城輛電傳動與控制城軌牽引傳動2-3（直線牽引電機）=

1第二章

牽引電機與運行——直線牽引電機2第二章

牽引電機與運行第三節(jié)

直線牽引電機3第二章

牽引電機與運行一、直線電機的特點及應(yīng)用

長期以來，在各種工程技術(shù)中需要直線型驅(qū)動力時，主要是采用旋轉(zhuǎn)電機并通過曲柄連桿或蝸輪蝸桿等傳動機構(gòu)來獲得的。這種傳動形式往往會帶來結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量重，體積大，嚙合精度差，且工作不可靠等缺點。而采用直線電機就不需要中間轉(zhuǎn)換裝置，能夠直接產(chǎn)生直線運動。

各種新技術(shù)的需求推動了直線電機的研究和生產(chǎn)，目前在交通運輸、機械工業(yè)、軍事領(lǐng)域、儀器儀表工業(yè)及民用裝置中，直線電機已得到推廣和應(yīng)用。4第二章

牽引電機與運行一、直線電機的特點及應(yīng)用

交通領(lǐng)域：直線電機是磁懸浮列車的驅(qū)動裝置，已研制成時速達500km以上的高速磁懸浮列車；同時也研制成中低速的城市磁懸浮列車。

近年來，作為最有實用價值的非粘著驅(qū)動方式，直線牽引電機在城市軌道車輛（非懸?。┲械膽?yīng)用已越來越受到各國重視。適合城市軌道交通車輛應(yīng)用的突出優(yōu)點：（1）直線電機無旋轉(zhuǎn)部件，呈扁平形，可降低車輛高度，從而縮小地鐵隧洞直徑，降低工程成本；（2）直線電機運行不受粘著限制，可得到較高的加速度和減速度；（3）噪音較小。

第二章

牽引電機與運行一、直線電機的特點及應(yīng)用

直線電機按其工作原理可分為兩個大方面：直線電動機和直

線驅(qū)動器。

交流直線感應(yīng)（異步）電動機（LIM）

交流直線同步電動機（LSM）直線直流電動機（LDM）直線步進（脈沖）電動機（LPM）混合式直線電動機（LHM）直線振蕩電機（LOM）直線電磁螺線管電機（LES）直線電磁泵（LEP）

直線超聲波電動機（LUM）5直線電動機直線驅(qū)動器6第二章

牽引電機與運行二、直線異步電動機（Linear

Induction

Motor）的工作原理

簡單而言，將旋轉(zhuǎn)電動機軸向剖開，沿水平方向展開，就可以得到直線電動機的基本結(jié)構(gòu)。由于用直線運動取代了旋轉(zhuǎn)運動，故稱之為直線電動機。7第二章

牽引電機與運行（一）直線異步電動機的分類1、按結(jié)構(gòu)分類可分為平板形單邊式、平板形雙邊式、圓筒形。2、按電源分類可分為三相電源和二相電源。3、按動體分類可分為短初級方式（以初級作為動體）和短次級方式（以次級作為動體）。8

第二章

牽引電機與運行（一）直線異步電動機的分類

1、平板形單邊式直線異步電動機

初級（動體）

次級

次級（動體）初級（a）短初級式

（b）短次級式9第二章

牽引電機與運行（一）直線異步電動機的分類一臺典型的單邊扁平型短初級直線異步電動機的結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖2-

單邊平板型短初級直線異步電動機1——次級鐵心；2——次級導(dǎo)電板；3——三相繞組；4——初級鐵心5－支架；6－固定用角鐵；7——繞組端部；8——環(huán)氧樹脂10

第二章

牽引電機與運行（一）直線異步電動機的分類

2、平板形雙邊式直線異步電動機

初級（動體）

次級

（a）短初級式初級

次級（動體）（b）短次級式11旋轉(zhuǎn)電動機圓筒形直線電動機

第二章

牽引電機與運行（一）直線異步電動機的分類

3、圓筒形直線異步電動機

可以認為是將平板型直線電機沿著和直線運動相垂直的方向卷接成筒形而來的。

平板形直

線電動機圓筒型直線電機的演變過程12第二章

牽引電機與運行（二）結(jié)構(gòu)與磁場1、直線異步電動機的結(jié)構(gòu)直線異步電動機也由定子和轉(zhuǎn)子組成。（1）定子（初級）：由沖上齒槽的電工鋼片疊成，槽里也同樣嵌有繞組；

（2）轉(zhuǎn)子（次級）：大多采用非磁性體（銅板或鋁板）和磁性體（鋼板）構(gòu)成的復(fù)合金屬板，以兼具兩者優(yōu)點。

可以是定子移動，也可以是轉(zhuǎn)子移動；為了避免與動體概念的混淆，故將定子稱為初級，轉(zhuǎn)子稱為次級導(dǎo)體。次級只有感應(yīng)電流的流動，不需要外界供電。初級和次級導(dǎo)體之間有一定距離即氣隙，一般要比旋轉(zhuǎn)電機的氣隙大。S13

第二章

牽引電機與運行（二）結(jié)構(gòu)與磁場

2、直線異步電動機的磁場

當(dāng)初級繞組通入三相或二相交流電時，在直線電動機的長度

方向產(chǎn)生行波磁場（按A、B、C相序沿直線移動），這與旋轉(zhuǎn)電

機中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的原理相同。

以時間t和距離x作為函數(shù)變量的磁通密度B如下式：)πx

τB

=

B0

cos(ωt

?式中

ω—電源角頻率；

t—時間；

x—定子表面上的距離；

τ—極距。初級NSSF

N行波磁場

次級

N渦流Ie

τ圖2-

直線異步電動機的的行波磁場、

渦流Ie和連續(xù)推力F=ωAB0

sin(ωt

?π

)=Z

=

R

+(ωL)

第二章

牽引電機與運行（二）結(jié)構(gòu)與磁場

2、直線異步電動機的磁場

初級通入交流電后產(chǎn)生的交變磁通（行波磁場），在次級的金屬板

感應(yīng)出渦流。設(shè)引起渦流的感應(yīng)電勢為Ee、磁通的作用面積為A，則dB

dt

xτEe

=

?A式中次級有電感L和電阻R，則金屬板上的渦流電流Ie為：Ee

Ee

Z

Z

xτIe

=sin(ωt

?π??)22ωL

R?

=

tan?1

渦流電流Ie在行波磁場作用下產(chǎn)生連續(xù)推力F，F(xiàn)有正有負，但正

推力遠大于負推力，所以直線異步電動機可以直線推動動體。14推力F（N）15

第二章

牽引電機與運行三、直線異步電動機的特性

(一)基本特性

1、推力-速度特性

如下圖所示，將直線異步電動機的推力-速度特性與旋轉(zhuǎn)異步電動vs

?v

vs

=

旋轉(zhuǎn)異步電動機的轉(zhuǎn)矩最大值發(fā)生處轉(zhuǎn)差率較低，而直線異步電動機最大推力在高轉(zhuǎn)差率處，即s≈1?？梢姡本€異步電動機的起動推力大，速區(qū)域的推力小，比較符合動車的驅(qū)要求。機的特性相比較，則轉(zhuǎn)差率s為：

直線感應(yīng)電機旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機速度v（m/s）

svs

0

vs/20.50

1推力F（N）

第二章

牽引電機與運行三、直線異步電動機的特性

(一)基本特性

1、推力-速度特性

直線異步電動機的推力-速度特性近似成直線，其推力為：Fμ速度v（m/s）0VsfVfFs(Fs

?

Fμ)(Vf

?V)

VfF

=F

式中

Fs——起動推力；

Fμ——摩擦力；

Vf——空載速度。

圖2-

直線異步電動機的推力-速度特性16V（%）v

=

vf

(1?e

)17

第二章

牽引電機與運行三、直線異步電動機的特性

(一)基本特性

2、速度-時間特性

直線異步電動機的速度隨時間以指數(shù)函數(shù)規(guī)律增加，其特性可表示為：質(zhì)量等因素而變化。

t

T

圖中所示為T＝1時的直線異步電動機速度-時間特性，實際上時間常數(shù)T隨負荷Vf01100

632t（s）34圖2-直線異步電動機的速度-時間特性推力F（%）18圖2-直線異步電動機的推力-氣隙特性氣隙g（mm）02468

第二章

牽引電機與運行三、直線異步電動機的特性

(一)基本特性

3、推力-氣隙特性

氣隙小對電機特性和工作穩(wěn)定性有利。但為了保證在長距離運動

中，初、次級不致相檫、通常直線異步電動機的氣隙要比旋轉(zhuǎn)異步電動

機大。一般旋轉(zhuǎn)異步電動機的極距/氣隙比為τ／g＝10左右，而直線異

步電動機的τ／g為20左右；因而LIM的效率和功率因數(shù)都較低。

100

80

60

40

2010推力F（%）020406080

第二章

牽引電機與運行三、直線異步電動機的特性

(一)基本特性

4、推力-負荷占空因數(shù)特性

負荷占空因數(shù)（Duty

Factor）即通電時間與整個周期時間之比，

當(dāng)負荷占空因數(shù)增大時，直線異步電動機的推力按指數(shù)函數(shù)規(guī)律下降。

100

80

60

40

20100

占空因數(shù)DF（%）

圖2-

異步電動機的推力-占空因數(shù)特性1920第二章

牽引電機與運行三、直線異步電動機的特性（二）邊緣效應(yīng)

直線電機是長直的、兩端開斷結(jié)構(gòu)。由于動體長度有限，存在著始端和終端，引起了邊緣效應(yīng)（端部效應(yīng)），這是直線電機和旋轉(zhuǎn)電機的基本差異。直線電機的縱向（磁場移動方向）和橫向都存在邊緣效應(yīng)。1、靜態(tài)縱向邊緣效應(yīng)

鐵心和繞組的不連續(xù)，使得各相的互感不相等，即使電源是對稱的三相交流電壓，由于三相繞組在空間位置不對稱，在各相繞組中也將產(chǎn)生不對稱電流，利用對稱分量法將得到順序、逆序和零序電流。因而在氣隙中出現(xiàn)脈振磁場和反向行波磁場，運行過程中將產(chǎn)生阻力和增大附加損耗。這種效應(yīng)當(dāng)初、次級相對靜止時也存在，因而稱為靜態(tài)縱向邊緣效應(yīng)。

第二章

牽引電機與運行三、直線異步電動機的特性

（二）邊緣效應(yīng)

2、動態(tài)縱向邊緣效應(yīng)

直線電機的初、次級相對運動時，次級導(dǎo)體板在行波磁場方向上的

渦流分布是不對稱的。這使得初級進入端的磁場削弱，離開端的磁場加

強。這種當(dāng)初、次級相對運動時的磁場和渦流分布的畸變稱為動態(tài)縱向

邊緣效應(yīng)。運動速度越高，動態(tài)縱向邊緣效應(yīng)越顯著，使行波磁場方向

上的推力分布不均勻，起減小推力的作用。次級導(dǎo)體渦流初級

行波磁場方向2122第二章

牽引電機與運行三、直線異步電動機的特性

（二）邊緣效應(yīng)3、橫向邊緣效應(yīng)

城市軌道交通車輛應(yīng)用的直線電機，大多是次級導(dǎo)體板的寬度小于初級鐵心的寬度，因而在橫向的邊緣區(qū)域磁場削弱，造成空載氣隙磁場橫向分布的不均勻，這是第一類橫向邊緣效應(yīng)。通常采用氣隙系數(shù)來表示氣隙磁通密度的最大值與鐵心寬度范圍內(nèi)磁通密度的平均值之比，以簡化考慮了第一類橫向邊緣效應(yīng)的定量計算。

次級導(dǎo)體板對電流分布及氣隙磁場密度沿橫向分布的影響，稱為第二類橫向邊緣效應(yīng)。次級導(dǎo)體板的寬度大于初級鐵心的寬度時影響較大。3.15m4.1m23第二章

牽引電機與運行四、直線牽引電動機在動車中的應(yīng)用直線牽引電動機的初級可以設(shè)置在車上，也可以設(shè)置在地面。分別稱為車載初級式