第四节直线电动机

1、第四节直线电动机第四节直线电动机案例案例4 4：磁悬浮列车：磁悬浮列车：采用磁力悬浮采用磁力悬浮车体，应用直车体，应用直线电动机驱动线电动机驱动技术，使列车技术，使列车在轨道上浮起在轨道上浮起滑行。滑行。 长期以来，在各种工程技术中需要直长期以来，在各种工程技术中需要直线型驱动力时，主要是采用旋转电机并通线型驱动力时，主要是采用旋转电机并通过曲柄连杆或蜗轮蜗杆等传动机构来获得过曲柄连杆或蜗轮蜗杆等传动机构来获得的。但是，这种传动形式往往会带来的。但是，这种传动形式往往会带来结构结构复杂，重量重，体积大，啮合精度差复杂，重量重，体积大，啮合精度差，且，且工作不可靠等缺点。而采用直线电机不需工作不

2、可靠等缺点。而采用直线电机不需要中间转换装置，能够直接产生直线运动。要中间转换装置，能够直接产生直线运动。 各种新技术和需求的出现和拓展推动各种新技术和需求的出现和拓展推动了直线电机的研究和生产，目前在交通运了直线电机的研究和生产，目前在交通运输、机械工业和仪器仪表工业中，直线电输、机械工业和仪器仪表工业中，直线电机已得到推广和应用。机已得到推广和应用。 分类分类 ：直线感应电动机直线感应电动机直线直流电动机直线直流电动机 一、一、 直线感应电动机直线感应电动机（一）主要类型和基本结构（一）主要类型和基本结构1 1扁平型扁平型直线感应电动机演变过程直线感应电动机演变过程长一次侧长一次侧 短一次

3、侧短一次侧 为了保证在所需为了保证在所需的行程范围内，的行程范围内，一次侧和二次侧一次侧和二次侧之间的电磁耦合之间的电磁耦合始终不变，实际始终不变，实际应用时，必须把应用时，必须把一次侧和二次侧一次侧和二次侧制造成不同长度制造成不同长度 单边型：一次侧和二次侧之单边型：一次侧和二次侧之间存在着较大的法向吸力间存在着较大的法向吸力 双边型双边型：二次侧的两边都二次侧的两边都装上一次侧，法向吸力装上一次侧，法向吸力就可以互相抵消就可以互相抵消 铁心铁心：硅钢片硅钢片绕组：绕组：单相、两相、单相、两相、 三相或者多相三相或者多相 栅型结构栅型结构 ：尤如旋尤如旋转电动机的笼形结构。转电动机的笼形结构

4、。实心结构：实心结构：即采用整即采用整块均匀的金属材料，块均匀的金属材料，它又分成非磁性二次它又分成非磁性二次侧和钢二次侧侧和钢二次侧 2 2圆筒型（管型）圆筒型（管型）电机还可以做成既有旋转运动又有直线运电机还可以做成既有旋转运动又有直线运动的旋转直线电动机，旋转直线的运动体动的旋转直线电动机，旋转直线的运动体既可以是一次侧，也可以是二次侧既可以是一次侧，也可以是二次侧 圆筒型直线感应圆筒型直线感应电动机的形成电动机的形成 3 3圆盘型圆盘型 圆盘型直线圆盘型直线感应电动机感应电动机 二次侧做成扁平的圆盘形状二次侧做成扁平的圆盘形状并能够绕经过圆心的轴自由并能够绕经过圆心的轴自由转动。转动。

5、 使圆盘受切向力作旋转运动使圆盘受切向力作旋转运动 （1 1）力矩与旋转速度可以通过多）力矩与旋转速度可以通过多 台一次侧组合的方式或通过一次台一次侧组合的方式或通过一次 侧在圆盘上的径向位置来调节。侧在圆盘上的径向位置来调节。（2 2）无需通过齿轮减速箱就能得）无需通过齿轮减速箱就能得 到较低的速度，因而电动机的振到较低的速度，因而电动机的振 动和噪声很小。动和噪声很小。与普通旋转电动机相比的优点：与普通旋转电动机相比的优点：（二）基本工作原理（二）基本工作原理通入对称正弦交流电时，产通入对称正弦交流电时，产生气隙磁场。分布情况与旋生气隙磁场。分布情况与旋转电动机相似，沿着直线方转电动机相似

6、，沿着直线方向按正弦规律分布，但它不向按正弦规律分布，但它不是旋转而是沿着直线平移，是旋转而是沿着直线平移，因此称为行波磁场。因此称为行波磁场。 行波磁场移动速度行波磁场移动速度行波磁场切割二次侧导条，行波磁场切割二次侧导条，将在导条中产生感应电动将在导条中产生感应电动势和电流势和电流 磁场和电流相互作用，磁场和电流相互作用，产生电磁力产生电磁力（二）基本工作原理（二）基本工作原理如果一次侧是固定不动的，那么如果一次侧是固定不动的，那么二次侧便在这个电磁力的作用下，二次侧便在这个电磁力的作用下，顺着行波磁场的移动方向作直线顺着行波磁场的移动方向作直线运动运动 转差率转差率s s：0s1 0s1

7、 二次侧的移动速度：二次侧的移动速度：改变电源频率改变电源频率改变极距改变极距改变二次侧移动的速度：改变二次侧移动的速度： 改变一次侧绕组中通电相序改变一次侧绕组中通电相序 改变二次侧移动的方向：改变二次侧移动的方向： 一、一、 直线感应电动机直线感应电动机电磁式电磁式永磁式永磁式分类：分类：多用于驱动功多用于驱动功率较小的场合率较小的场合多用于驱动功多用于驱动功率较大的场合率较大的场合（一）永磁式直线直流电动机（一）永磁式直线直流电动机动铁型动铁型动圈型动圈型分类：分类：实际中用实际中用得较多得较多改变绕组中直流电流的大小和方向，改变绕组中直流电流的大小和方向，即可改变电磁力的大小和方向。即

8、可改变电磁力的大小和方向。移动绕组中移动绕组中通入直流电通入直流电流时，便产流时，便产生电磁力生电磁力 （二）电磁式直线直流电动机（二）电磁式直线直流电动机电磁式动圈型直线电磁式动圈型直线直流电动机结构示意图直流电动机结构示意图 励磁绕组通电后产励磁绕组通电后产生磁通与移动绕组生磁通与移动绕组的通电导体相互作的通电导体相互作用产生电磁力，克用产生电磁力，克服滑轨上的静摩擦服滑轨上的静摩擦力，移动绕组便作力，移动绕组便作直线运动。直线运动。 三磁极式直线直流电动机三磁极式直线直流电动机 磁绕组通电时，产磁绕组通电时，产生磁通，径向穿过生磁通，径向穿过气隙和电枢绕组，气隙和电枢绕组，在铁心中由径向

9、过在铁心中由径向过渡到轴向，形成闭渡到轴向，形成闭合回路，如图中虚合回路，如图中虚线所示。径向气隙线所示。径向气隙磁场与通电的电枢磁场与通电的电枢绕组相互作用产生绕组相互作用产生轴向电磁力，推动轴向电磁力，推动磁极作直线运动磁极作直线运动 电流只在电枢绕组电流只在电枢绕组的工作段流过的工作段流过直线电机轮轨交通系统是一种新型的介于磁悬浮直线电机轮轨交通系统是一种新型的介于磁悬浮铁路交通与传统轮轨铁路交通的轨道交通形式。该种铁路交通与传统轮轨铁路交通的轨道交通形式。该种轨道交通利用车轮起支承、导向作用，这与传统轮轨轨道交通利用车轮起支承、导向作用，这与传统轮轨系统相似。但在牵引方面却采用了短定子

10、列车驱动直系统相似。但在牵引方面却采用了短定子列车驱动直线感应电机驱动线感应电机驱动， 当初级线圈通以三相当初级线圈通以三相交流电时，由于感应而产交流电时，由于感应而产生电磁力，直接驱动车辆生电磁力，直接驱动车辆前进，改变磁场移动方向，前进，改变磁场移动方向，车辆运动的方向也随之改车辆运动的方向也随之改变。车辆平稳运行时，定变。车辆平稳运行时，定子与感应轨之间的间隙一子与感应轨之间的间隙一般保持在般保持在10mm10mm左右。左右。直线电机在列车中应用 感应板要安置在轨道道床上，其与钢轨、道床以及三感应板要安置在轨道道床上，其与钢轨、道床以及三轨的尺寸链关系至为重要。轨的尺寸链关系至为重要。悬

11、浮原理：悬浮原理：驱动原理：驱动原理： 通俗的讲就是，在位于轨道两侧的线圈里流动的通俗的讲就是，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为能将线圈变为电磁体。由于它与列车上的超导电磁体由于它与列车上的超导电磁体的相互作用，就使列车开动起来。列车前进是因为列车头的相互作用，就使列车开动起来。列车前进是因为列车头部的电磁体（部的电磁体（N极）被安装在靠前一点的轨道上的电磁体极）被安装在靠前一点的轨道上的电磁体（S极）所吸引，并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电极）所吸引，并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（磁体（N极）所排斥。当列车前进时，在线圈里流动的电极）所排斥。当列车前进时，在线

12、圈里流动的电流流向就反转过来了。其结果就是原来那个流流向就反转过来了。其结果就是原来那个S极线圈，变为极线圈，变为N极线圈了，反之亦然。这样，列车由于电磁极性的转换极线圈了，反之亦然。这样，列车由于电磁极性的转换而得以持续向前奔驰。根据车速，通过电能转换器调整在而得以持续向前奔驰。根据车速，通过电能转换器调整在线圈里流动的交流电的频率和电压。线圈里流动的交流电的频率和电压。 导向原理：导向原理：在列车侧面安装一在列车侧面安装一组专门用于导向的组专门用于导向的电磁铁。列车发生电磁铁。列车发生左右偏移时，列车左右偏移时，列车上的导向电磁铁与上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互导向轨的侧面相互作用，产生

13、排斥力，作用，产生排斥力，使车辆恢复正常位使车辆恢复正常位置。列车如运行在置。列车如运行在曲线或坡道上时，曲线或坡道上时，控制系统通过对导控制系统通过对导向磁铁中的电流进向磁铁中的电流进行控制，达到控制行控制，达到控制运行目的。运行目的。 良好的编组灵活性和运营适应性 由于直线电机驱动的车辆具有比传统车辆更强的加由于直线电机驱动的车辆具有比传统车辆更强的加减速性能，有更高的停车位置控制精度，因此更易实现减速性能，有更高的停车位置控制精度，因此更易实现小编组，高密度，自动驾驶的运行模式。它可以小编组，高密度，自动驾驶的运行模式。它可以2-62-6辆灵辆灵活活 编组，适应不同的客运量需要。编组，适

14、应不同的客运量需要。 由于直线电机驱动地铁车辆仍采用钢轮和钢轨来支撑由于直线电机驱动地铁车辆仍采用钢轮和钢轨来支撑和引导车辆运行，所以仍可采用长期运用成熟的、安全和引导车辆运行，所以仍可采用长期运用成熟的、安全可靠的轨道电路信号系统来实行对列车的信号传输、运可靠的轨道电路信号系统来实行对列车的信号传输、运行监控和集中调度，运营适应性较好。行监控和集中调度，运营适应性较好。 采用径向转向架，使运行性能大大改善 由于采用直线电机系统，没有了旋转动力源和机械由于采用直线电机系统，没有了旋转动力源和机械变速传动系统，因此有利于采用径向转向架。小而轻的变速传动系统，因此有利于采用径向转向架。小而轻的车辆

15、，使转向架的结构简单轻巧，是该系统除直线感应车辆，使转向架的结构简单轻巧，是该系统除直线感应电机外，另一种具有革新性的走行机械设计。电机外，另一种具有革新性的走行机械设计。 降低振动和噪声 由于直线电机驱动的地铁车辆，没有齿轮传动机构的啮合振由于直线电机驱动的地铁车辆，没有齿轮传动机构的啮合振动和噪声；动和噪声； 其次，车轮也不是驱动轮，没有动力轮对与钢轨蠕滑滚动产其次，车轮也不是驱动轮，没有动力轮对与钢轨蠕滑滚动产生的振动和噪声；生的振动和噪声； 再加上径向转向架良好的曲线通过性能，避免了过曲线时轮再加上径向转向架良好的曲线通过性能，避免了过曲线时轮轨冲角带来的振动和噪声。故该型地铁车辆具有

16、振动小，噪声轨冲角带来的振动和噪声。故该型地铁车辆具有振动小，噪声 低低的优点，有利于环境保护。的优点，有利于环境保护。 良好的安全性和可靠性 由于直线电机驱动地铁车辆是典型的非黏由于直线电机驱动地铁车辆是典型的非黏 着驱动方式，牵引着驱动方式，牵引- -制动性能发挥不依赖于制动性能发挥不依赖于 环境，是一种全天候的运载工具。环境，是一种全天候的运载工具。 直线电机驱动的电磁力的分力使轮轨间产生一定的附加压力直线电机驱动的电磁力的分力使轮轨间产生一定的附加压力，有利于提高轮轨运动，有利于提高轮轨运动 的稳定性，因此其安全性指标较高。的稳定性，因此其安全性指标较高。 再加上取消了旋转电机驱动所必

17、须的滚动再加上取消了旋转电机驱动所必须的滚动 轴承、传动齿轮，轴承、传动齿轮，磨耗小，大大提高了车磨耗小，大大提高了车 辆运行的可靠性和可维护性，维修工作量辆运行的可靠性和可维护性，维修工作量 较小，维护成本较低。较小，维护成本较低。 低效率、低功率因数的缺点低效率、低功率因数的缺点 由于车载定子与地面转子是处在一个相对直线运动的由于车载定子与地面转子是处在一个相对直线运动的弹性（轴箱垂向弹性定位）系统间，不可避免地会造成相弹性（轴箱垂向弹性定位）系统间，不可避免地会造成相互间隙变化，因此气隙设计得不能太小，否则会导致不安互间隙变化，因此气隙设计得不能太小，否则会导致不安全因素，一般定在全因素，一般定在12mm12mm左右（比德国磁悬浮列车的气隙左右（比德国磁悬浮列车的气隙8mm8mm要高一些）；再加上直线电机是有端部的（旋转电机是闭要高一些）；再加上直线电机是有端部的（旋转电机是闭环），因此漏磁场较大，机电能量转化率低，所以直线电环），因此漏磁场较大，机电能量转化率低，所以直线电机的效率较低，一般在机的效率较低，一般在 0.7-0.80.7-0.8之间，功率因数也较低，之间，功率因数也较低，一般在一般在0.5-0.