คลังความรู้ระบบราง

รถไฟใต้ดินเป็นระบบขนส่งสาธารณะในเมืองที่สนับสนุนการดำรงชีวิตของประชาชน ส่งเสริมการพัฒนาภูมิภาค เปิดใช้งานเมืองให้มีการเข้าถึงได้ในทุกพื้นที่ และเสริมสร้างการทำงานของเมือง นอกจากนี้ เนื่องจากรถไฟใต้ดินส่วนใหญ่สร้างไว้ใต้ถนน จึงสามารถใช้ประโยชน์ที่ดินได้อย่างมีประสิทธิผล ไม่ส่งเสียงรบกวนต่อชุมชนมากนักและไม่ส่งผลกระทบต่อภูมิทัศน์ของเมือง ดังนั้นรถไฟใต้ดินจึงเหมาะสำหรับการพัฒนาเมืองและควรได้รับการส่งเสริมทั่วโลก อย่างไรก็ตาม การก่อสร้างรถไฟใต้ดินต้องใช้เงินลงทุนจำนวนมาก รวมถึงต้องมีการวางแผนระยะยาว ทำให้การพัฒนารถไฟใต้ดินในแต่ละเมืองมีความคืบหน้าค่อนข้างช้า เนื่องจากต้นทุนการก่อสร้างที่สูงขึ้น

ที่มา http://www.jametro.or.jp/en/linear/

ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีรถไฟฟ้าใต้ดินราคาประหยัด ใช้พื้นที่น้อยเท่าที่จำเป็น ด้วยการนำเทคโนโลยีระบบขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าเชิงเส้น (linear motor) มาใช้ขับเคลื่อนรถไฟใต้ดินทำให้เกิดรูปแบบขนส่งมวลชนด้วยรถไฟใต้ดินที่ใช้เทคโนโลยีมอเตอร์ไฟฟ้าเชิงเส้นที่เรียกว่า รถไฟฟ้าใต้ดินเชิงเส้น (linear metro) หลักการทำงานของรถไฟฟ้าใต้ดินเชิงเส้นอาศัยหลักการดัดแปลงโครงสร้างของมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่มีสเตตอร์ (stator) ติดตั้งขดลวดสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อป้อนแหล่งจ่ายไฟฟ้าสามเฟส สนามไฟฟ้าจะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสขึ้นในแท่งโลหะหลายแท่งที่ฝังอยู่ในโรเตอร์ (rotor) และแท่งโลหะนี้ถูกลัดวงจรไว้ด้วยวงแหวนโลหะที่ปลายทั้งสองด้าน ทำให้มีรูปร่างคล้ายกรงกระรอก จึงเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า มอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบโรเตอร์กรงกระรอก (squirrel-cage induction motor) 

รูปที่ 1 หลักการทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้าเชิงเส้น

กระแสไฟฟ้าจะถูกเหนี่ยวนำขึ้นเนื่องจากวงแหวนที่ลัดวงจรนี้ ทำให้เกิดแรงลัพธ์กระทำกับโรเตอร์ส่งผลให้โรเตอร์หมุนได้ โรเตอร์จะถูกสนามแม่เหล็กหมุนที่สร้างจากขดลวดที่โรเตอร์ดูดให้เกิดแรงกระทำหมุนไปตามสนามแม่เหล็ก จากหลักการนี้ หากนำขดลวดที่พันอยู่ในโครงสเตเตอร์มาแผ่ออกยืดเป็นเส้นตรงแล้ววางโรเตอร์ติดไว้ที่โบกี้ของรถไฟ หรือในทางกลับกัน นำขดลวดไปติดตั้งไว้ที่โบกี้ แล้วนำแท่งโลหะที่ลัดวงจรที่ปลายทั้งสองด้านติดตั้งไว้ที่ส่วนของทางวิ่งให้มีระยะห่างพอประมาณย่อมส่งผลให้เกิดแรงกระทำดันให้ขดลวดที่ยึดติดกับโบกี้เคลื่อนที่ไปตามความยาวของทางวิ่งแทนที่จะเคลื่อนที่เป็นวงกลมดังในรูปที่ 1

รูปที่ 2 ความสามารถในการไต่ทางชันของมอเตอร์ไฟฟ้าเชิงเส้น

            ข้อดีที่สำคัญอีกประการหนึ่งของรถไฟฟ้าใต้ดินเชิงเส้น คือ ขีดจำกัดของแรงยึดเกาะ (adhesion force) ที่เกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของล้อเหล็กกับรางเหล็กจะเป็นตัวแปรที่จำกัดแรงสูงสุดในการขับเคลื่อน เมื่อแรงขับเคลื่อนจากมอเตอร์มีค่ามากกว่าค่าแรงเสียดทานสูงสุด จะทำให้เกิดปรากฏการณ์ไถลของล้อ (wheel slip) บนรางเป็นสาเหตุให้รถไฟตกรางได้ เนื่องจากแรงเสียดทานไม่เพียงพอที่จะยึดล้อเหล็กให้สัมผัสติดกับผิวรางได้ แต่ด้วยหลักการของมอเตอร์เชิงเส้นแรงขับเกิดจากการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก ทำให้แรงเสียดทานระหว่างพื้นผิวไม่ใช่ปัจจัยหลักในการจำกัดแรงยึดเกาะ ด้วยเหตุนี้ทำให้รถไฟฟ้าใต้ดินเชิงมีความสามารถในการไต่ทางชันได้ดีกว่ารถไฟฟ้าปกติที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์แบบเดิมดังในรูปที่ 2

 รูปที่ 3 รัศมีความโค้งของเส้นทางรถไฟฟ้าใต้ดินเชิงเส้นเปรียบเทียบกับแบบดั้งเดิม

รูปที่ 4 การแยกส่วนของมอเตอร์เหนี่ยวนำเชิงเส้นสำหรับรถไฟฟ้าใต้ดินเชิงเส้น

รูปที่ 5 ขนาดโบกี้ขับเคลื่อนของรถไฟฟ้าใต้ดินเชิงเส้นเปรียบเทียบกับแบบดั้งเดิม

ยิ่งไปกว่านั้น ในรูปที่ 3 จะเห็นได้ว่า รัศมีความโค้งของเส้นทางรถไฟฟ้าใต้ดินเชิงเส้นยังระยะทางสั้นกว่าแบบปกติด้วยทำให้การวางแผนเส้นทางรถไฟใต้ดินมีประสิทธิภาพและยืดหยุ่นในการวางเส้นทางมากยิ่งขึ้น เมื่อรวมเข้ากับการแยกชิ้นส่วนของสเตอตอร์กับโรเตอร์ในมอเตอร์ โดยแยกให้ส่วนหนึ่งไปไว้ที่ทางวิ่งทำให้โบกี้ขับเคลื่อนมีขนาดเล็กลงดังแสดงในรูปที่ 4 และ 5 เมื่อรวมเข้ากับรัศมีความโค้งที่สั้นลงทำให้มิติของอุโมงค์รถไฟใต้ดินเชิงเส้นมีขนาดเล็กกว่าเดิมอย่างมีนัยสำคัญดังในรูปที่ 5

รูปที่ 5 ขนาดโบกี้ขับเคลื่อนของรถไฟฟ้าใต้ดินเชิงเส้นเปรียบเทียบกับแบบดั้งเดิม

1. เมืองโอซาก้า (Osaka City)

            สาย Nagahori-Tsurumi-Ryokuchi Lineระยะทาง 15 km

            สาย Imazatosuji line ระยะทาง 11.9 km

2. เมืองโกเบ (Kobe City)

            สาย Kaigan line ระยะทาง 7.9 km

3. เมืองฟุกุโอกะ (Fukuoka City)

            สาย Nanakuma line ระยะทาง 13.4 km

4. เมืองเซนได (Sendai City)

            สาย Tozai line ระยะทาง 14.4 km

5. กรุงโตเกียว (Tokyo City)

            สาย Oedo line ระยะทาง 40.7 km

6. เมืองโยโกฮาม่า (Yokohama City)

            สาย Green line ระยะทาง 13.0 km

ผู้แต่ง : ศาสตราจารย์ ดร.ธนัดชัย กุลวรวานิชพงษ์

สาขาที่เกี่ยวข้อง : Switches and Crossings