交通运输概论课件：交通运输电力与电气工程技术

第四章交通运输电气技术4.2.7磁悬浮交通系统

（1）磁悬浮交通系统的分类2磁悬浮列车高速磁悬浮电磁式悬浮，长定子常导直线同步电动机驱动电动式悬浮，长定子超导直线同步电动机驱动中低速磁悬浮电磁式悬浮，常导短定子直线感应电动机驱动永磁（半）悬浮，常导短定子直线感应电动机驱动

磁悬浮列车还有其他一些类型，上述分类只针对已经商业运营或已有1:1样车及试验线的磁悬浮交通系统。3上海高速磁悬浮（电磁式，运营）日本高速磁悬浮（电动式，试验）日本中低速磁悬浮（电磁式，运营）德国中低速磁悬浮（永磁式，拆除）（2）中低速电磁式磁悬浮列车中国首条自主设计制造的中低速磁浮线路——长沙磁浮线路，2016年试运营。北京中低速磁浮列车S1线“玲龙号”，2016年12月下线。5铁球传感器驱动器控制器电磁铁磁浮球系统：

根据恩绍（Earnshaw）定律，仅仅依靠电磁铁或永久磁铁，不可能与另一铁磁或永磁体产生稳定的磁悬浮。但可以通过反馈控制来实现。传感器将铁球与电磁铁间隙大小的信号传递给控制器，控制器调节驱动器的电流大小，使电磁铁的吸力得到调节，铁球稳定悬浮。电磁式（吸力型）磁悬浮原理传感器电磁铁轨道梁下方装有槽钢（F轨）车辆装有带电磁铁的“两臂”电磁铁通电后与钢板互相吸引控制系统根据间隙控制电磁铁电流的大小，以保持稳定悬浮列车推进采用短定子直线感应电机，F轨上面铺设铝反应板导向可由磁力线“对中效应”产生中低速电磁式磁悬浮列车原理上部槽钢的与U型电磁铁对准时磁阻最小。当车辆偏离中线时，为达到磁阻最小，下部磁铁与槽钢会有较大的水平（拉回）分力，起到导向作用。垂直分量水平分量磁力线1、为节省材料，驱动用的直线感应电机定子（铁心与绕组）在车上（短）；直线感应电机的反应板（铝板与槽钢复合）安装在轨道上（长）。中低速电磁式磁悬浮列车的特点2、由于车上的定子需要供电，所以一般用接触式受流系统（接触轨+集电器）。93、磁悬浮系统与驱动系统相互独立。4、因运行速度较低（一般<100km/h），磁浮的水平分力即可起到对中作用，所以无须专门的导向控制系统。10（3）

高速电磁式磁悬浮列车

直线感应电机虽然成本低，但功率因数与效率差，且对气隙敏感，因此，高速磁悬浮一般采用功率因数与效率高的直线同步电机驱动。上海磁悬浮

悬浮原理与常导直线感应电机磁悬浮类似，但推进同步直线电机在轨道梁上，并与悬浮系统一体化。高速电磁式磁悬浮列车的原理

直线同步电机的推进、悬浮一体化高速电磁式磁悬浮列车的特点1234同步电机的定子与磁极都需要供电，但定子功率大电压高，且需要三相交流变频电源，因此一般安装在在轨道梁上（长定子），可解决高速接触轨供电的技术困难。磁极（动子）在车上，虽然功率小且为直流，可由车载电池供电，但电池不能持久供电，需要由同步直线电机上附加的齿谐波发电机“无线”充电。同步电机动子磁极是直流电磁铁，因此可以兼做悬浮磁铁，不需要独立的磁悬浮系统。需要单独的导向控制系统。（4）高速电动式磁悬浮列车

电磁式磁悬浮的悬浮高度仅为10mm左右，高速运行时对反馈控制系统的要求非常高，而加大气隙则能耗过大。为解决这个问题，提出了采用超导电机的高速磁悬浮列车方案。车上的磁极线圈采用了低温超导体，不需要很大的外部电源，又可以减小线圈尺寸。这个励磁线圈同时起悬浮电磁铁、同步电机磁极、导向线圈的作用。高速电动式磁悬浮列车原理悬浮与导向线圈定子推进线圈轨道梁侧壁车轮支撑轨道18NS超导磁铁NS超导磁铁的N极接近一个8字线圈时，根据楞次定律，下环将感应出一个N极磁场，抵抗磁通变化，根据下环电流方向，上环将产生一个S极磁场。下推上拉，产生磁悬浮。超导磁铁NS利用8字线圈产生电动式磁悬浮8字线圈导轨侧墙有8字形悬浮线圈与三相绕组8字线圈内感应出电流形成磁场，将超导线圈推拉上浮，同时可起到导向作用三相绕组与车辆电磁铁作用高速前进车辆两侧有超导电磁铁悬浮力需要车运动产生，故称为“电动式”磁悬浮高速电动式磁悬浮列车的特点1、由于采用了超导电机，不仅车辆与轨道之间的气隙大、节能、车辆轻，而且可以省去长定子的铁心。3、“8字线圈”不仅可以产生悬浮作用，还有对中作用，因此不需要独立的导向控制系统。2、由于电动式磁悬浮是自稳定的，故不需要复杂的反馈控制系统。4、列车只有高速运动时，才会产生磁悬浮，静止和低速时不能悬浮，因此需要像飞机起落架一样的车轮。（5）永磁式磁悬浮列车

根据恩绍定律，完全采用永久磁铁，不能实现稳定的电磁式磁悬浮。但如果借助机械限位轮，可实现“半磁悬浮”，如前东德柏林的半磁浮列车M-Bahn。限位轮

永磁式磁悬浮列车原理永磁式磁悬浮列车的特点特点一永磁同步电机兼悬浮与推进作用，类似常导电磁式长定子方案，但不能采用反馈控制，载客量受限。二三动子是永磁，不仅用于悬浮，还用做直线永磁推进电机的磁极，比较节能。由于限位轮存在摩擦，车速不能太高，而且永磁磁极吸附铁磁物质难以清除，维护困难。

目前还有一种永磁-电磁混合磁悬浮方案，但还没有1:1的样车。

还有一种永磁与高温超导块材结合的磁悬浮，是基于超导的迈斯纳效应，具有自稳定悬浮的优点，但磁浮力难以实时控制，而且需要独立的直线电机推进系统。谢谢！24第四章交通运输电气技术4.3公路车辆的电驱动系统电动汽车是全部或部分由电能驱动的汽车，电能驱动通过电动机实现。按照目前技术的发展方向或者车辆驱动原理，可划分为纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池电动汽车三种类型。

264.3.1电动汽车及其分类

电动汽车纯电动车混合动力电动车插电式电动车非插电混合动力车燃料电池电动车电动汽车的技术特征28纯电动汽车混合动力电动汽车燃料电池电动汽车驱动方式电动机内燃机和电机电动机能量来源蓄电池超级电容器飞轮电池蓄电池超级电容器内燃机发电机组燃料电池能源种类来自电网的电力燃油电网充电设备（插电式）氢气甲醇、乙醇、其他优点车辆本身零排放不依赖原油

驱动系统简单比燃油车节能、排放少行驶里程长使用能源灵活（插电式）车辆零排放或超低排放不依赖燃油行驶里程长缺点电池昂贵电池管理系统复杂充电时间长行驶里程短依赖燃油结构复杂多能源，控制复杂车辆本身仍有排放燃料电池成本高燃料重整设备复杂氢燃料存储有危险谢谢！29第四章交通运输电气技术4.3.2纯电动汽车

纯电动汽车是完全由可充电电池（如锂离子电池等）提供动力源的汽车。纯电动汽车由底盘、车身、蓄电池组、电动机、控制器、辅助设施六部分组成。

由于电动机具有良好的牵引特性，因此纯电动汽车的变速器比较简单甚至可以取消。31（1）纯电动汽车的三大核心部件

1、动力电池：为整车提供能量。2、电机：将电能转化为机械能，驱动车轮前进。也可以将机械能转化为电能存储到电池中。3、电控系统：协调、控制各部分零部件，使车辆达到要求的运行状态。

在混合动力电动车和燃料电池车中也有这三大核心部件。绝大多数电动车采用层叠式单体电池，单体功率大，液态电解液，包装铝膜机械强度较差，一致性较差。特斯拉采用卷绕式单体电池，单体功率小，钢壳机械强度好，价格低，一致性好。（2）动力电池（3）驱动电机高电压、高转速（质量小、高效率、低损耗）。较大的起动转矩和较大的调速范围，以满足起动、加速、行驶减速、制动等所需要的功率和转矩。需要有4-5倍的过载能力，以满足加速和爬坡的要求。可以兼作发电机，在车辆减速、制动时进行能量回收。结构简单，耐用、维修方便。电动汽车对驱动电动机性能的基本要求：35直流电机感应电机永磁电机比功率低较高高峰值效率（%）85-8994-9595-97转速范围（转/分）4000-600012000-150004000-10000可靠性较差高较高尺寸大较小小成本高低较高控制难度低高一般代表车型（已淘汰）特斯拉比亚迪常用驱动电机的性能比较目前世界各国电动汽车主要采用感应电机和永磁电机驱动。直流电机是早期电动汽车采用的驱动电机，目前已经淘汰，仅用于电瓶车、电动代步车和自行车。为了对比，仍将直流电机列在对比表格中。36特斯拉ModelS纯电动车整车、底盘、驱动电动机。（4）控制器37

控制器是电动车的大脑，与加速踏板连接，电池供向电机的电流由控制器进行调控。它能够使电机的输出功率在某一范围内进行变化。当代电动车采用交流电机驱动，控制器还包括将电池中的直流电转化为交流电的变频器。或将发电机的交流电整流成直流存储到电池中。谢谢！38第四章交通运输电气技术4.3.3混合动力电动汽车混合动力车辆是使用两种或以上能源的车辆，比普通由内燃发动机车辆较为节能、环保。目前多数以内燃机+电动机推动，能源来自汽油/柴油+电池，此类混合动力车叫油（柴）电混合动力车。

普通混合动力车的电池不能外部充电，仅由汽车发电机充电。（1）混合动力电动汽车节能原理以并联型混合动力电动车为例：可避开起动和低速段燃油发动机的低效区。由于转速变化对电机的能效影响比对内燃机小，在起动时和低速下，由电池向电动机提供动力；高速下燃油发动机达到最佳工作点才直接驱动，从而整体优化了能效。避开燃油消耗高峰造成的低效。在负荷过大时燃油发动机效率较低，因此在突然加速时由电机帮助燃油发动机加速；高速行驶时，电池为辅助用电设备提供能量，使燃油发动机的负荷比较平均，从而提高效率。在减速和刹车的时候，燃油车的剩余动能将会因摩擦耗散掉。而混合动力车此时可以通过电机为电池充电，最大限度地保存和节约了能源。41（2）串联型混合动力车

内燃发动机带动发电机发电，通过控制器输送给电动机，驱动汽车行驶，并可以同时向电池充电。起动、爬坡、加速时，发电机与电池共同供电；低速、滑行、怠速时仅由电池供电，优点：内燃机组总是在最佳工作区。缺点：内燃机即使在最佳工作区也要通过导线向电动机传递能量，导线与电机损耗造成效率较低。适用于公交车（起停频繁）。油箱内燃机电动机变流器电池发电机充电器飞轮或电容器（3）并联型混合动力车

内燃发动机或电动机可以单独驱动，也可以同时驱动。爬坡、加速时，内燃机与电动机共同驱动；工作点最佳时内燃机单独驱动（如巡航时）。优点：内燃机在最佳工作点可以不通过电机直接驱动，效率高。与电动机协调，运行方式多。缺点：混动车电池小，起停频繁时电机动力不足，需要内燃机低速参与起停，效率低。适合在高速公路行驶的车辆。电动机内燃机内燃机电动/发电机变流器电池油箱（4）混联型混合动力车

兼具串联型和并联型的优点。比串联型多增了机械动力的传递路线，内燃机可以直接驱动车轮，适合高速稳定运行；比并联式多增了电能的传输路线，电动机可以由内燃发电机组与电池供电，适合低速、频繁起动。节能减排效果好，是目前的主流方案。电池电动机变流器充电器发电机油箱内燃机谢谢！45第四章交通运输电气技术4.3.4插电式混合动力汽车

纯电动汽车目前主要瓶颈是电池的比能量小，一次充电的行驶里程短；普通混合动力车尽管节能、行驶里程长，也可减少特定区域（如城市）的排放，但仍然单纯依赖燃油。

插电式混合电动车既能依靠燃油发动机驱动或带动电机为车载电池充电，又能靠外部电源为车载电池充电，发挥了混合动力车与纯电动车两者的长处。所以该系统电池容量更大、排放更小、续航力明显增加。一般是并联型或混联型。

插电式混合电动车特点普通混动车：常用动力是燃油，必须去加油站加油。在刹车、下坡时蓄电池可以回收一部分能量，排放仅比燃油车有所减少，只能在特定区域（如城市）没有排放。电池小油箱大电机小内燃机大插电式混动车：常用驱动是电力。燃油作为后备能源。因此较少去加油站（里程较短时可以当做纯电动车）。电池可外部充电。插电式是混合电动车的发展方向。电池大油箱小电机大内燃机小谢谢！49第四章交通运输电气技术

燃料电池比内燃机的能效高一倍以上，可以有效节能。燃料电池可直接向牵引电机供电，也可以给电池充电间接驱动电机。燃料电池电动汽车的基本结构与纯电动车类似。

由于燃料电池排放的主要是水，环保性能比混合电动车高得多。但如果使用其他燃料重整为氢，则有一定的碳和氮氧化物排放。4.3.5燃料电池电动汽车燃料电池

燃料电池不是可充电的储能电池，其原理是水电解反应的逆过程，即氢氧反应产生电、水和热。燃料电池具有高效率(50%~70%)、清洁和安全的优点。但目前成本较高，难以普及。谢谢！53第四章交通运输电气技术4.3.6电动汽车充电设备

充电站按照功能可以划分为四个子模块：配电系统、充电系统、电池调度系统、充电站监控系统。

电动车充电一般分为三种方式：普通充电：多为交流桩。快速充电：多为直流桩。电池更换：站点需要存放电池和装卸机械，仅适用于公交车等车辆。5556交流充电桩直流充电桩输入电压(V)220VAC380VAC输出电压种类交流直流输出电流(A)根据功率要求可选须符合电池充电要求充电对象车载充电器动力电池充电方式慢充慢充或快充，可调节充电电流或电压功能选择充电方式和操作指导，显示用户IC卡资费信息，实现无人管理，通信接口（1）充电桩种类无线充电站可以减少人工操作充电的麻烦。电磁感应式和磁场共振式在电动汽车的无线充电上较为方便合理。（2）无线充电无线充电的最大意义在于将来有可能实现行驶时充电（Chargewhilemotion），因为这意味着不需要花时间停车充电，还可以减少车载电池，减小整车的重量。无线充电技术还可与智能电网结合，无线供电时同时监控电动车辆的电池状态、负荷大小及分时电价等相关信息，引导车主合理充放电，更有力地推动电动汽车的大规模应用。充电电源位置检测智能电网从属单元与电力电子设备储能系统无线充电电源

充电电路（3）V2G据统计，所有车辆平均95%的时间处于停驶状态，所以电动车停泊时，车载电池可作为分布式储能单元，将存储的电能销售给电网，即“车辆到电网”技术V2G（Vehicle-to-Grid）。据美国估算，每车每年可为电力网带来4000美元的价值。但该技术需要双向变换的车载变流器，并且有分时段电价政策和公共智能电网的配合。V2G只有电动汽车普及后才有实际意义。谢谢！61第四章交通运输电气技术4.3.7工矿大型车辆的电驱动技术公路货车、轮胎式工程车重型电动轮卡车内燃机→发电机→感应轮毂/轮边感应电动机驱动双能源混动自卸卡车：采用辅助架线供电+电动机，怠速用柴油发动机驱动，再生制动。双能源集装箱混动卡车：有受电弓+电机与内燃机，高速公路用电驱动分类：

重型矿车功率非常大，柴油机输出转矩难以采用变速箱传递到车轮，因此多采用“电动轮”（轮边电机+轮边变速器或轮毂电机），与内燃机车电传动原理相似。64双能源混动卡车不仅有内燃机，还有牵引电动机，如果公路上有接触网，车辆就可以通过受电弓从电网吸取电能，转为电驱动实现节能减排，与双能源列车类似。电动轮谢谢！65第四章交通运输电气技术

4.4电气工程在其他交通工具上的应用电气工程在船舰、飞机、航天器中的应用非常广，如控制设备的作动器、照明、辅助设备的动力等。本课仅介绍飞机、舰船、航天器电推进的应用。674.4.1多电/全电舰船多电/全电舰船减少或取消了普通舰船的机械传动机构，从而更加可靠、节约能源、节省空间。全电军舰采用电推进后，噪音低，大大增强了作战能力。整合动力系统节省下来的能源可用于支援作战，比如可支持一些高能耗武器（如激光武器、电磁炮）、声纳、雷达等。

全电轮船大多数是柴油发电机-电动机系统，即“柴电混合”船。称为“全电”，主要是指直接驱动是靠电力，并非不需要燃油。（1）全电轮船船舶推进电力系统70柴油发电机组主开关柜变压器变频器吊舱式推进器71吊舱式螺旋推进器充分发挥了电驱动的优势，即“propulsionbywire”（“由导线来传递推进力”），取消了笨重的传动轴，而且取消了舵，使船几乎可以原地掉头。导向装置吊舱推进器Azipod转向控制单元冷却导管冷空气单元推进器控制导向驱动器吊舱推进器控制导向控制后备设备吊舱式螺旋推进器72同步电机驱动端轴承非驱动端轴承励磁机水密装置（2）太阳能“纯电动船”瑞士太阳能船，实现了环球航行超导磁流体推进船超导磁流体推进器（3）

磁流体推进船而海水静止，船受反作用力前进六管推进器中一个管电极工作原理谢谢！76第四章交通运输电气技术4.4.2多电/全电/电动飞机

多电飞机用更多的电机、电磁执行器代替液压和气动执行器（如涡轮发动机的起动机、机翼控制面），使飞机的效率、可靠性、易维护性、保障性和运行保障费用都得到明显的改善，并使飞机重量减轻、可用空间增加。如果完全用电磁装置替代液压、气压系统，称为全电飞机。（1）多电飞机与全电飞机因此多电/全电飞机的发电机与供电系统要大幅提高容量。目前的主要手段是将大容量发电机与发动机一体化。例如永磁起动/发电机，与发动机高压轴连接，在飞机发动机起动时作为电动机帮助发动机起动；发动机起动后作为发电机，为飞机提供电源。为了体积小，起动/发电机转速一般为上万转/分甚至几万转/分，所以必须有双向功率变换的电力电子变频器。8081波音787发动机波音787发动机的永磁起动/发电机250kVA，235V，360–800

Hz

（2）太阳能电动飞机电动飞机指采用电机做发动机的飞机。瑞士的阳光动力2号太阳能飞机，可长航时、不耗燃油昼夜连续飞行。翼展72米，超过体积最大的商用客机，重量2300公斤，与一辆家用汽车相当。2015年实现了环球飞行。83

2016年，美国试飞了电机驱动的直升飞机。由RobinsonR44直升机改装，用两台永磁同步电机作为动力，装载500kg的锂电池提供电力。

试验飞行时间5分钟，飞行高度122m，飞行速度148km/h。

（3）电动直升飞机（4）纯电动客机

2012年柏林航展，德国研究机构推出190座Ce-Liner纯电动客机概念。采用16组蓄电池，2台超导电动发动机。计划2035年投入运行。84电驱动系统高温超导电动机集成低温冷却机系统可反向推进静音叶片作动系统机电作动器满足ETOPS的冗余（双发延程飞行）电力电子与电源DC电源A