:大阪市高速電気軌道第8号線)於2006年平安夜開業,縱貫大阪市東部,連接京阪電鐵京阪本線與JR學研都市線,全長11.9公里,沿途設11個地下車站,單程全程運行約需24分鐘,路線編號、車站編號開頭為英文字母「I」(取今里筋線英文拼音Imazatosuji的字首)。此路線採用鋼輪鋼軌式線性馬達技術,軌距為1435mm國際標準軌,並使用DC1500V架空電車線之電氣方式作為列車動力來源。

線性馬達捷運,曾經在機場捷運建設案中,一度差點引進臺灣,無奈系統採購、競標、議價的問題,改採傳統鋼輪鋼軌系統,終究無緣在國內見到。在此次關西旅遊中,為了實際探訪線性馬達技術,選定了大阪市最新的今里筋線,將個人考察結果配合文獻輔助,分享與各位。

線性馬達捷運的原理與發展
國中時上過物理課的人都知道:傳統的電動機(馬達)都包含轉子和定子,轉子為可旋轉的部份,定子為固定不動的部份,當電流通入時通過轉子與定子便形成同性相斥的磁場,達成電動機旋轉的目的(電能轉換為動能)。而線性馬達(正式名稱為直線電動機)我們則可以想像一下,把定子與轉子攤開來,加長成一直線,就是線性馬達了。之後,我們把轉子裝在車上(日本稱為一次側),定子則沿著軌道正中央一直鋪設過去(日本稱為二次側),同樣地利用同性相斥來推動車輛,這就是線性馬達捷運基本的運作原理。用在鐵路(捷運)車輛的線性馬達有「線性感應馬達」(Linear Induction Motor,由三相交流非同步感應電動機發展而來)以及「線性同步馬達」(Linear Synchronous Motor,由永久磁鐵同步電動機發展而來),因生產成本的問題,目前大多使用前者,包括線性馬達捷運、HSST愛知磁浮、德國Transrapid高速磁浮皆是。

線性馬達捷運與正統磁浮列車同樣具有爬坡力強(坡度可達千分之70),雨天加減速沒有動輪空轉、滑走的問題。那麼,線性馬達車輛與正統的磁浮列車差異在哪呢?答案就是線性馬達車輛仍利用傳統車輪及鐵軌作為它「支撐+導引」的介面,再配合線性馬達作為「推進」的介面;而磁浮列車雖不用鐵軌、車輪,但必須加設第二套線性馬達專門浮起和導引車輛,成本提高許多。因此,線性馬達捷運發展的目的,就是折衷傳統鐵路與磁浮列車優點的系統,因為車輪可以縮小、轉向架高度可降低,只要搭配縮小尺寸的車體設計、再加上縮小隧道斷面,可減低許多地下鐵的建設成本,約是傳統地下鐵的2/3。另外由於沒有車輪磨耗的問題,亦可以鋪設較小迴轉半徑的軌道。

世界上有發展線性馬達運的國家或廠商,一個是加拿大Bombardier公司(收購自加拿大UTDC公司的技術),稱為ART(Advanced Rapid Transit),使用標準軌、第三軌供電、活動軸距轉向架並裝有磁軌煞車,並實施全自動無人駕駛。在溫哥華開通了世界第一條線性馬達捷運(SkyTrain),ART系統還外銷了馬來西亞、南韓等地。另一個就是日本,由日立製作所與其他車輛廠商、電機廠商合作開發,使用標準軌、DC1500V架空電車線,第一條營業的路線即是大阪市營地下鐵長堀鶴見緑地線,之後才有今里筋線、東京都営大江戶線、福岡地下鉄七隈線、神戶市営地下鉄海岸線、横浜市営地下鉄グリーンライン等路線的開通(未按通車順序排列)。

線性馬達軌道
▲ 線性馬達的軌道,兩條運行軌正中間的長條狀物體即是線性馬達的「二次側」(相當於傳統馬達的定子)。

車輛概要
80系由川崎重工及近畿車輛承包,一共有17組(68輛),前者生產第2~5、14~17編成;後者生產第1、6~13編成,於2005年11月陸續出廠。本系式一列車以4輛車組成,並預留可增至6車,每輛車皆有動力(全馬達車)。

井高野(I11) ← 8100(M2c)-8200(M1e)-8400(M1e)-8500(M2c) → 今里(I21)

8100型(M2c車) ─ 井高野方向駕駛馬達車。搭載推進換流裝置、主電動機(線性馬達)、電動空氣壓縮機、輔助電源裝置、集電裝置。
8200型(M1e車) ─ 馬達車。搭載推進換流裝置、主電動機(線性馬達)、蓄電池(電瓶)。
8400型(M1e車) ─ 馬達車。搭載推進換流裝置、主電動機(線性馬達)、蓄電池(電瓶)。
8500型(M2c車) ─ 今里方向駕駛馬達車。搭載推進換流裝置、主電動機(線性馬達)、電動空氣壓縮機、輔助電源裝置、集電裝置。

80系的編號規則是:千位數及百位數代表型式,十位數及個位數則為流水編號。

製造商&車號銘版
▲ 80系的製造銘版、車輛號碼牌與車廂號碼牌。  

外觀與車體
80系以橘色為基準,用深淺漸層變化作為線條搭配,先頭車側面有個"LIM"字樣,代表著採用線性感應馬達。車廂長15000mm(先頭車15200mm)、寬2496mm、高3040mm(軌面至車頂)。車頭端面以類似酒桶的形狀為設計,使用黑框擋風玻璃,並有逃生門的設計,下半部則與車身其他部分使用白色塗裝。 車燈與尾燈均配置於擋風玻璃上方兩側,終站指示器在擋風玻璃上方以及各車廂側面車端上方皆有設置。

客用車門每車每側配置3組中央對開式電動車門,移動方式為內崁滑動式,寬度1300mm,以直流馬達搭配螺旋齒輪桿驅動車門的運動。 車門附有障礙物偵測功能,在夾到物體或人體時車門將會自動重新開、關。

本系式採用大型中空壓出材料的輕型鋁合金車體,多數結構為一體成型,部分結構則採用摩擦攪拌熔接方式(FSW熔接)製作而成。生產過程中高度自動化、高精度化,確保了車體材料能維持車內的靜肅性。

車門、行先外視
▲ 先頭車外觀側面,車門與月台門正在關閉。  

內裝
80系的內裝,為因應地下鐵的大客流量需要清潔容易,故以簡約為準則。車內以白色及米色為底色,地板使用淺褐色,搭配長條型翠綠色絨布座椅(優先席則使用藍色),每座寬度為470mm,椅子下方有電暖裝置,冬天時將會使用。車門上方的旅客服務介面,有〝路線圖貼紙+開門方向指示器〞以及〝LED顯示器+開門方向指示器兩種〞,採用交錯配置(日文:千鳥配置),前者配置於駕駛室方向起右側第2車門及左側第1、3車門,其實則配置後者。LED顯示器可顯示車站資訊字幕、政令宣導,特別的是會利用簡單的圖示顯示即將到達車站之設施平面示意圖,可惜欲拍攝時因車廂嚴重晃動,筆者無法順利紀錄。車廂兩端都有透明玻璃的設計,可以見到鄰車旅客的一舉一動,同樣的駕駛室與客室間也有大片玻璃,但是由於這條路線都在地下行走,除非站在駕駛室通道門的小玻璃後方,否則是看不到司機開車的。

本系式的窗戶設有卷軸式窗簾,但因為行走路線皆位於地下,使用時機趨近於0%。

本系式(包括多數日本的地下鐵車輛)車內與台灣捷運系統最大的不同,椅子上方都有行李架,在日本這可是標準配備!而且車廂與車廂間不見得都是開放式的聯結走道,像80系就都有通道門的設計。

客室全景
▲ 客室全景,拍攝當時外面下大雨,故車廂地板有旅客鞋子殘留的水。

電光路線圖
▲ 路線圖與文字式開門方向指示。

PIDS-SI
▲ 車內LED顯示器(SI)與文字式開門方向指示(未顯示)。      

駕駛室、保安裝置、運轉支援裝置
80系駕駛室設置於各先頭車的右側,但仍維持靠左行駛的方式,較為特殊。駕駛台操作介面採用右手操作式複合動力把手,設計有電門4段(P1~P4)、滑行段位、煞車7段(B1~B7)和緊急煞車段位。左側設有各式運轉相關的按鍵、腕表置放槽、行車用無線電話筒、車內緊急對講機話筒等。儀表板上由左至右則有TIMS、數位式電車線電壓計、數位式控制電源電壓計、數位式馬達電流計、車速計附ATC燈號、煞車氣壓計,其餘則有若干燈號和夾紙本時刻表的位置。

本系式裝有CS-ATC車上顯示式自動列車控制裝置(Cab Signal Automatic Train Control),係將容許號誌顯示於駕駛室內,而不於軌道旁裝設號誌機與限速標誌的方式(機廠區域除外)。在儀表板上環繞於車速器邊緣有數個速度碼燈號,分別有0、15、25、40、50、60、70。司機員須依照速度碼規定之速限行駛,一旦超過1km/h以上,或因接近前車、進入較低速限區使得速度碼降低時,系統將自動執行常用最大煞車,直到列車實際速度低於速度碼規定速限後才釋放煞車。大阪市營地下鐵目前所採用的WS-ATC、CS-ATC均是類比式ATC,尚無法導入距離-目標(Distance-to-Go)的功能機制,故目前無法採用一段煞車控制。

今里筋線沿線各車站接裝有月台門,因此CS-ATC還附有TASC定位置停止支援裝置(Train Automatic Stop-position Controller),亦即臺灣所稱的程式化停車控制系統(Programmed Station Stop Control)。這是一種運轉支援功能,一般而言TASC屬於ATO的子系統,但也可以附設於ATC、ATS的架構下。系統原理為:在車站外方數百公尺至月台區域內的軌道設置有數個(組)TASC地上子,當列車接近車站時,掃到第一組地上子即啟動TASC,車上電腦將演算出預設的煞車曲線,在減速過程中還會根據沿途其他地上子的訊息(如座標、剩餘距離),自動修正停車距離與煞車力道,並將列車準確地停在指定的位置上,這段過程中司機員不須操作司軔閥,全由系統自動處理,換句話說,在這條路線上司機員只需要管理加速與等速運轉的部分。

大阪市營地下鐵的兩條線性馬達路線都使用「ワンマン」的乘務員配置(One man, conductor less 無列車長)。也就是和臺北捷運高運量系統一樣,開車、車門操作均由司機員負責。在駕駛台右側設有一個螢幕,稱為車上遠隔控制裝置(TRON),在列車停靠車站時會自動與月台監視系統連線,司機員可利用此螢幕監視是否仍有人正上下車。但為了保險起見,司機員通常還是會自己探出頭來做列車監視,在車頭擋風玻璃下方也都會標示ワンマン來告知旅客。在日本,電車的標準乘務配置基本上多為司機員+列車長的組合,One man對他們而言是特殊情況,只有在地方支線或者高度自動化的路線才以全日或部分時段來實施。

順便一提:大阪地下鐵系統全路線有個共同的特色,在列車進站前與開車前均會鳴電子笛一次後才進入月台區域或者發車(唯獨堺筋線進站鳴空氣笛、出站才鳴電子笛)。進站的鳴笛時機是參考道旁的鳴笛標誌,發車的鳴笛時機則是待出發合圖器(開車燈附聲響的裝置)亮起後執行。此外,司機員與車長的正式職位名稱是以「高速運転士」和「高速車掌」來命名的,相當特別,也對應了「大阪市高速電気軌道」的正式系統名稱。

駕駛台
▲ 80系駕駛台

與70系的不同處......
筆者針對運轉操作的層面來談就好了:在80系運用的今里筋線,採用手動駕駛+TASC,其操作方法在前一段落已做說明。而在同門師兄70系所運用的長堀鶴見緑地線,則是有ATO(自動列車駕駛裝置)+TASC的運轉支援功能,司機員只需按下ATO開始鍵後,開車、加速、等速運轉、惰力滑行、減速、停車、開門均一概自動化處理,關門程序才會由司機員進行。下面是70系的駕駛台,只要ATO有運作,指示燈就會亮起(如下圖),同時車速計與煞車氣壓計都採用環形矩陣LED顯示,而其他相關功能也可從TIMS螢幕上瀏覽與查詢。

70系駕駛台
▲ 70系駕駛台

機電系統、列車性能
80系最高營運速度70km/h、最高設計速度則未公開。平直線上最大加速度2.5km/h/s、常用最大煞車減速度3.5km/h/s、緊急煞車減速度4.5km/h/s。性能與70系完全相同,但是相較於其他系統線性馬達車輛與一般地下鐵車輛,加速度的設定是偏低的,不如同系統御堂筋線30000系、東京都交通局大江戶線12-600形,加速度均可達到3.0km/h/s以上。

為了配合線性馬達車輛小尺寸的車身與底盤空間,所有床下機電設備都採取了小型化的設計。

牽引動力:本系的推進換流裝置(C/I)採用2-level電壓型PWM的IGBT-VVVF,由日立製作所承製,控制群組為1C2M。牽引馬達同樣採用日立生產的HS-64924-02型線性感應馬達,並與70系相同,兩者可以共通互換,每具出力100kW。
集電裝置:本系式使用東洋電機製造PT-7005A型單臂式集電弓,設置於兩端先頭車駕駛室正上方,由集電弓收集DC1500V電車線/架空供電軌電源,分別送入推進換流裝置與輔助電源裝置。
輔助電源裝置:採用東洋電機製造的靜式變流器(IGBT-SIV),每組配置2台。將DC1500V電源送入後,變壓、整流輸出三相AC200V與DC100V電源。交流電源供應空調設備及暖房設備,直流電源供應室內燈、列車頭燈與控制用電源。
蓄電池:儲存DC100V電源,提供緊急用照明及控制用電源。
空調系統:採用集約分散式車頂型空調機,每車配置2台,每車冷房能力為14.54kW。

集電弓與架空供電軌
▲ 80系的集電弓。在地下段使用置頂式供電軌。

煞車系統
80系的煞車系統分為動態煞車與摩擦煞車,除了低速域與停車時使用摩擦煞車,其餘均由動態煞車完成減速動作。各種煞車之詳細功能分述如下:

動態煞車:採用再生式電軔,減速時牽引馬達(線性馬達)將被改變為發電機的形式,除了產生煞車力道,發出的電力將再經由電車線送給其他列車再利用或送回變電所,若電力已飽和,則由車上的電阻器轉換為熱能消耗掉。
摩擦煞車:採用三菱電機製MBS-2R型全電氣指令式電磁直通空氣煞車,經過控制閥的增壓,產生的煞車力道經由踏面式軔機(block shoe 閘瓦)作用於車輪踏面上,達成煞車效果,並附有傳統直通空氣煞車作故障時之備援用途,並附有煞車力分配(依每車承載重量進行調整)的功能。值得一提的是,日本線性馬達車輛的摩擦煞車,為了不增加鋼軌抽換的頻繁度,並不像Bombardier ALRT一樣裝有磁軌煞車。

走行裝置、聯結裝置
80系轉向架採用住友金屬製LS-80型轉向架,一次避震採用橡皮彈簧軸箱直接支承式,二次避震採用有承樑式空氣彈簧,轉向架軸距1900mm配合線性馬達的設計,車輪輪徑較傳統鐵路車輛縮小至660mm。不過日本各系統的線性馬達車輛,到目前為止其轉向架都沒有可動軸距的設計,這點和不裝磁軌煞車一樣,與Bombardier ALRT不同。

本系式的聯結裝置,在車組間聯結器採用「大阪市交式密着聯結器」,為了防塵以及避免與其他列車連結的需要,平時會以金屬蓋罩住。此種聯結器事實上只是從柴田式密着聯結器的挽鈎組件做些修改,並將凸起部改為實心的設計,也取消接觸面上緣的空氣氣源接口。其餘聯結與解聯的方式、流程都與柴田式相同。至於車廂間聯結器則採用半永久機械式聯結器,用於除了維修需要否則不常分開的場合,連結/分離時雖然需要輔以人工鎖定/拆卸,但因為連結完畢後聯結器之間空隙極小,使得列車在加減速時,車廂間的衝動情形可降至最低,大為提升了乘坐舒適度。

車輛運用與配置
在日本,地下鐵的車輛都是採取「專線專用」的方式,除直通運轉外,並不會行駛至其他路線,所以列車都會漆上所運用之路線的專屬顏色。80系目前運用通常為[井高野←→今里]全程車,部分時段提供[井高野←→清水]區間車服務(車庫、檢車場迴送兼載客的班次)。

80系的配置分為兩處,一為本路線的「鶴見緑地北車庫」,另一則為長堀鶴見緑地線的「鶴見検車場」,兩者都建造於花博紀念公園周邊的地下,彼此間設有聯絡線。所以配置於鶴見検車場的列車就會於上線、收車時利用此聯絡線,當然若配置於鶴見緑地北車庫的列車若遇上一定層級的維修需要,亦可以直接經由聯絡線駛入鶴見檢車場。

車輛諸元表
有關80系的基本車輛技術表格,請參閱此連結。 (圖像擷取自近畿車輛80系試作車PDF簡介)

參考資料
1. 網路資源 ─ 日文維基百科。
2. 網路資源 ─ 大阪市交通局官方網站。
3. 書籍 ─ 都市捷運規劃與設計(上) 張志榮 著/三民書局

延伸閱讀
1. 大阪市交通局 80系リニア地下鉄電車 (近畿車輛 PDF檔案)
2. 地下鉄の短絡線 その8 大阪 長堀鶴見緑地線~今里筋線 (BLOG ─ 太郎の部屋)
3. 80系の搬出、搬入の様子をご紹介します (近畿車輛)

 

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