直线电机原理
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机车速度低于大约25英里 小时无法保证悬浮 机车速度低于大约 英里/小时无法保证悬浮 英里
特种电机及其控制
二、推进系统： 推进系统：
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， 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， 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。 直线电动机的长定子绕组。 从电动机的工作原理可以知道， 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， 的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电 机的转子转动。 机的转子转动。
嵌置铜环或铝环的圆筒式次级
特种电机及其控制
3. 气隙 直线电机的气隙相对于旋转电机的气隙要大得多， 直线电机的气隙相对于旋转电机的气隙要大得多，主 要是为了保证在长距离运动中， 要是为了保证在长距离运动中，初级与次级之间不致 摩擦。 摩擦。 复合次级和铜( 复合次级和铜(铝)次级：因为铜或铝均属非磁性材 次级： 其导磁性能和空气相同， 料，其导磁性能和空气相同，故： 机械气隙(单纯的空气隙) 电磁气隙=机械气隙(单纯的空气隙)+ 铜板或铝板厚度 直线感应电动机的缺点：气隙大，功率因数低 直线感应电动机的缺点：气隙大，
特种电机及其控制
三、导向系统： 导向系统：
一种测向力来保证悬浮的机车能够沿着导 轨的方向运动。 轨的方向运动。 必要的推力与悬浮力相类似，也可以分 必要的推力与悬浮力相类似， 为引力和斥力。 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， 提供动力，也可以采用独立的导向系统 电磁铁。 电磁铁。
特种电机及其控制
在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电， 在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将 线圈变为电磁体。 线圈变为电磁体。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。 体的相互作用，就使列车开动起来。列车前进 是因为列车头部的电磁体（ 极 是因为列车头部的电磁体（N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 一点的轨道上的电磁体（ 极 所吸引， 时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（ 极 时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（N极） 所排斥。当列车前进时， 所排斥。当列车前进时，在线圈里流动的电流 流向就反转过来了。其结果就是原来那个S极线 流向就反转过来了。其结果就是原来那个 极线 现在变为N极线圈了 反之亦然。 极线圈了， 圈，现在变为 极线圈了，反之亦然。 根据车速， 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。 的交流电的频率和电压。
第 4 章 直线电动机 Linear Motor
大连理工大学电气工程系
4.1 直线电动机概述
4.1.1 直线电动机的原理与分类 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 别对应直线电动机的初级和 次级
特种电机及其控制
单边型直线电动机
短 初 级
短 次 级
特种电机及其控制
双边型直线电动机
特种电机及其控制
N
笼型转子
n n0
S
异步电动机模型
特种电机及其控制
电源频率为f 如电机极距为τ，电源频率为 ，磁场移动速度为
vs = 2 f τ
次级速度为v 次级速度为 ， 则滑差率为
vs − v s = vs
次级移动速度
v = (1 − s)v s = 2 fτ (1 − s)
特种电机及其控制
4.2.2 直线感应电动机的结构特点 1. 初级 直线电机的初级相当于旋转电机的定子。 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， 面开有槽 三相(或单相) 面开有槽， 也是由硅钢片叠成的，—面开有槽，三相(或单相) 绕组嵌置于槽内。 绕组嵌置于槽内。 1)扁平式初级结构 1)扁平式初级结构
特种电机及其控制
2）圆筒型直线电机 ） 圆筒式直线电机，次级一般是厚壁钢管， 圆筒式直线电机，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，可以在钢管外圆 高单位体积所产生的起动推力，可以在钢管外圆 覆盖一层1~2mm厚的铜管或铝管，成为复合次级， 2mm厚的铜管或铝管 覆盖一层 2mm厚的铜管或铝管，成为复合次级， 在钢管上嵌置铜环或浇铸铝环， 或者在钢管上嵌置铜环或浇铸铝环 或者在钢管上嵌置铜环或浇铸铝环，成为类似于 笼型的次级。 笼型的次级。
短 次 级
短 初 级
特种电机及其控制
圆筒式结构
从旋转电动机到圆筒式直线电动机的演化
特种电机及其控制
圆弧式直线电动机
特种电机及其控制
圆盘式直线电动机
特种电机及其控制
4.1.2
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。 机构，节约了成本，缩小了体积。 不存在中间传动机构的惯量和阻力的影响， ( 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， 线电动机直接传动反应速度快 ， 灵敏度高 ， 随动性 准确度高。 好，准确度高。 直线电动机容易密封，不怕污染，适应性强。 ( 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， 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、 此容易密封 ， 可在有毒气体 、 核辐射和液态物质中 使用。 使用。
即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。
特种电机及其控制
电力悬浮系统（ 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。 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增大，从 由于机车和导轨的缝隙减少时电磁斥力会增大， 而产生的电磁斥力提供了稳定的机车的支撑和导向。 而产生的电磁斥力提供了稳定的机车的支撑和导向。 最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
特种电机及其控制
磁悬浮列车原理 磁悬浮列车原理
磁悬浮列车实际上是依靠电 磁悬浮列车实际上是依靠电 磁吸力或电动斥力将列车悬浮 磁吸力或电动斥力将列车悬浮 于空中并进行导向， 于空中并进行导向，实现列车 与地面轨道间的无机械接触， 与地面轨道间的无机械接触， 再利用直线电机驱动列车运行。 直线电机驱动列车运行 再利用直线电机驱动列车运行。
特种电机及其控制
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， 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"转子 转子"一样被 载系统连同列车一起就像电机的 转子 一样被 推动做直线运动。从而在悬浮状态下， 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。 以完全实现非接触的牵引和制动。
特种电机及其控制
磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。 磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。 常导型 两大类 常导型
德国高速常导磁浮列车为代表 德国高速常导磁浮列车为代表
利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理 利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理 直流电磁铁电磁吸力 将列车悬起，悬浮的气隙较小， 将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般 毫米左右。 为10毫米左右。常导型高速磁悬浮列 毫米左右 车的速度可达每小时400～500公里， 公里， 车的速度可达每小时 ～ 公里 适合于城市间的长距离快速运输。 适合于城市间的长距离快速运输。 上海磁浮列车为此类 上海磁浮列车为此类 磁浮列车
。
特种电机及其控制
磁悬浮列车主要 悬浮系统、 由悬浮系统、 推进系统和 推进系统和导向 系统 三大部分组成
特种电机及其控制
一、悬浮系统： 悬浮系统：
电磁悬浮系统（ 电磁悬浮系统（EMS） ） 电力悬浮系统（ 电力悬浮系统（EDS） ）
特种电机及其控制
ຫໍສະໝຸດ Baidu
电磁悬浮系统（ 电磁悬浮系统（EMS） ）
是一种吸力悬浮系统， 是一种吸力悬浮系统，是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。 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， 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， 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。 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 的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下， 轨道保持一定的侧向距离， 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。 和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。
特种电机及其控制
2. 次级 1）扁平型直线电机 ） 栅型次级： 栅型次级：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 铸铝) 铸铝)，然后用铜带在两端 短接而成。 短接而成。 钢次级或磁性次级：钢既起导磁作用，又起导电作用. 钢次级或磁性次级：钢既起导磁作用，又起导电作用. 由于钢的电阻率较大， 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(约为推力的10倍左右) 10倍左右 较差，且法向吸力也大(约为推力的10倍左右)。 复合次级：钢板上复合一层铜板(或铝板) 复合次级：钢板上复合一层铜板(或铝板)。 铜(铝)次级或非磁性次级:用于双边型直线电机中 次级或非磁性次级:
特种电机及其控制
4.1.2
直线电动机传动的特点
直线电机散热条件好，温升低， (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。 电流密度可以取得较高，可提高电机的容量定额。 装配灵活性大， (5) 装配灵活性大，往往可以将电机与其他机件合 成一体。 成一体。 某些特殊结构的直线电动机也存在一些缺点， (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 如大气隙导致功率因数和效率降低， 力等等。 力等等。
特种电机及其控制
4.2
直线感应电动机
4.2.1 直线感应电动机的基本原理
行波磁场 在初级的多相绕组中通入多相电流后， 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， 一个气隙基波磁场，但是这个磁场的磁通密度波 Bδ 是直线移动的，故称为行波磁场。 是直线移动的，故称为行波磁场。
特种电机及其控制
特种电机及其控制
超导型
以日本为代表
利用超导磁体产生的强磁场， 利用超导磁体产生的强磁场，列车运 行时与布置在地面上的线圈相互作用， 行时与布置在地面上的线圈相互作用， 产生电动斥力将列车悬起， 产生电动斥力将列车悬起，悬浮气隙 较大，一般为100毫米左右，速度可 毫米左右， 较大，一般为 毫米左右 达每小时500公里以上 达每小时 公里以上
机车速度低于大约25英里 小时无法保证悬浮 机车速度低于大约 英里/小时无法保证悬浮 英里
特种电机及其控制
二、推进系统： 推进系统：
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， 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， 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。 直线电动机的长定子绕组。 从电动机的工作原理可以知道， 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， 的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电 机的转子转动。 机的转子转动。
嵌置铜环或铝环的圆筒式次级
特种电机及其控制
3. 气隙 直线电机的气隙相对于旋转电机的气隙要大得多， 直线电机的气隙相对于旋转电机的气隙要大得多，主 要是为了保证在长距离运动中， 要是为了保证在长距离运动中，初级与次级之间不致 摩擦。 摩擦。 复合次级和铜( 复合次级和铜(铝)次级：因为铜或铝均属非磁性材 次级： 其导磁性能和空气相同， 料，其导磁性能和空气相同，故： 机械气隙(单纯的空气隙) 电磁气隙=机械气隙(单纯的空气隙)+ 铜板或铝板厚度 直线感应电动机的缺点：气隙大，功率因数低 直线感应电动机的缺点：气隙大，
特种电机及其控制
三、导向系统： 导向系统：
一种测向力来保证悬浮的机车能够沿着导 轨的方向运动。 轨的方向运动。 必要的推力与悬浮力相类似，也可以分 必要的推力与悬浮力相类似， 为引力和斥力。 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， 提供动力，也可以采用独立的导向系统 电磁铁。 电磁铁。
特种电机及其控制
在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电， 在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将 线圈变为电磁体。 线圈变为电磁体。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。 体的相互作用，就使列车开动起来。列车前进 是因为列车头部的电磁体（ 极 是因为列车头部的电磁体（N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 一点的轨道上的电磁体（ 极 所吸引， 时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（ 极 时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（N极） 所排斥。当列车前进时， 所排斥。当列车前进时，在线圈里流动的电流 流向就反转过来了。其结果就是原来那个S极线 流向就反转过来了。其结果就是原来那个 极线 现在变为N极线圈了 反之亦然。 极线圈了， 圈，现在变为 极线圈了，反之亦然。 根据车速， 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。 的交流电的频率和电压。
第 4 章 直线电动机 Linear Motor
大连理工大学电气工程系
4.1 直线电动机概述
4.1.1 直线电动机的原理与分类 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 别对应直线电动机的初级和 次级
特种电机及其控制
单边型直线电动机
短 初 级
短 次 级
特种电机及其控制
双边型直线电动机
特种电机及其控制
N
笼型转子
n n0
S
异步电动机模型
特种电机及其控制
电源频率为f 如电机极距为τ，电源频率为 ，磁场移动速度为
vs = 2 f τ
次级速度为v 次级速度为 ， 则滑差率为
vs − v s = vs
次级移动速度
v = (1 − s)v s = 2 fτ (1 − s)
特种电机及其控制
4.2.2 直线感应电动机的结构特点 1. 初级 直线电机的初级相当于旋转电机的定子。 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， 面开有槽 三相(或单相) 面开有槽， 也是由硅钢片叠成的，—面开有槽，三相(或单相) 绕组嵌置于槽内。 绕组嵌置于槽内。 1)扁平式初级结构 1)扁平式初级结构
特种电机及其控制
2）圆筒型直线电机 ） 圆筒式直线电机，次级一般是厚壁钢管， 圆筒式直线电机，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，可以在钢管外圆 高单位体积所产生的起动推力，可以在钢管外圆 覆盖一层1~2mm厚的铜管或铝管，成为复合次级， 2mm厚的铜管或铝管 覆盖一层 2mm厚的铜管或铝管，成为复合次级， 在钢管上嵌置铜环或浇铸铝环， 或者在钢管上嵌置铜环或浇铸铝环 或者在钢管上嵌置铜环或浇铸铝环，成为类似于 笼型的次级。 笼型的次级。
短 次 级
短 初 级
特种电机及其控制
圆筒式结构
从旋转电动机到圆筒式直线电动机的演化
特种电机及其控制
圆弧式直线电动机
特种电机及其控制
圆盘式直线电动机
特种电机及其控制
4.1.2
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。 机构，节约了成本，缩小了体积。 不存在中间传动机构的惯量和阻力的影响， ( 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， 线电动机直接传动反应速度快 ， 灵敏度高 ， 随动性 准确度高。 好，准确度高。 直线电动机容易密封，不怕污染，适应性强。 ( 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， 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、 此容易密封 ， 可在有毒气体 、 核辐射和液态物质中 使用。 使用。
即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。
特种电机及其控制
电力悬浮系统（ 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。 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增大，从 由于机车和导轨的缝隙减少时电磁斥力会增大， 而产生的电磁斥力提供了稳定的机车的支撑和导向。 而产生的电磁斥力提供了稳定的机车的支撑和导向。 最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
特种电机及其控制
磁悬浮列车原理 磁悬浮列车原理
磁悬浮列车实际上是依靠电 磁悬浮列车实际上是依靠电 磁吸力或电动斥力将列车悬浮 磁吸力或电动斥力将列车悬浮 于空中并进行导向， 于空中并进行导向，实现列车 与地面轨道间的无机械接触， 与地面轨道间的无机械接触， 再利用直线电机驱动列车运行。 直线电机驱动列车运行 再利用直线电机驱动列车运行。
特种电机及其控制
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， 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"转子 转子"一样被 载系统连同列车一起就像电机的 转子 一样被 推动做直线运动。从而在悬浮状态下， 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。 以完全实现非接触的牵引和制动。
特种电机及其控制
磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。 磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。 常导型 两大类 常导型
德国高速常导磁浮列车为代表 德国高速常导磁浮列车为代表
利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理 利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理 直流电磁铁电磁吸力 将列车悬起，悬浮的气隙较小， 将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般 毫米左右。 为10毫米左右。常导型高速磁悬浮列 毫米左右 车的速度可达每小时400～500公里， 公里， 车的速度可达每小时 ～ 公里 适合于城市间的长距离快速运输。 适合于城市间的长距离快速运输。 上海磁浮列车为此类 上海磁浮列车为此类 磁浮列车
。
特种电机及其控制
磁悬浮列车主要 悬浮系统、 由悬浮系统、 推进系统和 推进系统和导向 系统 三大部分组成
特种电机及其控制
一、悬浮系统： 悬浮系统：
电磁悬浮系统（ 电磁悬浮系统（EMS） ） 电力悬浮系统（ 电力悬浮系统（EDS） ）
特种电机及其控制
ຫໍສະໝຸດ Baidu
电磁悬浮系统（ 电磁悬浮系统（EMS） ）
是一种吸力悬浮系统， 是一种吸力悬浮系统，是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。 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， 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， 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。 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 的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下， 轨道保持一定的侧向距离， 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。 和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。
特种电机及其控制
2. 次级 1）扁平型直线电机 ） 栅型次级： 栅型次级：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 铸铝) 铸铝)，然后用铜带在两端 短接而成。 短接而成。 钢次级或磁性次级：钢既起导磁作用，又起导电作用. 钢次级或磁性次级：钢既起导磁作用，又起导电作用. 由于钢的电阻率较大， 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(约为推力的10倍左右) 10倍左右 较差，且法向吸力也大(约为推力的10倍左右)。 复合次级：钢板上复合一层铜板(或铝板) 复合次级：钢板上复合一层铜板(或铝板)。 铜(铝)次级或非磁性次级:用于双边型直线电机中 次级或非磁性次级:
特种电机及其控制
4.1.2
直线电动机传动的特点
直线电机散热条件好，温升低， (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。 电流密度可以取得较高，可提高电机的容量定额。 装配灵活性大， (5) 装配灵活性大，往往可以将电机与其他机件合 成一体。 成一体。 某些特殊结构的直线电动机也存在一些缺点， (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 如大气隙导致功率因数和效率降低， 力等等。 力等等。
特种电机及其控制
4.2
直线感应电动机
4.2.1 直线感应电动机的基本原理
行波磁场 在初级的多相绕组中通入多相电流后， 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， 一个气隙基波磁场，但是这个磁场的磁通密度波 Bδ 是直线移动的，故称为行波磁场。 是直线移动的，故称为行波磁场。
特种电机及其控制
特种电机及其控制
超导型
以日本为代表
利用超导磁体产生的强磁场， 利用超导磁体产生的强磁场，列车运 行时与布置在地面上的线圈相互作用， 行时与布置在地面上的线圈相互作用， 产生电动斥力将列车悬起， 产生电动斥力将列车悬起，悬浮气隙 较大，一般为100毫米左右，速度可 毫米左右， 较大，一般为 毫米左右 达每小时500公里以上 达每小时 公里以上