直线电机与城市地铁列车

直线电机在列车中应用
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列车驱动直线感 应电机驱动， 当初级线圈通以三 相交流电时，由于 感应而产生电磁力， 直接驱动车辆前进， 改变磁场移动方向， 车辆运动的方向也 随之改变。车辆平 稳运行时，定子与 感应轨之间的间隙 一般保持在10mm左 右。
（3）按工作原理
直线电机按其工作原理可分为两个大的方面，即直线电动机 和直线驱动器，直线电动机包括：
交流直线感应电动机 交流直线同步电动机 直线直流电动机直线步进（脉冲）电动机 混合式直线电动机
直线驱动器包括：
直线振荡电机 直线电磁螺线管电机
直线电磁泵
直线超声波电动机等。
直线电动机的工作原理
与旋转电动机不同，直线电动机 是能够直接产生直线运动的电动 机，但它却可以看成是从旋转电 动机演化而来，如图7-1所示。 设想把旋转电动机沿径向剖开， 并将圆周展开成直线，就得到了 直线电动机。旋转电动机的径向、 周向和轴向，在直线电动机中对 应地称为法向、纵向和横向；旋 转电机的定子、转子在直线电机 中称为初级和次级
从旋转电动机到直线电机电动机的演化
直线电动机的工作原理与旋转电动机相 似。以直线感应电动机为例：当初级绕 组通入交流电源时，便在气隙中产生行 波磁场，次级在行波磁场切割下，将感 应出电动势并产生电流，该电流与气隙 中的磁场相作用就产生电磁推力。如果 初级固定，则次级在推力作用下做直线
运动；反之，则初级做直线运动。
① ②
③
如电机极距为，电源频率为f，磁场移动速度为
vs 2 f
次级速度为v ， 则滑差率为:
s
vs v vs
次级移动速度: v (1 s ) v 2 f (1 s ) s
直线电动机传动的特点
(1) 省去了把旋转运动转换为直线运动的中间转换机 构，节约了成本，缩小了体积。 (2) 不存在中间传动机构的惯量和阻力的影响，直线 电动机直接传动反应速度快，灵敏度高，准确度高。 (3) 直线电动机容易密封，不怕污染，适应性强。由 于电机本身结构简单，又可做到无接触运行，因此容易密封， 可在有毒气体、核辐射和液态物质中使用。 (4) 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。 (5) 装配灵活性大，往往可以将电机与其他机件合成 一体。 (6) 某些特殊结构的直线电动机也存在一些缺点，如 大气隙导致功率因数和效率降低，存在单边磁拉力等等。
2.功电机
功电机主要作为长期连续运行的直线电机，它的性能衡量的指标与旋转电机 基本一样，即可用效率、功率因数等指标来衡量其电机性能的优劣。例如高 速磁悬浮列车用直线电机，各种高速运行的输送线等等。
3.能电机
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、短距离内提供巨大的直线运动能，例如导弹、鱼雷的发射，飞机 的起飞以及冲击、碰撞等试验机的驱动等等。这类直线电机的主要性能指标 是能效率（能效率＝输出的动能／电源所提供的电能）。
直线电动机的定义
利用电能直接产生直线运动的电动机
直线电机分类
（1）按结构（5种）
短 初 级 单边直线电动机 短 次 级 短 初 级
双边型直线电动机
短 次 级
圆筒式结构
从旋转电动机到圆筒式直线电动机的演化
圆弧式直线电动机
圆盘式直线电动
（2）按功能用途
1.力电机
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。它以短时 运行、低速运行为主，例如阀门的开闭，门窗的移动，机械手的操作、推车 等等。这种电机效率较低，甚至为零（如对静止物体上施加推力时，效率为 零），因此，对这类电机不能用效率这个指标去衡量它，而是用推力／功率 的比来衡量，即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。
直线电机城轨车辆性能特点
采用直线电机牵引技术，具有优良的动力性能和爬 坡能力 ，车轮仅起承载的作用，列车的牵引力不受 轮轨之间豁着条件的影响，所以能获得优良的动力性 能和爬坡能力。
线路的最大坡度理论上 可达到10%，目前可实 现8%。有利于线路纵断 面设计，减少隧道及高 架的过渡段，减少拆迁 工作量，隧道断面小， 大大降低工程投资 ‹车 轮只起车体的支撑作用， 轮径较小，使车辆总高 度降低，减少行走区间 的断面面积，整个系统 小型化，降低工程投资。
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 着驱动方式，牵引制动性能发挥不依赖于 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， 有利于提高轮轨运动 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须的滚动 轴承、传动齿轮， 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 较小，维护成本较低。
直线电机城轨车辆及线路（广铁四号线）
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减 速性能，有更高的停车位臵控制精度，因此更易实现小 编组，高密度，自动驾驶的运行模式。它可以2-6辆灵活 编组，适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 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 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变 速传动系统，因此有利于采用径向转向架。小而轻的车 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。
直线电机与城轨列车
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பைடு நூலகம்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 往会带来结构复杂，重量重，体积大，啮合精度差， 且工作不可靠等缺点。而采用直线电机不需要中间 转换装臵，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，直线电机已得到推广和应用。
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，否则会导致不安全因素，一般定 在12mm左右（比德国磁悬浮列车的气隙8mm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，所以直线电机的效率较低，一般在 0.70.8之间，功率因数也较低，一般在0.5-0.6之间；对于直线电 机气隙的安装、运行、 保养、维护较困难，如何确保运行中气 隙的精度是直线电机驱动地铁应给予高度关注的技术难题，为 此所需的工作量和维护成本较高，也容易引发安全性问题。 为了保证一定的牵引力和减少能耗，直线电机车载电磁铁与 轨道感应板之间的距离应控制在一定的范围内。