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1、直线电机,概 述,发展历史 基本工作原理 分类 在磁浮列车上的应用 磁悬浮系统中电机法向力的研究 边缘效应 应用于轨道交通的评价,发展历史,直线电机经历了三个时期： (1)18401955年的116年间，直线电机经历了从设想到实验到部分实验性应用的过程。其中最著名的是英国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直线电机制成了发射导弹的装置，其速度达到1600km/h。 (2) 19561970年是直线电机的开发应用阶段。这一时期的直线电机的实用设备有 MHD泵、自动绘图仪、磁头定位驱动装置、电唱机、缝纫机、空气压缩机、输送装置等。 (3) 1971年以后，进入了实用商品阶段。这一时期直线电机应用于磁浮列
2、车、液态金属的输送和搅拌等项目，终于在满足人类需求的过程中求得自己的发展。,基本工作原理,旋转电机在顶上沿径向剖开，并将圆周拉直，便成了直线电机。直线电机的三项绕组中通入三相对称正弦电流后，即产生气隙磁场。 当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A、B、C相序沿直线移动。这个磁场是平移的，而不是旋转的，因此称为行波磁场。,基本工作原理,在电磁推力的作用下假设初级是固定不动的，那么次级就顺着行波磁场运动的方向做直线运动。 次级移动的速度用v表示，转差率用s表示，则有：,分 类,按结构型式分类，主要分为扁平型、圆筒型、圆盘型和圆弧型。其中扁平型直线电机有单边型和双边型之分，每种型式下又分别有短初级长
3、次级或长初级短次级。 按功能用途分，主要分为力电机、功电机、能电机。 按工作原理分，主要分为两个大的方面，即直线电动机和直线驱动器。,长定子与短定子,如果在结构上初级和次级设计得一样长，当初级和次级作相对直线运动后。则它们相对着的部分逐渐减少，相对作用力也越来越小，以致最后消失。 因而产生了长初级或短初级型直线电机。,长定子与短定子,长定子方案由于沿线铺设电机定子绕组，其造价必然很高。地面同步电机的优点是功率大，功率因数高，适用于高速、超高速磁悬浮铁路。 日本的超导超高速磁浮列车（MLX）和德国的常导超高速磁浮列车（TR）采用的都是驱动方式。,长定子与短定子,短定子磁悬浮线路的造价远低于长定子
4、磁悬浮线路。电机绕组在车内，动力电源也装在车内，动力电源从地面供电轨取得电能，地面与磁悬浮列车之间必须安装受流器。 由于在高速时受流性能恶化，所以这种磁悬浮列车的运行速度不能很高，一般在中低速范围内运行。日本的中低速磁浮列车（HSST）采用了这种驱动方式,单边型与双边型,仅在一边安放初级的结构形式称为单边型直线电机。 在初级与次级之间存在着一个很大的法向吸力，在钢次级时约为推力的10倍左右。 法向吸力是不希望存在的，如果在次组的两边都装上初级，那么这个法向吸力可以相互抵消，这种结构型式称为双边型。 双边型电动机的电枢在磁场中所受的总控力大于(F1+F2)，所以一般实用的直线电动机都做成双边型的
5、。,在磁悬浮列车中的应用,根据吸引力与排斥力的基本原理，目前世界上存在两种磁悬浮列车： 一种是德国的常导吸浮型。其采用电磁悬浮，用一般电导线圈，以异性磁极相吸的原理，把列车吸引上来，悬浮运行。一般由同步或异步直线电机驱动。 一种是日本的超导斥浮型，其列车的悬浮方式采用电动悬浮，用低温超导线圈，以同性磁极相斥原理，使车轮和钢轨之间产生排斥力，使列车悬浮。,常导吸浮型,图中驱动部分是直线同步电动机 列车下部装有悬浮磁铁，相当于同步直线电机的励磁线圈，安装在轨道上的三相驱动绕组相当于同步直线电机的定子绕组，起到电枢的作用。,常导吸浮型,当沿线布置的变电所向驱动绕组提供三相调频调幅电力时，悬浮磁铁与定
6、子绕组产生移动磁场。 在移动磁场的作用下，悬浮线圈中产生感应电流，感应电流和移动磁场相互作用产生电磁推力，驱动列车运行。,超导推斥型,在超导磁浮系统中，超导线圈装在车上，而与其相互作用产生推进、悬浮、导向功能的各种线圈都装在地面轨道内。借助这些线圈的作用，使车上超导线圈产生推进、悬浮、导向力。,驱动原理,如图所示：作用于磁场之间的感应排斥力和吸引力驱动载有超导磁铁的列车。安装在导轨两侧边墙上的驱动线圈由牵引变电所提供三相交流电，导轨驱动线圈产生移动的磁场，车载超导磁铁被移动的磁场吸引和排斥，从而驱动磁悬浮列车。,悬浮原理,如图2所示，在导轨两侧边墙上安装8字形悬浮线圈，当载有超导磁铁的列车通过
7、时，在这些线圈上产生感应电流，使列车受到向上的拉力的同时又受到向上的斥力，从而使磁悬浮列车始终垂直悬浮于100mm高度上。,导向原理,如图3所示，在导轨下悬浮线圈相互面对面连接组成闭合回路，当磁悬浮列车通过时，在闭合回路中感应出电流，超导磁铁使得侧部移位，导致悬浮线圈靠近车的近端产生排斥力，另一端悬浮线圈靠近车的远端产生吸引力。从而使磁悬浮列车总是运行在导轨的中心位置。,磁悬浮系统中电机法向力的研究,电机法向力即牵引用直线电机一次侧、二次侧之间的相互作用力，它是影响列车稳定悬浮的不利因素。 消除电机法向力影响，或将法向力影响降到最小，有助于磁悬浮列车的稳定悬浮运行。,磁悬浮系统中电机法向力的研
8、究,（1）电流与法向力的关系 在同样气隙、频率情况下，电机一次侧绕组电流增加，电机法向力表现为吸引力，且减小。当频率增高时，这种变化趋势更明显。 电机一次侧、二次侧之间的法向作用力大小与两个因素有关：一是一次侧与二次侧钢板作用力，该力为吸引力；二是一次侧与二次侧铝反应板的作用力，该力为排斥力。,吸引力由气隙主磁通产生，它的大小与励磁电流有效值的平方及励磁电感的乘积成正比； 排斥力有二次侧涡流产生，其大小与二次侧等效电流有效值的平方成正比，而与一次侧中点至二次侧反应板电流层之间的距离成反比。 电机法向力大小最终取决于上述吸引力与排斥力的综合作用。,磁悬浮系统中电机法向力的研究,(2)频率与法向力
9、的关系 测试表明，在同样电流、气隙情况下，频率增加，电机一次侧二次侧之间的法向作用力减小，且当频率大于100HZ，这种变化趋势愈明显。 其原因是频率增加，励磁电流减小，反映板感应涡流增加，导致吸引力下降，排斥力增大，总的法向力减小。,磁悬浮系统中电机法向力的研究,磁悬浮系统中电机法向力的研究,（3）气隙与法向力的关系 测试表明，在供电电压、频率一定情况下，气隙与法向力之间的关系较复杂。 由于气隙增加，电机一次侧与二次侧钢板之间的吸引力下降，同时，与二次侧铝反应板之间的排斥力也下降，导致总的合成作用力与气隙呈复杂关系。,边缘效应,纵向边缘效应 直线电机具有长直的、两端开断的铁心，使得三相绕组之间
10、的互感不相等，电动机的运行不对称，并引起负序反向行波磁场和零序脉振磁场，这些效应称为纵向边缘效应。 纵向边缘效应分为静态纵向边缘效应和动态纵向边缘效应。,边缘效应,静态纵向边缘效应是由于铁心开断而在气隙中出现脉振磁场和反向行波磁场的效应，不论是否考虑次级的反作用，都是存在的。 动态纵向边缘效应是当次级运动时，还存在的另一种纵向边缘效应。,如图，假定次级以同步速度相对于静止的初级移动，当时间为t0、t1、t2、t3和t4时，次级导体上的电路C的相应位置是C0、C1、C2、C3和C4。当电路C在C1和C3位置时，在电路C中就有感应电动势和感应电流产生，因为这时有磁导发生变化,这种感生电流称为动态纵
11、向边缘效应电流，它会产生附加损耗和附加力。,纵向边缘效应的解决方法,对于静态边缘效应中由于铁心及绕组开断引起的三相电流不对称的情况，可用三台相同电机一起使用的办法，来消除负序磁场和零序磁场。也可用增加电机级数的方法来减小互感之间的不对称。一般使级数大于或等于6即可。,对于动态边缘效应则按照其产生的附加损耗和附加力对应的有效功率，在传统旋转电机的等效电路图中增添一条电阻支路来表示，即为图中的Rf。,横向边缘效应,直线感应电动机的初级和次级的宽度都是有限的，在这有限宽的情况下，次级电流以及次级板对气隙磁场均会产生影响，这种影响便称为电机的横向边缘效应。 横向边缘效应的改善可以通过初次级宽度的调整，
12、特别是次级宽度一般不大于初级的宽度为好，并且同样级数的直线感应电机，初级绕组Y形连接时，静态边缘效应对气隙磁场的影响要小于形连接时的情况.,应用于轨道交通的评价,直线电机轨道交通的优点不在直线电机本身，而在于与其有内在联系的系统，如果单纯以旋转电机和直线电机效率进行比较，后者还不如前者。 由于直线电机的使用，影响了各方面特性、功能的改善，使在一定条件下，具有对旋转电机轮轨系统的相对优势。因此在使用这个系统时，一定要将系统的优势发挥到最大。 这样采用直线电机系统才有价值，下面从采用直线电机系统引起的改变来进行简要的分析。,应用于轨道交通的评价,改善环境、适应发展 采用直线电机以后，车辆的噪声、振
13、动相对减少，运行纵坡相对加大。由于采用径向转向架以后，通过线路的平面曲线半径可以变得较小，使他适应环境容量比较小和线路经过地区建、构筑物制约因素比较大的地区，并且适宜于高架地段，因此它的经济性也就体现出来。,综合体系、突出经济 采用直线电机以后，车辆的机电工程和线路的土木工程就结合在一起了，土木工程也成了机电工程的子系统。例如采用直线电机后，转向架下面多出了空间，车轮直径相对缩小，整个车辆横截面也减少，最终导致隧道断面显著减少。另外电机转子在线路上，并采用中、小型车辆，轴重较轻，对下部结构，包括道床、梁、墩、基础结构都可轻型化，减少工程数量约30%,应用于轨道交通的评价,高精工艺，提高水平 采
14、用直线电机以后，对机电工程和土木工程本身要求的工艺都比较高。由于要满足直线电机标称气隙10mm的要求，直线电机位置和反应板位置变化只能维持在3mm和4mm以内，因此对轮轨之间的几何关系以及在运行中出现磨耗和其他因素影响，其变化的限制和恢复措施就很严格。,行车先进，系统整合 采用直线电机系统，很重要的因素是维持一个中、小型车辆的系统，保持车辆较轻的轴重，系统的容量只能用车辆编组数和发车频率来调节，这就需要一个行车指挥先进的系统，所以移动闭塞和无人驾驶技术就成为这个系统的最佳要求。 因此采用直线电机系统就不宜向车辆大型化、行车信号系统一般化的方向发展，否则无法整合系统的优势。而采用适当的技术措施，突出轻、小、灵的特点，才能表现出它的先进性、可靠性、安全性和经济性。,
