第4章LinearMotor

1、大连理工大学电气工程系 Linear Motor特种电机及其控制4.1 直线电动机概述直线电动机概述从旋转电动机到直线电机的演化从旋转电动机到直线电机的演化 旋转电动机的定子和转子分旋转电动机的定子和转子分别对应直线电动机的初级和别对应直线电动机的初级和次级次级 4.1.1 4.1.1 直线电动机的原理与分类直线电动机的原理与分类 特种电机及其控制直线电动机的原理直线电动机的原理特种电机及其控制直线电动机结构型式的分类直线电动机结构型式的分类 （1 1）扁平型直线电机，即一种扁平的矩形结构的直）扁平型直线电机，即一种扁平的矩形结构的直线电机。线电机。 它有单边型和双边型之分，每种型式下又它有单

2、边型和双边型之分，每种型式下又分别有短初级长次级和长初级短次级。分别有短初级长次级和长初级短次级。特种电机及其控制单边型直线电动机单边型直线电动机 短初级短初级 短次级短次级 特种电机及其控制 双边型直线电动机双边型直线电动机 短次级短次级短初级短初级特种电机及其控制（2 2）圆筒式直线电机，）圆筒式直线电机，即为一种外形如旋转电即为一种外形如旋转电机的圆柱形的直线电机。机的圆柱形的直线电机。它的演变过程如右图所它的演变过程如右图所示。这种直线电机一般示。这种直线电机一般为短初级长次级结构，为短初级长次级结构，也可做成既有旋转运动也可做成既有旋转运动又有直线运动的旋转直又有直线运动的旋转直线电

3、机。线电机。特种电机及其控制（3 3）圆盘式直线电动机，）圆盘式直线电动机，该电机的次级是一个圆盘，该电机的次级是一个圆盘，不同形式的初级驱动圆盘不同形式的初级驱动圆盘次级做圆周运动。虽然圆次级做圆周运动。虽然圆盘电机也做旋转运动，但盘电机也做旋转运动，但与普通旋转电机相比，具与普通旋转电机相比，具有以下优点：有以下优点：特种电机及其控制（a a）力矩与旋转速度可以通）力矩与旋转速度可以通过多台初级组合的方式或通过过多台初级组合的方式或通过初级在圆盘上的径向位置来调初级在圆盘上的径向位置来调节。节。（b b）无需通过齿轮减速箱就）无需通过齿轮减速箱就能得到较低的转速，因而电机能得到较低的转速，

4、因而电机的噪声和振动很小。的噪声和振动很小。特种电机及其控制（4 4）圆弧式直线电动机，）圆弧式直线电动机，它的运动形式是旋转运动，它的运动形式是旋转运动，与普通旋转电机相比，具与普通旋转电机相比，具有圆盘式直线电机的优点。有圆盘式直线电机的优点。其与圆盘式直线电机的主其与圆盘式直线电机的主要区别，在于次级的形式要区别，在于次级的形式和初级对次级的驱动点有和初级对次级的驱动点有所不同。所不同。特种电机及其控制直线电动机功能用途的分类直线电动机功能用途的分类 （1 1）力电机）力电机 力电机是指单位输入功率所能产生的推力，或力电机是指单位输入功率所能产生的推力，或单位体积所能产生的推力，主要用于

5、在静止物体上单位体积所能产生的推力，主要用于在静止物体上或低速的设备上施加一定的推力的直线电机。它以或低速的设备上施加一定的推力的直线电机。它以短时、低速运行为主。例如阀门的开闭，门窗的移短时、低速运行为主。例如阀门的开闭，门窗的移动，机械手的操作等。这种电机效率低，甚至为零。动，机械手的操作等。这种电机效率低，甚至为零。因此这类电机不能用效率来衡量，而是用推力与功因此这类电机不能用效率来衡量，而是用推力与功率的比值来衡量，在一定的电磁推力下，其输入的率的比值来衡量，在一定的电磁推力下，其输入的功率越小，则说明其性能越好。功率越小，则说明其性能越好。特种电机及其控制（2 2）功电机）功电机 功

6、电机主要作为长期连续运行的直线电机，它功电机主要作为长期连续运行的直线电机，它的性能衡量指标与旋转电机基本一样，可用效率、的性能衡量指标与旋转电机基本一样，可用效率、功率因数等指标来衡量其电机性能的优劣。功率因数等指标来衡量其电机性能的优劣。特种电机及其控制（3 3）能电机）能电机 能电机是指运动构件在短时间内所能产生的极能电机是指运动构件在短时间内所能产生的极高能量的驱动电机，它主要是在短时间、短距离内高能量的驱动电机，它主要是在短时间、短距离内提供巨大的直线运动能。例如导弹、鱼雷的发射。提供巨大的直线运动能。例如导弹、鱼雷的发射。飞机的起飞等。这类直线电机的主要性能指标是能飞机的起飞等。这

7、类直线电机的主要性能指标是能效率。效率。特种电机及其控制直线电动机工作原理的分类直线电动机工作原理的分类 交流直线感应电动机交流直线感应电动机交流直线同步电动机交流直线同步电动机直线直流电动机直线直流电动机直线步进电动机，等直线步进电动机，等特种电机及其控制直线电机的历史与发展直线电机的历史与发展 最早可追溯到最早可追溯到18401840年惠斯登开始提出和制作了略具雏形年惠斯登开始提出和制作了略具雏形但并不成功的直线电机，至今已有但并不成功的直线电机，至今已有170170多年的历史。多年的历史。特种电机及其控制直线电机的历史与发展直线电机的历史与发展 一、探索实验阶段（一、探索实验阶段（184

8、0-19551840-1955年）年） 1890 1890年美国匹兹堡市的市长，在他所写的一篇文章中，年美国匹兹堡市的市长，在他所写的一篇文章中，首次明确地提出了直线电机以及它的专利。首次明确地提出了直线电机以及它的专利。 19051905年有两人分别建议将直线电动机作为火车的推进机年有两人分别建议将直线电动机作为火车的推进机构，一种建议是将初级放在轨道上，另一种建议是将初级放构，一种建议是将初级放在轨道上，另一种建议是将初级放在车辆底部。在车辆底部。 19171917年出现了第一台圆筒型直线电动机。年出现了第一台圆筒型直线电动机。 从从19301930年到年到19401940年间，直线电机进

9、入了实验研究阶段。年间，直线电机进入了实验研究阶段。 特种电机及其控制 从从19401940年到年到19551955年间，世界上一些发达国家的科研人员年间，世界上一些发达国家的科研人员在实验的基础上，进行了一些实验应用工作。在实验的基础上，进行了一些实验应用工作。 19451945年美国西屋电气公司首先研制成功电力牵引飞机弹年美国西屋电气公司首先研制成功电力牵引飞机弹射器，以射器，以7400kW7400kW的直线电机为动力，成功地用的直线电机为动力，成功地用4.14.1秒的时间秒的时间将一架重量为将一架重量为4535kg4535kg的喷气飞机在的喷气飞机在165m165m的行程内由静止加速的行

10、程内由静止加速到到188km/h188km/h。 19521952年美国研制成核工业用的利用直线感应电动机原理年美国研制成核工业用的利用直线感应电动机原理的抽取液态钠、钾的电磁泵的抽取液态钠、钾的电磁泵 19541954年英国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直流直线年英国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直流直线电机制成了导弹发射装置，速度可达电机制成了导弹发射装置，速度可达1600km/h1600km/h。 在这一时期，直线电机没有找到唯独它能解决问题的领在这一时期，直线电机没有找到唯独它能解决问题的领域，以及直线电机在设计方面没有突破性的成功，所以直线域，以及直线电机在设计方面没有突破性的成功，

11、所以直线电机在这一时期始终未能得到真正的应用。电机在这一时期始终未能得到真正的应用。 特种电机及其控制直线电机的历史与发展直线电机的历史与发展 二、开发应用阶段（二、开发应用阶段（1956-19701956-1970年）年） 在这一时期内，随着控制技术和材料性能的显著提高，在这一时期内，随着控制技术和材料性能的显著提高，应用直线电机的设备被逐渐开发出来。例如自动绘图仪、磁应用直线电机的设备被逐渐开发出来。例如自动绘图仪、磁头定位驱动装置、电子缝纫机、空气压缩机、输送装置等。头定位驱动装置、电子缝纫机、空气压缩机、输送装置等。 19561956年英国的年英国的LaithwaiteLaithwai

12、te等发表了有关直线电动机理论等发表了有关直线电动机理论的论文；的论文；19621962年英国展示了用直线电动机传动的列车模型年英国展示了用直线电动机传动的列车模型( (轨道长轨道长914m)914m)；日本的宇佐美等着手研究无摩擦传动及无接；日本的宇佐美等着手研究无摩擦传动及无接触悬浮装置；触悬浮装置；19651965年前苏联出版年前苏联出版液态金属电磁输送液态金属电磁输送一书；一书；美国美国Skineer PreciSkineer Preci公司出售名为公司出售名为PolynoidPolynoid的圆筒形直线电的圆筒形直线电动机，直线电动机正式以商品的形式进入市场。动机，直线电动机正式以商

13、品的形式进入市场。特种电机及其控制直线电机的历史与发展直线电机的历史与发展 三、实用商品阶段（三、实用商品阶段（19711971年至今）年至今） 在这一时期内，直线电机领域的研究人员选择了一条适在这一时期内，直线电机领域的研究人员选择了一条适合自身发展的独特思路，它不再与旋转电机直接对抗，不以合自身发展的独特思路，它不再与旋转电机直接对抗，不以单机的形式与旋转电机竞争，而是以直线电机系统与旋转电单机的形式与旋转电机竞争，而是以直线电机系统与旋转电机系统相比，在旋转电机无能为力的地方，例如磁悬浮列车、机系统相比，在旋转电机无能为力的地方，例如磁悬浮列车、电子缝纫机等，一展身手。电子缝纫机等，一展

14、身手。 因此各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许因此各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置和产品，例如运煤机、起重机、空压多具有实用价值的装置和产品，例如运煤机、起重机、空压机、冲压机、搬运钢管、拉伸机、电动门窗、电动编织机等。机、冲压机、搬运钢管、拉伸机、电动门窗、电动编织机等。特种电机及其控制直线电机的历史与发展直线电机的历史与发展 中国直线电机的发展中国直线电机的发展 我国直线电机的研究和应用发展是从上个世纪我国直线电机的研究和应用发展是从上个世纪7070年代开年代开始的。始的。19721972年浙江大学在国内首先翻译了一本年浙江大学在国内首先翻译了一本

15、直线感应电直线感应电动机动机译文集，这是但是国内唯一的一本有关直线电机的中译文集，这是但是国内唯一的一本有关直线电机的中文出版书籍。接下来，中国科学院电工研究所、西安交通大文出版书籍。接下来，中国科学院电工研究所、西安交通大学、浙江大学等高校和科研机构先后开展了深入研究，取得学、浙江大学等高校和科研机构先后开展了深入研究，取得了一些研究成果，例如直线电机驱动遥控窗帘机、直线电机了一些研究成果，例如直线电机驱动遥控窗帘机、直线电机驱动门、炒茶机、粒子加速器、邮政分拣机等。驱动门、炒茶机、粒子加速器、邮政分拣机等。 但与国外相比，其推广应用方面尚存在很大差距。但与国外相比，其推广应用方面尚存在很大

16、差距。特种电机及其控制(1) (1) 采用直线电机驱动的传动装置，不需要任何转采用直线电机驱动的传动装置，不需要任何转换装置而直接产生推力，因此可以省去中间转换机换装置而直接产生推力，因此可以省去中间转换机构，简化了系统，保证了运行可靠性，提高了效率，构，简化了系统，保证了运行可靠性，提高了效率，降低了制造成本，易于维护。降低了制造成本，易于维护。(2) (2) 普通旋转电机由于受到离心力的作用，其圆周普通旋转电机由于受到离心力的作用，其圆周速度受到限制，而直线电机速度可以不受限制。速度受到限制，而直线电机速度可以不受限制。(3) (3) 直线电机是通过电能直接产生直线电磁推力的，直线电机是通

17、过电能直接产生直线电磁推力的，它在驱动装置中，其运动可以无机械接触，使传动它在驱动装置中，其运动可以无机械接触，使传动零部件无磨损，大大减少了机械损耗。零部件无磨损，大大减少了机械损耗。直线电动机传动的特点直线电动机传动的特点特种电机及其控制(4) (4) 直线电机散热条件好，温升低，因此线负荷和直线电机散热条件好，温升低，因此线负荷和电流密度可以取得较高，可提高电机的容量定额。电流密度可以取得较高，可提高电机的容量定额。(5)(5)由于直线电机结构简单，它的初级铁心在嵌线由于直线电机结构简单，它的初级铁心在嵌线后可以用环氧树脂等密封成整体，所以可以在一些后可以用环氧树脂等密封成整体，所以可以

18、在一些特殊场合中应用，例如可在潮湿甚至水中使用，可特殊场合中应用，例如可在潮湿甚至水中使用，可在有腐蚀性气体或有毒、有害气体中应用，亦可在在有腐蚀性气体或有毒、有害气体中应用，亦可在几千度的高温下或零下几百度的低温下使用几千度的高温下或零下几百度的低温下使用。(6) (6) 旋转电机通过钢绳、齿条等转换机构转换成直旋转电机通过钢绳、齿条等转换机构转换成直线运动，其噪声是不可避免的，而直线电机依靠电线运动，其噪声是不可避免的，而直线电机依靠电磁推力驱动装置运行，噪音很小或无噪声，运行环磁推力驱动装置运行，噪音很小或无噪声，运行环境好。境好。直线电动机传动的特点直线电动机传动的特点特种电机及其控制

19、(1)(1)与同容量旋转电机相比，直线电机的效率和功与同容量旋转电机相比，直线电机的效率和功率因数要低，尤其在低速时比较明显。其原出主要率因数要低，尤其在低速时比较明显。其原出主要是由两个方面引起的；一是直线电机的初次级气隙是由两个方面引起的；一是直线电机的初次级气隙一般比旋转电机的气隙大，因此所需的磁化电流较一般比旋转电机的气隙大，因此所需的磁化电流较大，使损耗增加；二是由于直线电机初级铁心两端大，使损耗增加；二是由于直线电机初级铁心两端开断，产生了所谓的边端效应，从而引起波形畸变开断，产生了所谓的边端效应，从而引起波形畸变等问题，其结果也导致损耗增加。但从整个装置或等问题，其结果也导致损耗

20、增加。但从整个装置或系统来看，由于采用直线电机后可省去中间传动装系统来看，由于采用直线电机后可省去中间传动装置，因此，系统的效率有时还是比采用旋转电机的置，因此，系统的效率有时还是比采用旋转电机的高。高。直线电动机传动的不足之处直线电动机传动的不足之处特种电机及其控制 (2) (2)直线电机特别是直线感应电动机的起动推力受直线电机特别是直线感应电动机的起动推力受电源电压的影响较大，故需采取有关措施保证电源电源电压的影响较大，故需采取有关措施保证电源的稳定或改变电机的有关特性来减少或消除这种影的稳定或改变电机的有关特性来减少或消除这种影响。响。直线电动机传动的不足之处直线电动机传动的不足之处特种

21、电机及其控制4.2 4.2 直线感应电动机直线感应电动机 4.2.1 4.2.1 直线感应电动机的基本原理直线感应电动机的基本原理 行波磁场行波磁场 在初级的多相绕组中通入多相电流后，也会产生一个气隙在初级的多相绕组中通入多相电流后，也会产生一个气隙基波磁场，但是这个磁场的磁通密度波基波磁场，但是这个磁场的磁通密度波B B 是直线移动的，是直线移动的，故称为行波磁场。故称为行波磁场。 特种电机及其控制如电机极距为如电机极距为 ，电源频率为，电源频率为f，磁场移动速度为磁场移动速度为2svfssvvsv)1 (2)1 (sfvsvs次级速度为次级速度为v ，则则滑差率为滑差率为 次级移动速度次级

22、移动速度特种电机及其控制4.2.2 4.2.2 直线感应电动机的结构特点直线感应电动机的结构特点 直线电机的初级相当于旋转电机的定子。初级铁心直线电机的初级相当于旋转电机的定子。初级铁心也是由硅钢片叠成的，表面开有槽，三相也是由硅钢片叠成的，表面开有槽，三相( (或单相或单相) )绕组嵌置于槽内。绕组嵌置于槽内。 1)1)扁平式初级结构扁平式初级结构初级初级 特种电机及其控制次级次级 一般是在钢板上一般是在钢板上开槽，在槽中嵌入铜条开槽，在槽中嵌入铜条( (或或铸铝铸铝) )，然后用铜带在两端，然后用铜带在两端短接而成。短接而成。 钢既起导磁作用，又起导电作用钢既起导磁作用，又起导电作用. .

23、由于钢的电阻率较大，故钢次级直线电机的电磁性能由于钢的电阻率较大，故钢次级直线电机的电磁性能较差，且法向吸力也大较差，且法向吸力也大( (约为推力的约为推力的1010倍左右倍左右) )。1）扁平型直线感应电机）扁平型直线感应电机钢板上复合一层铜板钢板上复合一层铜板( (或铝板或铝板) )。特种电机及其控制初级初级: :一般由用硅钢加工成具有凹槽的圆环一般由用硅钢加工成具有凹槽的圆环组成，装配时四周用螺栓拉紧。组成，装配时四周用螺栓拉紧。 2）圆筒型直线感应电机）圆筒型直线感应电机特种电机及其控制放射形叠片初级结构放射形叠片初级结构 方形叠片初级结构方形叠片初级结构 窗式初级直线电动机窗式初级直

24、线电动机 特种电机及其控制圆筒式直线感应电机，次级一般是厚壁钢管，为圆筒式直线感应电机，次级一般是厚壁钢管，为了提高单位体积所产生的起动推力，可以了提高单位体积所产生的起动推力，可以在钢管在钢管外圆覆盖一层外圆覆盖一层12mm2mm厚的铜管或铝管，成为复合厚的铜管或铝管，成为复合次级次级，或者，或者在钢管上嵌置铜环或浇铸铝环，成为在钢管上嵌置铜环或浇铸铝环，成为类似于笼型的次级类似于笼型的次级。 2）圆筒型直线感应电机）圆筒型直线感应电机嵌置铜环或铝环的圆筒式次级嵌置铜环或铝环的圆筒式次级 特种电机及其控制直线感应电动机的支承方式直线感应电动机的支承方式 低速直线感应电机通常采用滚轮支承和导向

25、，滚低速直线感应电机通常采用滚轮支承和导向，滚轮一般安装在初级和次级中较短的一侧。轮一般安装在初级和次级中较短的一侧。 高速运行的直线感应电机，由于粘着力和其他机高速运行的直线感应电机，由于粘着力和其他机械原因，采用滚轮结构是不理想的，应采用无接触的械原因，采用滚轮结构是不理想的，应采用无接触的气悬浮或磁悬浮支承。气悬浮或磁悬浮支承。特种电机及其控制1）直线感应电动机的静态纵向边缘效应 4.2.3 4.2.3 直线感应电动机的运行分析直线感应电动机的运行分析 特种电机及其控制2）直线感应电动机的动态纵向边缘效应 特种电机及其控制3）直线感应电动机的横向边缘效应 特种电机及其控制 主要作为高速地

26、面运输的推进装置和提升装置主要作为高速地面运输的推进装置和提升装置的动力使用。的动力使用。用于地面运输车的凸极直线同步电动机用于地面运输车的凸极直线同步电动机特种电机及其控制 永磁直线同步电动机兼有永磁电动机和直线电动机永磁直线同步电动机兼有永磁电动机和直线电动机的双重重点。与直线感应电动机相比，永磁直线同步的双重重点。与直线感应电动机相比，永磁直线同步电动机的力能指标高、体积小、重量轻且具有发电制电动机的力能指标高、体积小、重量轻且具有发电制动功能。因而不断在许多领域得到了应用。例如垂直动功能。因而不断在许多领域得到了应用。例如垂直升降输送系统，高速地面运输系统，往复式空气压缩升降输送系统，

27、高速地面运输系统，往复式空气压缩机等等。但永磁同步电动机也存在着一些缺点，主要机等等。但永磁同步电动机也存在着一些缺点，主要是造价较高，控制较复杂等。是造价较高，控制较复杂等。特种电机及其控制单边扁平型永磁直线同步电动机结构单边扁平型永磁直线同步电动机结构特种电机及其控制4.3.1 4.3.1 永磁式永磁式 线圈绕在一个软铁框架上，线圈绕在一个软铁框架上，线圈的长度要包括整个行程线圈的长度要包括整个行程 软铁架两端装有极性同向放软铁架两端装有极性同向放置的两块永磁体，通电线圈置的两块永磁体，通电线圈可在滑道上作直线运动可在滑道上作直线运动 特种电机及其控制4.3.2 电磁式电磁式 直线电动机直

28、线电动机单极电机单极电机 两极电机两极电机 没有线圈端部，电没有线圈端部，电枢绕组得到完全利用；气隙均匀，消除了电枢和枢绕组得到完全利用；气隙均匀，消除了电枢和磁极间的吸力。磁极间的吸力。 特种电机及其控制 输入直线步进电动机绕组的电流既不是直流输入直线步进电动机绕组的电流既不是直流电，也不是正弦交流电，而是脉冲电流。所以有电，也不是正弦交流电，而是脉冲电流。所以有人称它为直线脉冲电动机。人称它为直线脉冲电动机。特种电机及其控制三相变磁阻式直线步进电动机的原理结构三相变磁阻式直线步进电动机的原理结构特种电机及其控制双轴向直线步进电动机双轴向直线步进电动机( (平面步进电动机平面步进电动机) )

29、特种电机及其控制三轴向直线步进电动机三轴向直线步进电动机特种电机及其控制 所谓直线超声波电动机所谓直线超声波电动机就是利用超声波振动作为驱就是利用超声波振动作为驱动力来产生直线运动的电动动力来产生直线运动的电动机。机。特种电机及其控制 该电机可以有直线、旋转和螺旋三种运动方式，从而使该电机可以有直线、旋转和螺旋三种运动方式，从而使该电机适用于多种不同使用要求的设备。它可以省去相应的该电机适用于多种不同使用要求的设备。它可以省去相应的中间传动机构，使整个系统结构简化，控制、维护方便。例中间传动机构，使整个系统结构简化，控制、维护方便。例如，该电机可在自动钻床、各种钻机、绕线机、机器人等方如，该电

30、机可在自动钻床、各种钻机、绕线机、机器人等方面得到广泛的应用。面得到广泛的应用。特种电机及其控制 磁悬浮列车改变了传统轨道车辆靠轮轨摩擦力推进的方磁悬浮列车改变了传统轨道车辆靠轮轨摩擦力推进的方式，采用磁力悬浮车体，直线电机驱动技术，使列车在轨道式，采用磁力悬浮车体，直线电机驱动技术，使列车在轨道上浮起滑行，在交通技术发展上是一个重大突破，被誉为上浮起滑行，在交通技术发展上是一个重大突破，被誉为2121世纪一种理想的交通工具。磁悬浮列车与现有的常规列车相世纪一种理想的交通工具。磁悬浮列车与现有的常规列车相比，其突出的优点主要表现为：比，其突出的优点主要表现为： (1)(1)速度快，时速可达速度

31、快，时速可达500km500km以上：以上： (2)(2)安全，无翻车或脱轨的危险；安全，无翻车或脱轨的危险； (3)(3)无污染，乘坐舒适，无轮轨接触的噪声和振动；无污染，乘坐舒适，无轮轨接触的噪声和振动； (4)(4)占地小，可高架且对轨道承重要求低，因而占地较少；占地小，可高架且对轨道承重要求低，因而占地较少； (5)(5)对复杂地形的适应性较强，爬坡能力强，转弯半径小；对复杂地形的适应性较强，爬坡能力强，转弯半径小； (6)(6)造价不高，整体结构易维修，节能。造价不高，整体结构易维修，节能。 特种电机及其控制 磁悬浮列车按其机理可分两类：磁悬浮列车按其机理可分两类： (1)(1)常导

32、吸浮型。利用异性磁极相吸原理，使用一般导体常导吸浮型。利用异性磁极相吸原理，使用一般导体线圈，一般由同步或异步直线电动机驱动的磁悬浮列车，常线圈，一般由同步或异步直线电动机驱动的磁悬浮列车，常称为常导吸浮型磁悬浮列车，日前这种类型磁悬浮列车的研称为常导吸浮型磁悬浮列车，日前这种类型磁悬浮列车的研究及试用以德国为主要代表。这类磁悬浮列车时速可根据需究及试用以德国为主要代表。这类磁悬浮列车时速可根据需要设计为要设计为100km100kmh h或或500km500kmh h，磁悬浮高度一般般在，磁悬浮高度一般般在10mm 10mm 特种电机及其控制 (2) (2)超导斥浮型。利用同性磁极相斥原理，使

33、用低温超导超导斥浮型。利用同性磁极相斥原理，使用低温超导线圈，一般由同步直线电动机驱动的磁悬浮列车常称为超线圈，一般由同步直线电动机驱动的磁悬浮列车常称为超导斥浮型磁悬浮列车。目前这类磁悬浮列车的研究与试用以导斥浮型磁悬浮列车。目前这类磁悬浮列车的研究与试用以日本为主要代表。这类磁悬浮列车时速一般以高速为多，即日本为主要代表。这类磁悬浮列车时速一般以高速为多，即在在500km500kmh h以上，磁悬浮高度可达以上，磁悬浮高度可达100mm100mm以上：以上： 特种电机及其控制特种电机及其控制 磁悬浮列车的研制方向，可分为低速、中速和高速三种方磁悬浮列车的研制方向，可分为低速、中速和高速三种

34、方式，。开发低速磁悬列车的原因，一是传统地铁系统的造价急式，。开发低速磁悬列车的原因，一是传统地铁系统的造价急剧上升：一是电力电子技术和控制技术的发展。剧上升：一是电力电子技术和控制技术的发展。低速：低速：125km/h125km/h以下，用于市内交通。以下，用于市内交通。中速：中速：250km/h250km/h左右，市郊运输，机场路。左右，市郊运输，机场路。高速：高速：500km/h500km/h以上，城间干线，旅客运输。以上，城间干线，旅客运输。 特种电机及其控制常导吸浮型磁悬浮列车常导吸浮型磁悬浮列车 对于常导吸浮型磁悬浮列车来说，驱动、悬浮和导向是磁对于常导吸浮型磁悬浮列车来说，驱动、

35、悬浮和导向是磁悬浮列车的三大重要关键因素而它们组成的基础就是直线同悬浮列车的三大重要关键因素而它们组成的基础就是直线同步电动机。步电动机。 特种电机及其控制 驱动部分为直线同步电动机，该电动机初级驱动部分为直线同步电动机，该电动机初级( (定子组定子组) )安装在线路上，安装在线路上，从而使车辆更轻、供电方便、技术更为简申。图中悬浮线圈产生电磁吸从而使车辆更轻、供电方便、技术更为简申。图中悬浮线圈产生电磁吸引力，将车辆从下面拉向轨道，并保持一定的垂向距离。图中的导向线引力，将车辆从下面拉向轨道，并保持一定的垂向距离。图中的导向线圈产生的磁力则使其车辆与轨道有一定的侧向距离。这一切均可通过一圈产

36、生的磁力则使其车辆与轨道有一定的侧向距离。这一切均可通过一整套高精度的电子调整系统保证车辆始终不变地定向悬浮在整套高精度的电子调整系统保证车辆始终不变地定向悬浮在1015mm1015mm并并直线运动。悬浮和导向系统以及车上设备的用电由悬浮直线发电机供给。直线运动。悬浮和导向系统以及车上设备的用电由悬浮直线发电机供给。 特种电机及其控制 安装在线路上的电动机绕组产生一移动电磁场，车辆通过作为励磁安装在线路上的电动机绕组产生一移动电磁场，车辆通过作为励磁部分的悬浮磁铁与其相互作用，实现牵引。在这种情况下，可通过改变部分的悬浮磁铁与其相互作用，实现牵引。在这种情况下，可通过改变三相交流电流的频率，从

37、静止到达运行速度的范围内连续调整驱动力。三相交流电流的频率，从静止到达运行速度的范围内连续调整驱动力。控制磁场作用力极性的变化来改变推力的方向，可使磁悬浮列车由驱动控制磁场作用力极性的变化来改变推力的方向，可使磁悬浮列车由驱动工况转为同样为非接触的制动工况。为避免能量损失将线路中的长定工况转为同样为非接触的制动工况。为避免能量损失将线路中的长定子直线驱动装置分成了独立的区段，只在车辆所在区段接通电源。子直线驱动装置分成了独立的区段，只在车辆所在区段接通电源。 特种电机及其控制 德国人是经过了四年的试验和比较才于德国人是经过了四年的试验和比较才于19791979年暂年暂停了超导系统的研究，而把资

38、金集中用于常导吸浮型的停了超导系统的研究，而把资金集中用于常导吸浮型的磁悬浮列车开发上，他们的理由主要基于以下几点：磁悬浮列车开发上，他们的理由主要基于以下几点： (a)(a)基于涡流效应的超导悬浮能耗大；基于涡流效应的超导悬浮能耗大； (b)(b)超导悬浮低速区制动运行条件不好；超导悬浮低速区制动运行条件不好； (c)(c)起浮及落地系统，超导装置及冷却系统要占车起浮及落地系统，超导装置及冷却系统要占车辆重量的相当比重；辆重量的相当比重； (d)(d)全速范围内的舒适度控制技术尚未解决；全速范围内的舒适度控制技术尚未解决； (e)(e)强磁场对人体及其行包的电气影响尚不清楚。强磁场对人体及其

39、行包的电气影响尚不清楚。 特种电机及其控制超导斥浮型磁悬浮列车超导斥浮型磁悬浮列车 在超导斥浮型磁悬浮列车方面的研究，世界上首推日本。日在超导斥浮型磁悬浮列车方面的研究，世界上首推日本。日本人研究超导悬浮技术的理由主要有以下几点；本人研究超导悬浮技术的理由主要有以下几点； (a)(a)列车悬浮高度高，一般为列车悬浮高度高，一般为100mm100mm以上，因而对轨道的加以上，因而对轨道的加工精度和整修工作要求不高；工精度和整修工作要求不高； (b)(b)排斥式自稳定悬浮系统，无需全域控制；排斥式自稳定悬浮系统，无需全域控制； (c)(c)外部停电，只要有速度，车辆就不会突然停下来；外部停电，只要

40、有速度，车辆就不会突然停下来； (d)(d)无须车载励磁电源；无须车载励磁电源； (e)(e)超导线圈是空心的，因此车辆重量轻。超导线圈是空心的，因此车辆重量轻。 特种电机及其控制 在超导磁悬浮在超导磁悬浮系统中，超导线圈系统中，超导线圈装在车上，而与其装在车上，而与其相互作用产生推进、相互作用产生推进、悬浮、导向功能的悬浮、导向功能的各种线圈都装在地各种线圈都装在地面轨道内。借助这面轨道内。借助这些线圈的作用，使些线圈的作用，使车上超导线圈产生车上超导线圈产生推进、悬浮、导向推进、悬浮、导向力。悬浮线圈设在力。悬浮线圈设在地面上，推进与导地面上，推进与导向两用线圈设在轨向两用线圈设在轨道内侧

41、，超导线圈道内侧，超导线圈装在车辆框架的外装在车辆框架的外侧。侧。 特种电机及其控制 超导悬浮也叫电动悬浮。在车辆超导线圈旁边放置有地面短路线圈超导悬浮也叫电动悬浮。在车辆超导线圈旁边放置有地面短路线圈( (也称悬浮线圈也称悬浮线圈) )。车辆由直线同步电机推进。当车辆有了速度时，则与悬浮线圈相交链的磁通必有所变车辆由直线同步电机推进。当车辆有了速度时，则与悬浮线圈相交链的磁通必有所变化，如同发电机原理一样，磁通变化在悬浮线圈内产生电流与超导线圈间发生作用，化，如同发电机原理一样，磁通变化在悬浮线圈内产生电流与超导线圈间发生作用，从而产生排斥力即产生悬浮力。同时，悬浮线圈也由于流过感应电流而产

42、生焦耳热，从而产生排斥力即产生悬浮力。同时，悬浮线圈也由于流过感应电流而产生焦耳热，从而消费能量。对车辆来说，这种能量消耗将以运行阻力从而消费能量。对车辆来说，这种能量消耗将以运行阻力( (磁阻力磁阻力) )的形式表现出来。的形式表现出来。悬浮力随速度的增大而增大，达到一定的速度几乎成为定值，作为运行阻力的磁阻力悬浮力随速度的增大而增大，达到一定的速度几乎成为定值，作为运行阻力的磁阻力却在某一速度下达到最大值，然后随速度的提高反比下降，一定时间后相应的阻力及却在某一速度下达到最大值，然后随速度的提高反比下降，一定时间后相应的阻力及电能消耗成为定值。电能消耗成为定值。 特种电机及其控制特种电机及

43、其控制 船舶推进系统多数采用螺旋桨推进器，但螺旋桨推进器在船舶推进系统多数采用螺旋桨推进器，但螺旋桨推进器在水下高速运转时会产生水下高速运转时会产生“空泡空泡”现象，大大降低了推进器效率现象，大大降低了推进器效率并限制了船速的进一步提高。另外，一般螺旋桨都采用柴油机并限制了船速的进一步提高。另外，一般螺旋桨都采用柴油机和燃气轮机通过传动轴带动螺旋桨旋转，因此产生较大机械振和燃气轮机通过传动轴带动螺旋桨旋转，因此产生较大机械振动、磨损和噪声，较大噪声破坏了军用舰艇隐蔽性，尤其是水动、磨损和噪声，较大噪声破坏了军用舰艇隐蔽性，尤其是水下潜艇在高速航行时较大的机械振动和噪声，容易被对方声纳下潜艇在高

44、速航行时较大的机械振动和噪声，容易被对方声纳发现，于是世界各国正在寻求一种高速、无声安静的船用推进发现，于是世界各国正在寻求一种高速、无声安静的船用推进装置。装置。 特种电机及其控制 直线电磁推进器就是其中一直线电磁推进器就是其中一例，它根据电学上的弗莱明左手例，它根据电学上的弗莱明左手定则，利用海水是导体，通电海定则，利用海水是导体，通电海水在强磁场作用下产生电磁力的水在强磁场作用下产生电磁力的基本原理，让受力海水由船尾直基本原理，让受力海水由船尾直接高压喷水推动船舶高速、无声接高压喷水推动船舶高速、无声航行。直线电磁推进器具有无振航行。直线电磁推进器具有无振动、无磨损、无噪声和控制灵活动、无磨损、无噪声和控制灵活等特点，特别应该指出的是由于等特点，特别应该指出的是由于没有螺旋桨，在高速运转时就不没有螺旋桨，在高速运转时就不存在存在“空泡空泡”现象，从而运行速现象，从而运行速度可大大超过目前常规海轮的速度可大大超过目前常规海轮的速度。度。 目前船用直线电磁推进器结构，可归纳成四种基本型式：目前船用直线电磁推进器结构，可归纳成四种基本型式：直线通道推进器，外磁式推进器，螺旋通道推进器和环形通道直线通道推进器，外磁式推进器，螺旋通道推进器和环形通道推进器。推进器。 特种电机及其控制（1 1）直线通道推进器）直线通道推进器 电极安放在通道上下两边，磁