直线电机论文——吕鑫源——15S006007

1、Harbin Institute of Technology直线电机的理论与设计（论文）课程名称：直线电机的理论与设计 设计题目：磁悬浮直线电磁推进系统的 国内外研究现状 院 系： 电气工程及其自动化 设 计 者： 吕鑫源 学 号： 15S006007 指导教师： 寇宝泉教授 设计时间： 2016年4月25日 磁悬浮直线电磁推进系统的国内外研究现状吕鑫源 15S006007摘要:本文针对磁悬浮列车技术的应用与发展，分析了磁悬浮直线电磁推进系统的悬浮、导向和推进系统的构成、工作原理、主要特点及典型应用等，阐述了悬浮、导向、推进技术的最新研究成果。关键词:磁悬浮;悬浮系统;导向系统;推进系统1.引

2、言目前地面交通运输主要以公路和铁路交通为主,虽然公路与铁路的运输费用较低,但随着社会的发展,其快捷性越来越赶不上时代的步伐,而在这两大地面运输系统中,只有在铁路运输系统中能够进一步提高运输的快捷性。在地面运输系统中由于粘着力和其它机械上的原因,当速度大于250km/h时,选用旋转运动的电动机是不理想的。磁悬浮列车速度可以达到或超过500km/h,噪声与振动比常轨铁路车辆,最大牵引力不受轮轨间粘着条件的限制,能耗量也比飞机明显减少。据文献报道,磁悬浮列车每个座位的投资是飞机的1/3。由于这些优点,从事磁悬浮列车研究的德、日专家宣称:“21世纪的理想交通工具是磁悬浮列车”、“磁悬浮列车可以取代轮轨

3、系统的铁路列车”。磁悬浮列车是以电力为动力能源的,因此对解决石油能源危机、保护地球环境是十分有益的。正因如此,目前世界上许多发达国家都在开发、研制高速磁悬列车。磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成。尽管可以使用与磁力无关的推进系统，但在目前的绝大部分设计中，这三部分的功能均由磁力来完成。下面分别对这三部分所采用的技术进行介绍。2.悬浮系统原理及应用情况的介绍目前悬浮系统的设计，可以分为两个方向，分别是德国所采用的常导型和日本所采用的超导型。从悬浮技术上讲就是电磁悬浮系统（EMS）和电力悬浮系统（EDS）。2.1电磁悬浮系统工作原理电磁悬浮系统（EMS）是一种吸力悬浮系统，是

4、结合在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮。常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为10毫米，是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。此外，由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。2.2电力悬浮系统工作原理电力悬浮系统（EDS）将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生电流。由于机车和导轨的缝隙减少时电磁斥力会

5、增大，从而产生的电磁斥力提供了稳定的机车的支撑和导向。然而机车必须安装类似车轮一样的装置对机车在“起飞”和“着陆”时进行有效支撑，这是因为EDS在机车速度低于25英里/小时无法保证悬浮。EDS系统在低温超导技术下得到了更大的发展。超导磁悬浮列车的主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，电流阻力为零，可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。超导磁悬浮列车装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备，列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧，车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感

6、应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时，就会产生一个移动的电磁场，在列车导轨上产生磁波，这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种推力推动列车前进。超导磁悬浮列车存在的难题，是如何才能准确地驾驭在移动电磁波的顶峰运动的问题。为此，在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器根据探测仪传来的信息调整三相交流电的供流方式，精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行。2.3常导吸引式磁悬浮系统的典型应用常导吸引式磁悬浮是利用车体上的常导电磁体与铁磁性轨道之间存在的相互吸引力的原理,使车辆悬浮于轨道上，该系统本质

7、上是不稳定的,必须采用闭环反馈控制,以使系统保持动态稳定。为达到满意的控制效果,一般要采用多种反馈形式,包括气隙反馈、速度反馈、加速度反馈、电流反馈以及磁通反馈等。目前常采用位置速度加速度反馈系统,它兼有系统静态刚度大抗干扰能力强、稳定工作范围宽等优点。这样,EMS的控制系统相对复杂,其要求也高。由于采用常导电磁体,EMS的悬浮气隙较小,通常为10mm左右,这样对轨道精度的要求相对高一些。目前国内外都在进行常导吸引式磁悬浮列车的研究,以德国的TrasnariPd和日本的HSST为代表。TrasnariPd为高速磁悬浮列车,HSST为中低速磁悬浮列车,目前都发展到相当阶段。德国的Trasnari

8、Pd磁悬浮列车共经历了六代,早在1969年德国工程师们就研制出小型磁悬浮列车模型TROI,车长lm重80kg气隙4mm。1972年推出TROZ，创时速64km/h成为磁悬浮列车发展的第一个里程碑。1973年推出TR04,设计时速250km/h,但试验中出现诸多问题,促使科学家们对概念进行重新设计研究,取得了重大进展,主要包括用“磁轮”概念取代“刚体自由度”的概念,后又发展为“模块”的概念,创建分层递阶的体系结构,采用长定子直线同步电机取代短定子直线异步电机来驱动车辆之后,在1979年汉堡国际交通博览会上展出TROS，历时三周载客4万余人次,未发生任何故障。在此基础上实施TVE计划,包括TR06

9、车和Emsland试验线, Emsland试验线可以说是世界上第一条真正的磁悬浮列车试验线,全长318km于1987年全部完工,它允许在高速和连续运行状态下对整个磁悬浮列车系统及其主要部件进行全尺寸的测试,也就是说可完全模拟现实条件对磁悬浮列车进行试验。随后于1989年推出TRO7长80m,宽37m高39m重90吨,可载重20吨,有200个座位。实际上,TR06、TR07都是全尺寸样车,完全能够载人运行。TR06于1988年1月2日在TVE线上获得当时的最高时速4126km/h而TR07于1993年1月10日又创造新的最高时速450km/h。经过长期的努力,德国的Transarpid磁悬浮列车

10、基本上已达到实用水平,1991年联邦政府就向其颁发了商业许可证,之后有关SC部门开始选商业运营线路,并最终选定了HamburgBerlin的线路,其全长287km。1994年议会已批准该商业运营线并拨款,预计1996年动工并于2003年全线完工,也许到那时世界上第一辆磁悬浮列车就会投入商业运营,人们便可体验一下新世纪交通工具的魅力。日本的HSST磁悬浮列车主要由日本航空公司负责,也经历了数代,包括HSST01(1975)、HSST02(1977)、HSST03(1985)、HSST04(1988)、HSST05(1989)以及HSST100(1993),它主要采用模块化设计,由短定子直线异步电

11、机驱动,悬浮、导向和驱动共用一个磁体。目前,HSST磁悬浮列车正向着实用化阶段迈进。日本计划在Ofuua与Draemladn之间建设一条长53km的低速磁悬浮列车线,计划在1997年动工1999年投入运营。2.4超导电动式磁悬浮系统的典型应用当车体上的超导磁体与铺设在轨道上的短路线圈或短路金属环之间存在相对运动时,后者中便会感生出电流,它与超导磁体相互作用会产生排斥力,利用此排斥力可使车辆悬浮起来,这种形式的磁悬浮就称为超导电动式磁悬浮系统。由于需要超导体与短路线圈之间的相对运动,且速度越高排斥力越大,故EDS型磁悬浮列车须安装辅助支撑机构以便在低速和停车时支持车辆,同时常做成高速。从原理上来

12、说,EDS型磁悬浮列车是自稳定的安全系统,由于采用超导体,重量轻,磁势大,因而其气隙可做得较大,通常为l00mm左右。世界超导电动式磁悬浮列车的代表是日本的MLU系列。起初德国和日本都进行此方面的应用基础研究,但到了1979年,主要考虑到发展风险环境污染和能耗等因素,德国终止了EDS的研究,而日本则坚持J下来,并取得了可喜进步。MLU磁悬浮列车主要由日本国铁技术研究所(JNR)负责,19621976年为应用基础研究阶段,对直线驱动和磁悬浮技术进行了大量的探索性研究,其中,1972年进行超导磁悬浮同步电机ISM20试验车的初步悬浮推进实验,同年推出Mlloo试验车。1974年又推出用直线同步电机

13、推进超导悬浮和导向的Mll0A试验车,首次进行非接触式悬浮行走实验从1977起开始试验车研制阶段,包括多台试验车和宫崎及山梨两条试验线。宫崎试验线全长7km于1979年完工,同年建造于1977年的Ml50试验车在其上创下51k7mh/的世界纪录。随后研制的MlU01试验车按照实用化载人列车标准进行设计,有三节车厢组成,全长28sm，重约30吨,有32个座位,于1980年开始试验运行,已运行约1万次,共4万多公里1987年又推出MLUo02试验车它是一种实用化原型车,设计时速500km/h,但受试验线长度限制,其实际最高速度为420km/h，不幸的是,1991年10月,MLU02在实验中因橡胶轮

14、磨擦起火而造成全车烧毁。次年开始研制MLU02N,于1993年1月开始试验运行根据试验所取得的成果,日本已拟定了建设东京至大阪,长800km时速约800km/h的磁悬浮列车运营线的计划和建议,90年代决定首先建设长428km的山梨试验线,并将它作为将来的东京大阪运营线的一部分,目前其首期工程(长18.4km)中隧道部分(占全长的87%)的土建业已完成,正在进行导轨及地面线圈铺设工作,其余地段的土建工作也在加紧进行,预计97年初首期工程即可完工。同时,工程师们也已开始设计新的高速磁悬浮列车商用车,1994年6月已开始总装,目前正在测试设备,预计97年底或98年初开始试验另外,美国于1988199

15、4年由政府组织并投资860万美元进行了高速磁悬浮列车方案论证,提出了四种美国式高速磁悬浮列车方案,其中三个是超导电动式,一个是超导吸引式,后者以超导磁体代替大部分常导电磁体,使EMS的悬浮气隙可增大到40mm左右除此之外,加拿大也进行过高速磁悬浮列车论证,提出了其超导电动式磁悬浮列车方案,俄、英、法、意、韩国等也都有其磁悬浮列车的报道,在此就不一一叙述。3.导向系统的导向原理导向系统是一种测向力来保证悬浮的机车能够沿着导轨的方向运动。必要的推力与悬浮力相类似，也可以分为引力和斥力。在机车底板上的同一块电磁铁可以同时为导向系统和悬浮系统提供动力，也可以采用独立的导向系统电磁铁。普通铁路列车的导向

16、是靠车轮轮缘与钢轨之间相互作用实现的,而磁悬浮列车是利用电磁力的作用进行导向的。常导磁吸式的导向系统,是在车辆侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。当车辆运行发生左右偏移时,车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用,产生一种排斥力,使车辆恢复到正常位置,和导向轨侧面之间保持一定的间隙。当车辆的运行状态发生变化时,例如运行在曲线或坡道上时,控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制,来保持这一侧向间隙,从而达到控制列车运行方向的目的。超导磁斥式的导向系统,可以采用以下3种方式构成:(1)在车辆上安装机械导向装置实现列车导向。这种装置通常采用车辆上的侧向导向辅助轮,使之与导向轨侧面相互作用(滚动摩擦)以产生

17、复原力,这个力与列车沿曲线运行时产生的侧向力相平衡,从而使列车沿着导向轨中心线运行。(2)在车辆上安装专用的导向超导磁铁,使之与导向轨侧向的地面线圈和金属带产生磁斥力,该力与列车的侧向作用力相平衡,使列车保持正确的运行方向。这种导向方式避免了机械摩擦,只要控制侧向地面导向线圈中的电流,就可以使列车保持一定的侧向间隙。(3)利用磁力进行导引的“零磁通量”导向系统。即沿线路中心线均匀地铺设“8”字形的封闭线圈,当列车上设置的超导磁体位于该线圈的对称中心线上时,线圈内的磁场为零;而当列车产生侧向位移时,“8”字形的线圈内磁场不为零,并产生一个反作用力以平衡列车的侧向力,使列车回到线路中心线的位置。4

18、.推进系统的推进原理及典型应用磁悬浮列车由于悬浮起一定的高度,使车轮与钢轨脱离,故不能依靠它们之间的摩擦力产生牵引力使车辆前进,而是采用一种叫做直线电动机的推进装置作为列车的牵引动力。4.1推进系统的推进原理磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就像是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就像同步直线电动机的长定子绕组。从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电机的转子转动。同样，当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就像电机的&

19、quot;转子"一样被推动做直线运动。从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。推进系统可以分为两种：“长固定片”推进系统使用缠绕在导轨上的线性电动机作为高速磁悬浮列车的动力部分。由于高的导轨的花费而成本昂贵，“短固定片”推进系统使用缠绕在被动的轨道上的线性感应电动机（LIM）。虽然短固定片系统减少了导轨的花费，但由于LIM过于沉重而减少了列车的有效负载能力，导致了比长固定片系统的高的运营成本和低的潜在收入。而采用非磁力性质的能量系统，也会导致机车重量的增加，降低运营效率。当定子线圈接通三相交流电后,产生移动的磁场,沿轨道方向移动,转子线圈切割磁场产生感应电流,转子线圈在

20、定子磁场中受电磁力作用,使定子和转子之间产生相对直线运动的推力,推动列车前进。推进力的大小取决于定子磁场的强度、转子线圈的电流以及线圈的长度。即利用直线电机将电能转换成推进力来推动列车前进。电能由沿线分布的变电所向地面导轨两侧的驱动绕组提供三相交流电。在磁悬浮铁路上,直线电机的固定部分只能设置在地面上,运动部分放置在车辆上。其运动部分是转子还是定子,要根据不同形式的直线电机而定。并且尽可能使电磁耦合处在最佳的状态,从而获得最大的推进力。4.2推进系统的典型应用TR07运行时靠长定子同步直线电动机推进。它的长定子绕组放在地面,由地面变电设备供电,而车上悬浮电磁铁作为电动机的励磁转子。车上采用直线

21、发电机(带备用电池)作为电源,它向悬浮/导向磁铁及车上所有用电设备(如控制仪器、照明、通信等)提供电能。长定子同步直线电动机的定子绕组沿整个列车轨道敷设。TR07的推进原理是:当同步直线电动机的定子绕组流过电流时,它产生的磁场与车上悬浮电磁铁流过电流时产生的磁场相互作用,从而产生列车牵引力。这里悬浮电磁铁产生的悬浮磁场同时也作为直线同步电动机的励磁磁场。根据同步电动机的工作原理:只有当励磁磁场与定子绕组磁场(电枢磁场)两者达到同步时,才能产生恒定的牵引力,因此,必须精确检测列车的运行速度、位置,据此来对直线同步电动机定子绕组提供相应频率的电流。TR07定子绕组供电频率为0215Hz,对应列车运

22、行速度0400km/h。由于要保证车体稳定悬浮,在悬浮气隙一定的情况下,其悬浮电流大小基本恒定,因此,同步直线电动机牵引力的大小只能通过调节定子绕组电流来实现。定子绕组最大的设计电流为1200A。TR07在静态悬浮及运行速度较低时,通过备用电池提供车上电能,当车体达到一定速度时,则切换到直线发电机供电。直线发电机的定子线圈位于车上悬浮电磁铁极靴上,它的发电原理是:当列车运行时存在沿车上悬浮电磁铁铁心及轨道上直线同步电动机定子铁心的闭合磁通,由于直线同步电动机定子铁心存在齿槽,因此,该磁通相对于路基,除了具有与列车运行速度一致的基本平移速度分量外,还存在5倍及更高倍(与齿槽尺寸有关)于列车运行速

23、度的平移速度分量。与列车运行速度一致的基本平移速度分量由于与车上发电机定子线圈运行速度一样,两者相对静止,因此该磁通分量将不会在发电机定子线圈中感应电势;而5倍于列车运行速度的磁通分量与发电机定子线圈存在相对运动,它将在发电机定子线圈中感应电势;随着车体运行速度的提高,该感应电势频率及幅值成比例上升。当列车达到一定速度时,该感应电势可提供足够的电能,以供车体用电。5.精密磁悬浮平台技术的发展现状微细加工及微电子装备等领域要求的超精密工作台,是由纳米级精度的超精密运动控制系统实现的,这类系统必须克服摩擦力的影响,并具有足够的行程。对于大行程多自由度的超精密工作台而言,其实现起来尤为困难。已有多种

24、超精密工作台的实现方案。电致伸缩陶瓷是一种可以避免摩擦力的器件,使用该器件能够获得很高的运动精度。但电致伸缩陶瓷的行程一般远小于一个毫米,对于大行程直线位移来说,它只能提供精密定位的微位移,因此还需配备一套大行程粗定位直线移动机构。这样的超精密工作台, 粗定位系统有摩擦磨损,工作台结构与控制方法复杂,安装调试困难,不利于运动精度的进一步提高和长期保持。此外也有采用空气悬浮导轨的方案,以消除摩擦力。但由于压缩空气在释放时的扰动,工作台存在无法控制的高频抖动,且这种结构的系统不能用于真空环境。基于磁悬浮及直线电机直接驱动的超精密运动控制系统,与基于空气悬浮的系统类似,完全消除了库仑摩擦,而且避免了

25、上述空气悬浮方式的缺点。由于没有压缩空气产生的宽频带的扰动,运动系统的精度指标原则上将只取决于位移传感器的品质。目前,采用磁悬浮技术实现精密定位的最高精度已达到3nm。采用磁悬浮方式的优点不仅仅在精度方面，在实现多自由度运动时,若采用传统的导轨和轴承分别作为平动和转动的支承与导向,系统的机械结构会随着自由度的增加而变得十分复杂,同时系统的刚度下降。采用磁悬浮方式时, 系统的机械结构反而变得简单了,有精度要求的部件也大大减少。6.结论磁浮列车的核心技术是悬浮与推进,并需要一套复杂的自动控制系统。它的实现需要运用电子技术、电磁器件、直线电机、机械结构、计算机、材料以及系统分析等方面的高技术成果,因

26、而国际上把磁浮列车列为高技术产品。但对于比较成熟的EMS型磁浮列车来说,它是高技术产品,却并非高价产品。它所依据的基础技术均属已成熟的技术,也不需要等待某一项技术的突破或某种特殊材料与器件的出现,所有材料与器件都是国内市场上可买到的商品,需要攻关的关键是组成系统的技术和实现工程化。可以相信,一旦磁浮列车在中国某地的交通网络中出现,让人们实际体验到它的优越性,它在中国大地上的发展将是无可限量的。参考文献：1H.W.Wilson.Electrification of Railways. Trans.Liverpool.Engrg.Soc,1905,26:218229.2A. Zehden. U.S

27、.Patent 732, 312, 1905.3E.R. Laitwaite, P.J.Lawrenson. A Self-oscillating Induction Motor for Shuttle Propulsion. Proc.IEE(London),1957,104:93101.4E.R. Laitwaite. Linear Induction Motors. Ibid,1957,461470.5E.R. Laitwaite, V. Druxbury. Electromagnetic ShuttlePropelling Devices. J. Inst Textiles,1957,48:214.6E. R. Laitwaite, D.Tipping, D.E.Hesmondhalgh. The Application of Induction Motors to Co