直線感應(yīng)電機(jī)及其應(yīng)用山東大學(xué)電氣工程學(xué)院李光友ligy@sdu

1、直線感應(yīng)電機(jī)及其應(yīng)用直線感應(yīng)電機(jī)及其應(yīng)用山東大學(xué)電氣工程學(xué)院山東大學(xué)電氣工程學(xué)院李光友李光友2. 直線感應(yīng)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理3. 直線感應(yīng)電動機(jī)的邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電動機(jī)的邊端效應(yīng)4. 直線感應(yīng)電動機(jī)的等效電路和基本特性直線感應(yīng)電動機(jī)的等效電路和基本特性5. 直線感應(yīng)電動機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢主要內(nèi)容主要內(nèi)容6.本人在直線電機(jī)方面開展的工作本人在直線電機(jī)方面開展的工作1. 直線電機(jī)的發(fā)展歷史直線電機(jī)的發(fā)展歷史1.直線電機(jī)的發(fā)展歷史直線電機(jī)的發(fā)展歷史 直線電動機(jī)的動子為往復(fù)直線運(yùn)動，它將電能直接轉(zhuǎn)直線電動機(jī)的動子為往復(fù)直線運(yùn)動，它將電能直

2、接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動的機(jī)械能。換成直線運(yùn)動的機(jī)械能。 在許多裝置中需要直線運(yùn)動，若采用旋轉(zhuǎn)電動機(jī)驅(qū)動，在許多裝置中需要直線運(yùn)動，若采用旋轉(zhuǎn)電動機(jī)驅(qū)動，需要通過中間轉(zhuǎn)換裝置。中間轉(zhuǎn)換傳動機(jī)構(gòu)的存在，使整需要通過中間轉(zhuǎn)換裝置。中間轉(zhuǎn)換傳動機(jī)構(gòu)的存在，使整機(jī)存在著體積大、效率低、精度差、噪聲大等問題。機(jī)存在著體積大、效率低、精度差、噪聲大等問題。 直線電機(jī)的歷史，可追溯到直線電機(jī)的歷史，可追溯到1840 年惠斯登（年惠斯登（Wheatstone ）開）開始提出和制作了略具雛形但并不成功的直線電機(jī)。至今，已有始提出和制作了略具雛形但并不成功的直線電機(jī)。至今，已有170多年的歷史，直線電機(jī)經(jīng)歷了探索實(shí)驗(yàn)、開

3、發(fā)應(yīng)用和實(shí)用商品化三多年的歷史，直線電機(jī)經(jīng)歷了探索實(shí)驗(yàn)、開發(fā)應(yīng)用和實(shí)用商品化三個階段。個階段。 探索實(shí)驗(yàn)：探索實(shí)驗(yàn)：18401955 開發(fā)應(yīng)用：開發(fā)應(yīng)用：19561970 實(shí)用商品化：實(shí)用商品化：1971至今至今 我國的直線電機(jī)，起始于我國的直線電機(jī)，起始于20世紀(jì)世紀(jì)70年代，目前處于開發(fā)應(yīng)用和年代，目前處于開發(fā)應(yīng)用和實(shí)用商品化階段，但與世界先進(jìn)水平還有差距。實(shí)用商品化階段，但與世界先進(jìn)水平還有差距。1.直線電機(jī)的發(fā)展歷史直線電機(jī)的發(fā)展歷史1.直線電機(jī)的發(fā)展歷史直線電機(jī)的發(fā)展歷史國內(nèi)從事直線電機(jī)研究的單位：國內(nèi)從事直線電機(jī)研究的單位：浙江大學(xué)；中科院電工浙江大學(xué)；中科院電工所；河南理工大學(xué)；

4、東南大學(xué)；山東大學(xué)；西安交通大所；河南理工大學(xué)；東南大學(xué)；山東大學(xué)；西安交通大學(xué)；沈陽工業(yè)大學(xué)；太原理工大學(xué)；上海電機(jī)廠；哈爾學(xué)；沈陽工業(yè)大學(xué)；太原理工大學(xué)；上海電機(jī)廠；哈爾濱泰富電氣有限公司等。濱泰富電氣有限公司等。國內(nèi)從事直線電機(jī)研究的人員：國內(nèi)從事直線電機(jī)研究的人員：早期：早期：龍遐令；胡之光；陳世坤；顧積棟；凌金福；蔡龍遐令；胡之光；陳世坤；顧積棟；凌金福；蔡廷錫；陳永校；熊光煜；喬忠壽；袁世鷹；程樹前等廷錫；陳永校；熊光煜；喬忠壽；袁世鷹；程樹前等當(dāng)前：當(dāng)前：葉云岳；金能強(qiáng)；郭慶鼎；盧琴芬；焦留成；汪葉云岳；金能強(qiáng)；郭慶鼎；盧琴芬；焦留成；汪旭東；胡敏強(qiáng)等。旭東；胡敏強(qiáng)等。電機(jī)電機(jī)

5、旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)電機(jī) 直線電機(jī)直線電機(jī) 直線感應(yīng)電機(jī)直線感應(yīng)電機(jī)直線同步電機(jī)直線同步電機(jī)直線直流電機(jī)直線直流電機(jī)直線步進(jìn)電機(jī)直線步進(jìn)電機(jī) 直線特種電機(jī)直線特種電機(jī)變壓器變壓器 2.直線感應(yīng)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理2.1 直線電機(jī)的分類直線電機(jī)的分類2.直線感應(yīng)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理2.2 直線感應(yīng)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)直線感應(yīng)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)圖圖1 旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)示意圖旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)示意圖a）旋轉(zhuǎn)電機(jī)）旋轉(zhuǎn)電機(jī) b)直線電機(jī)直線電機(jī) 饋電的一側(cè)稱為饋電的一側(cè)稱為初級初級，無饋電的一側(cè)稱為，無饋電的一側(cè)稱為次級次級。靜止。靜止的一側(cè)稱為的一側(cè)稱為定

6、子定子，運(yùn)動的一側(cè)稱為，運(yùn)動的一側(cè)稱為動子動子。1）扁平型直線感應(yīng)電機(jī)）扁平型直線感應(yīng)電機(jī)圖圖2 由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變?yōu)橹本€電機(jī)的過程由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變?yōu)橹本€電機(jī)的過程a）沿徑向剖開）沿徑向剖開 b）把圓周展成直線）把圓周展成直線 直線感應(yīng)電機(jī)根據(jù)其形狀不同可分為直線感應(yīng)電機(jī)根據(jù)其形狀不同可分為扁平型、圓筒型、扁平型、圓筒型、圓弧型和圓盤型圓弧型和圓盤型4類。類。2.直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理 初級和次級長度相等的直線電機(jī)不能正常運(yùn)行，根據(jù)初級和次級長度相等的直線電機(jī)不能正常運(yùn)行，根據(jù)其長度的不同，可分為其長度的不同，可分為短初級型短初級型和和短次級型短次級型。圖圖3 單邊

7、型直線感應(yīng)電機(jī)單邊型直線感應(yīng)電機(jī)a) 短初級短初級 b) 短次級短次級2.直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理圖圖4 雙邊型直線感應(yīng)電機(jī)雙邊型直線感應(yīng)電機(jī)a) 短初級短初級 b）短次級）短次級2.直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電機(jī)的次級，分為磁性次級、直線感應(yīng)電機(jī)的次級，分為磁性次級、非磁性次級和復(fù)合次級三種非磁性次級和復(fù)合次級三種。磁性次級。磁性次級的材料為低碳鋼板，非磁性次級的材料的材料為低碳鋼板，非磁性次級的材料為銅或鋁，復(fù)合次級是二者的復(fù)合，如為銅或鋁，復(fù)合次級是二者的復(fù)合，如圖圖5所示。由于低碳鋼板的導(dǎo)電性能不所示。由于低碳鋼板的

8、導(dǎo)電性能不好，所以磁性次級的直線感應(yīng)電動機(jī)效好，所以磁性次級的直線感應(yīng)電動機(jī)效率較低。非磁性次級的直線電動機(jī)，由率較低。非磁性次級的直線電動機(jī)，由于次級材料的導(dǎo)磁性能差，因此功率因于次級材料的導(dǎo)磁性能差，因此功率因數(shù)較低。復(fù)合次級的直線感應(yīng)電動機(jī)具數(shù)較低。復(fù)合次級的直線感應(yīng)電動機(jī)具有較好的性能指標(biāo)。有較好的性能指標(biāo)。2.直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理a) 磁性次級b) 非磁性次級c) 復(fù)合次級圖圖5 直線感應(yīng)電機(jī)的次級橫截面圖直線感應(yīng)電機(jī)的次級橫截面圖 由于直線感應(yīng)電動機(jī)的電磁氣隙（由于直線感應(yīng)電動機(jī)的電磁氣隙（210mm）較旋轉(zhuǎn)電機(jī)的）較旋轉(zhuǎn)電機(jī)的（0.21mm）大

9、得多，加之）大得多，加之邊端效應(yīng)邊端效應(yīng)的影響，直線感應(yīng)電動機(jī)的功率的影響，直線感應(yīng)電動機(jī)的功率因數(shù)和效率較同容量旋轉(zhuǎn)電機(jī)低。因數(shù)和效率較同容量旋轉(zhuǎn)電機(jī)低。圖圖6 旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變?yōu)閳A筒型直線電機(jī)的過程旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變?yōu)閳A筒型直線電機(jī)的過程a) 旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)電機(jī) b)扁平型單邊直線電機(jī)扁平型單邊直線電機(jī) c) 圓筒型圓筒型(管型管型)直線電機(jī)直線電機(jī)2）圓筒型直線感應(yīng)電機(jī)）圓筒型直線感應(yīng)電機(jī)2.直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理3）圓弧型和圓盤形直線感應(yīng)電機(jī)）圓弧型和圓盤形直線感應(yīng)電機(jī)圖圖7 圓弧型直線電動機(jī)圓弧型直線電動機(jī) 圖圖8 圓盤型直線電機(jī)圓盤型直線電機(jī)2.直線感應(yīng)電機(jī)的

10、結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理2.3 直線感應(yīng)電機(jī)的工作原理直線感應(yīng)電機(jī)的工作原理圖圖9 直線電機(jī)的基本工作原理直線電機(jī)的基本工作原理 1初級初級 2次級次級 3行波磁場行波磁場 三相繞組中通入三相對稱正三相繞組中通入三相對稱正弦電流，產(chǎn)生行波氣隙磁場。其弦電流，產(chǎn)生行波氣隙磁場。其磁場移動速度用磁場移動速度用vs（m/s）表示，）表示，稱為稱為同步速度同步速度，且，且fvs 2式中，式中，為極距；為極距；f為電源頻率。為電源頻率。 行波磁場切割次級導(dǎo)體，感應(yīng)電動勢并產(chǎn)生電流。電流行波磁場切割次級導(dǎo)體，感應(yīng)電動勢并產(chǎn)生電流。電流與氣隙磁場相互作用產(chǎn)生電磁推力。次級在推力作用下順與氣

11、隙磁場相互作用產(chǎn)生電磁推力。次級在推力作用下順著行波磁場運(yùn)動的方向作直線運(yùn)動，動子著行波磁場運(yùn)動的方向作直線運(yùn)動，動子移動速度用移動速度用v表示表示，轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率用用s表示，則有表示，則有ssvvvs 電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，s在在0和和1之間。之間。 2.直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理3. 直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)3.1 縱向邊端效應(yīng)及其改善縱向邊端效應(yīng)及其改善1）三相繞組不對稱引起的負(fù)序和零序磁場）三相繞組不對稱引起的負(fù)序和零序磁場 與旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同，由于直線電機(jī)的鐵心兩端是開斷的，與旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同，由于直線電機(jī)的鐵心兩端是開斷的，鐵心

12、及安置在其槽中的繞組在兩端不連續(xù)，所以各相之間鐵心及安置在其槽中的繞組在兩端不連續(xù)，所以各相之間的互感就不相等，即使在初級繞組加三相對稱的電壓，各的互感就不相等，即使在初級繞組加三相對稱的電壓，各相繞組中的電流也不對稱。利用對稱分量法可以把不對稱相繞組中的電流也不對稱。利用對稱分量法可以把不對稱的電流分解成的電流分解成正序、負(fù)序和零序分量正序、負(fù)序和零序分量。對應(yīng)這三種電流將。對應(yīng)這三種電流將產(chǎn)生產(chǎn)生正向行波磁場、反向行波磁場和脈振磁場正向行波磁場、反向行波磁場和脈振磁場。后兩類磁。后兩類磁場在次級運(yùn)行過程中將產(chǎn)生阻力并產(chǎn)生附加損耗。場在次級運(yùn)行過程中將產(chǎn)生阻力并產(chǎn)生附加損耗。2）鐵心開斷引起

13、的脈振磁場）鐵心開斷引起的脈振磁場 即使三即使三相電流對稱，相電流對稱，而直線電機(jī)而直線電機(jī)由于鐵心開由于鐵心開斷仍然會產(chǎn)斷仍然會產(chǎn)生相對于初生相對于初級不移動的級不移動的脈振磁場。脈振磁場。圖圖10 直線電機(jī)中脈振磁場的形成直線電機(jī)中脈振磁場的形成t=0時電密和時電密和磁動勢的分布磁動勢的分布t=0時磁密的時磁密的分布分布t=T/4時磁動勢時磁動勢和磁密的分布和磁密的分布3. 直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng) 隨著時間的變化，磁動勢曲線相對于初級鐵心是移隨著時間的變化，磁動勢曲線相對于初級鐵心是移動的，因此在上、下鐵心的端面之間所作用的磁動勢將動的，因此在上、下鐵心的端面之間所作

14、用的磁動勢將隨時間做正弦變化。與此相對應(yīng)，分路磁通隨時間做正弦變化。與此相對應(yīng)，分路磁通sh和磁通和磁通密度密度Bsh隨時間按正弦規(guī)律脈振。這種磁場在有效區(qū)域隨時間按正弦規(guī)律脈振。這種磁場在有效區(qū)域內(nèi)與空間位置無關(guān)，因此，它與通常的行波磁場不同，內(nèi)與空間位置無關(guān)，因此，它與通常的行波磁場不同，常被稱為脈振磁場。常被稱為脈振磁場。3）靜態(tài)縱向邊端效應(yīng)）靜態(tài)縱向邊端效應(yīng) 鐵心開斷所產(chǎn)生的脈振磁場、反向磁場存在的現(xiàn)象，鐵心開斷所產(chǎn)生的脈振磁場、反向磁場存在的現(xiàn)象，稱為直線感應(yīng)電機(jī)的稱為直線感應(yīng)電機(jī)的靜態(tài)縱向邊端效應(yīng)靜態(tài)縱向邊端效應(yīng)。3. 直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)4）動態(tài)縱向邊端效

15、應(yīng)）動態(tài)縱向邊端效應(yīng)圖圖11 直線感應(yīng)電機(jī)的縱向邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電機(jī)的縱向邊端效應(yīng) 對于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，轉(zhuǎn)子以同步速對于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，轉(zhuǎn)子以同步速旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動勢旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動勢和電流等于和電流等于0。 而對于直線電動機(jī)，次級以同而對于直線電動機(jī)，次級以同步速移動，當(dāng)時間為步速移動，當(dāng)時間為t0、t1、t2、t3和和t4時，次級導(dǎo)體上電路時，次級導(dǎo)體上電路C的相的相應(yīng)位置是應(yīng)位置是C0，C1，C2，C3和和C4。當(dāng)當(dāng)C在在C0、C2和和C4位置時，電路位置時，電路中沒有感應(yīng)電動勢；但是當(dāng)中沒有感應(yīng)電動勢；但是當(dāng)C在在C1和和C3位置時，在電路位置時，在電路C中就有中就有感應(yīng)電動勢

16、和電流產(chǎn)生。感應(yīng)電動勢和電流產(chǎn)生。這種感生電流稱為這種感生電流稱為動態(tài)縱向邊端效應(yīng)電流動態(tài)縱向邊端效應(yīng)電流，它會產(chǎn)生附加損耗和附加力。，它會產(chǎn)生附加損耗和附加力。3. 直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)5）削弱縱向邊端效應(yīng)的方法）削弱縱向邊端效應(yīng)的方法方法方法1：三相繞組換位接法：三相繞組換位接法圖圖12 消除負(fù)序和零序電流的一種方法消除負(fù)序和零序電流的一種方法a) 第一臺電機(jī)；第一臺電機(jī)；b) 第二臺電機(jī)；第二臺電機(jī)；c) 第三臺電機(jī)；第三臺電機(jī)；c）三相繞組換位的）三相繞組換位的Y接；接； e) 三相繞組換位的三相繞組換位的接接3. 直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)方

17、法方法2：增加極數(shù)：增加極數(shù) 當(dāng)電機(jī)的極數(shù)大于當(dāng)電機(jī)的極數(shù)大于6時，脈振磁通可忽略不計(jì)。與旋轉(zhuǎn)時，脈振磁通可忽略不計(jì)。與旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同，電機(jī)不同，直線電機(jī)的極數(shù)可以是奇數(shù)直線電機(jī)的極數(shù)可以是奇數(shù)。方法方法3：裝補(bǔ)償元件：裝補(bǔ)償元件 由于直線電機(jī)兩端是斷開的，實(shí)際槽數(shù)必須大于極數(shù)由于直線電機(jī)兩端是斷開的，實(shí)際槽數(shù)必須大于極數(shù)要求的槽數(shù)，對于雙層繞組，邊端有單層的槽，為減小邊要求的槽數(shù)，對于雙層繞組，邊端有單層的槽，為減小邊端效應(yīng)的影響，可在相應(yīng)的半槽中安放補(bǔ)償元件。端效應(yīng)的影響，可在相應(yīng)的半槽中安放補(bǔ)償元件。3. 直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng) 圖圖13 補(bǔ)償原件安裝位置示意圖補(bǔ)償原

18、件安裝位置示意圖3. 直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)3.2 橫向邊端效應(yīng)及其改善橫向邊端效應(yīng)及其改善1）橫向邊端效應(yīng)）橫向邊端效應(yīng)圖圖14 次級電流路徑次級電流路徑 一般直線感應(yīng)電機(jī)的一般直線感應(yīng)電機(jī)的次級是導(dǎo)電板，而不是鼠次級是導(dǎo)電板，而不是鼠籠條，電機(jī)運(yùn)行時，次級籠條，電機(jī)運(yùn)行時，次級板中的電流如圖板中的電流如圖14所示，所示，電流不但有橫向分量，還電流不但有橫向分量，還有縱向分量。縱向分量的有縱向分量。縱向分量的存在，產(chǎn)生存在，產(chǎn)生橫向邊端效應(yīng)橫向邊端效應(yīng)。橫向邊端效應(yīng)使次級的等橫向邊端效應(yīng)使次級的等效電阻增大。效電阻增大。3. 直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)

19、2）削弱橫向邊端效應(yīng)的措施）削弱橫向邊端效應(yīng)的措施 適當(dāng)加大次級板的寬度，如圖適當(dāng)加大次級板的寬度，如圖15所示。所示。圖圖15 次級伸出的雙邊直線感應(yīng)電機(jī)的橫截面圖次級伸出的雙邊直線感應(yīng)電機(jī)的橫截面圖3. 直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)4. 直線感應(yīng)電動機(jī)的等效電路和基本特性直線感應(yīng)電動機(jī)的等效電路和基本特性圖圖16 直線感應(yīng)電動機(jī)的等效電路直線感應(yīng)電動機(jī)的等效電路Rf為邊端作用有效部分功率等為邊端作用有效部分功率等效電阻初級換算值；效電阻初級換算值；RL為邊端為邊端效應(yīng)無效部分功率等效電阻初效應(yīng)無效部分功率等效電阻初級換算值。由該等效電路可進(jìn)級換算值。由該等效電路可進(jìn)行各種定

20、量計(jì)算。行各種定量計(jì)算。 與旋轉(zhuǎn)電機(jī)類似，直線感應(yīng)電動機(jī)的等效電路如圖與旋轉(zhuǎn)電機(jī)類似，直線感應(yīng)電動機(jī)的等效電路如圖16所示。由于直線感應(yīng)電動機(jī)鐵心中磁密一般較低，所示。由于直線感應(yīng)電動機(jī)鐵心中磁密一般較低，鐵耗可鐵耗可忽略忽略不計(jì)，不計(jì)，次級板的漏電抗較小也可忽略次級板的漏電抗較小也可忽略不計(jì)。不計(jì)。Re為邊端為邊端效應(yīng)消耗功率的等效電阻效應(yīng)消耗功率的等效電阻初級換算值；初級換算值；4.1 等效電路等效電路1）推力）推力-速度特性速度特性4.2 基本特性基本特性圖圖17 直線感應(yīng)電動機(jī)與旋轉(zhuǎn)感應(yīng)直線感應(yīng)電動機(jī)與旋轉(zhuǎn)感應(yīng) 電動機(jī)的推力電動機(jī)的推力-速度特性的比較速度特性的比較圖圖18 近似直線的

21、推力近似直線的推力-速度特性速度特性 Fst為起動推力，為起動推力，Vs為同步速度，為同步速度，F(xiàn)u為摩擦力，為摩擦力，Vf為空載速度為空載速度4. 直線感應(yīng)電動機(jī)的等效電路和基本特性直線感應(yīng)電動機(jī)的等效電路和基本特性2）推力）推力-氣隙特性氣隙特性3）電流）電流-氣隙特性氣隙特性圖圖19 推力推力-氣隙特性氣隙特性圖圖20 電流電流-氣隙特性氣隙特性4. 直線感應(yīng)電動機(jī)的等效電路和基本特性直線感應(yīng)電動機(jī)的等效電路和基本特性隨著氣隙的增加，電流增加，推力減小。隨著氣隙的增加，電流增加，推力減小。4）推力）推力-電壓特性電壓特性圖圖22 推力推力-線電壓特性線電壓特性5）推力）推力-功率特性功率

22、特性圖圖23 推力推力-輸入功率特性輸入功率特性4. 直線感應(yīng)電動機(jī)的等效電路和基本特性直線感應(yīng)電動機(jī)的等效電路和基本特性5. 直線感應(yīng)電動機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢5.1 軌道交通軌道交通由直線電機(jī)驅(qū)動的軌道交通稱為直線電機(jī)軌道交通。由直線電機(jī)驅(qū)動的軌道交通稱為直線電機(jī)軌道交通。直線電機(jī)軌道交通直線電機(jī)軌道交通 磁懸浮軌道交通磁懸浮軌道交通直線電機(jī)輪軌交通直線電機(jī)輪軌交通直線電機(jī)單軌交通直線電機(jī)單軌交通直線電機(jī)氣浮軌道交通直線電機(jī)氣浮軌道交通直線感應(yīng)電機(jī)輪軌交通直線感應(yīng)電機(jī)輪軌交通 我國的直線電機(jī)地鐵已建成的有北京國際機(jī)場線、廣州我國的直線電機(jī)地鐵已建成的有北京國際機(jī)場線、

23、廣州4、5、6號地鐵線。采用直線感應(yīng)電動機(jī)驅(qū)動，長次級短初級結(jié)構(gòu)。短初級裝號地鐵線。采用直線感應(yīng)電動機(jī)驅(qū)動，長次級短初級結(jié)構(gòu)。短初級裝在車上，長次級（感應(yīng)板）鋪設(shè)在軌道中間，初、次級相互作用產(chǎn)生在車上，長次級（感應(yīng)板）鋪設(shè)在軌道中間，初、次級相互作用產(chǎn)生推力。依靠鋼輪推力。依靠鋼輪-鋼軌系統(tǒng)進(jìn)行支撐和導(dǎo)向。世界上大部分直線電機(jī)鋼軌系統(tǒng)進(jìn)行支撐和導(dǎo)向。世界上大部分直線電機(jī)輪軌交通采用這種方式。輪軌交通采用這種方式。圖圖25 北京國際機(jī)場線線路圖北京國際機(jī)場線線路圖圖圖24 北京國際機(jī)場線北京國際機(jī)場線5. 直線感應(yīng)電動機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢圖圖26 長次級感應(yīng)板長次級感應(yīng)板

24、圖圖27 分段長初級分段長初級5. 直線感應(yīng)電動機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線電機(jī)輪軌交通系統(tǒng)的特點(diǎn)直線電機(jī)輪軌交通系統(tǒng)的特點(diǎn)1) 爬坡能力強(qiáng)爬坡能力強(qiáng) 由于車輛的運(yùn)動是依靠直線電機(jī)所產(chǎn)生的電磁力來推進(jìn)，而車輛由于車輛的運(yùn)動是依靠直線電機(jī)所產(chǎn)生的電磁力來推進(jìn)，而車輛車輪僅起支撐承載作用，不傳遞力，不再受到輪軌黏著因素的制約。車輪僅起支撐承載作用，不傳遞力，不再受到輪軌黏著因素的制約。因此，車輛可以獲得很強(qiáng)的起動、加速和減速動力性能，尤其具有突因此，車輛可以獲得很強(qiáng)的起動、加速和減速動力性能，尤其具有突出的爬坡能力，線路最大坡度可以允許在出的爬坡能力，線路最大坡度可以允許在8%

25、以上，傳統(tǒng)的地鐵車輛最以上，傳統(tǒng)的地鐵車輛最大允許大允許3%，并能在惡劣的環(huán)境和軌面條件下保持良好的性能。，并能在惡劣的環(huán)境和軌面條件下保持良好的性能。圖圖28 爬坡能力的比較爬坡能力的比較5. 直線感應(yīng)電動機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢2) 轉(zhuǎn)彎半徑小轉(zhuǎn)彎半徑小 由于直線電機(jī)驅(qū)動方式，車由于直線電機(jī)驅(qū)動方式，車輪不再傳遞牽引輪不再傳遞牽引/制動力，所以軸制動力，所以軸箱定位結(jié)構(gòu)可以大大簡化，這樣箱定位結(jié)構(gòu)可以大大簡化，這樣就很容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單的徑向轉(zhuǎn)就很容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單的徑向轉(zhuǎn)向架，提高了車輛的曲線通過性向架，提高了車輛的曲線通過性能和運(yùn)行平穩(wěn)性。由于轉(zhuǎn)向架具能和運(yùn)行平穩(wěn)性。由

26、于轉(zhuǎn)向架具有徑向功能且軸距小，使地鐵運(yùn)有徑向功能且軸距小，使地鐵運(yùn)營線路的最小曲線半徑可低到營線路的最小曲線半徑可低到80m左右，傳統(tǒng)的地鐵車輛要左右，傳統(tǒng)的地鐵車輛要250m以上。以上。 圖圖29 轉(zhuǎn)彎半徑的比較轉(zhuǎn)彎半徑的比較5. 直線感應(yīng)電動機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢3) 橫斷面結(jié)構(gòu)的小型化橫斷面結(jié)構(gòu)的小型化 由于直線電機(jī)驅(qū)動方式不需要中間傳動裝置，因此可以采用小的由于直線電機(jī)驅(qū)動方式不需要中間傳動裝置，因此可以采用小的車輪直徑車輪直徑610mm，傳統(tǒng)地鐵車輛為，傳統(tǒng)地鐵車輛為860mm。再者，由于不需要旋轉(zhuǎn)。再者，由于不需要旋轉(zhuǎn)電機(jī)的懸掛安裝空間，車輛地板面可降至距軌面

27、電機(jī)的懸掛安裝空間，車輛地板面可降至距軌面700mm，傳統(tǒng)地鐵，傳統(tǒng)地鐵車輛為車輛為1100mm以上。綜合各項(xiàng)小型化措施，使該型地鐵車輛的橫斷以上。綜合各項(xiàng)小型化措施，使該型地鐵車輛的橫斷面面積大大減小，與傳統(tǒng)地鐵車輛相比大約減少面面積大大減小，與傳統(tǒng)地鐵車輛相比大約減少40%。圖圖30 普通地鐵與直線電機(jī)地鐵隧道斷面比較普通地鐵與直線電機(jī)地鐵隧道斷面比較5. 直線感應(yīng)電動機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢4) 降低振動和噪聲降低振動和噪聲 直線電機(jī)驅(qū)動的地鐵車輛，沒有齒輪傳動機(jī)構(gòu)的齒直線電機(jī)驅(qū)動的地鐵車輛，沒有齒輪傳動機(jī)構(gòu)的齒合振動和噪聲；合振動和噪聲； 車輪也不是驅(qū)動輪，沒有動力

28、輪對與鋼軌蠕滑滾動車輪也不是驅(qū)動輪，沒有動力輪對與鋼軌蠕滑滾動產(chǎn)生的振動和噪聲；產(chǎn)生的振動和噪聲； 徑向轉(zhuǎn)向架良好的曲線通過性能，避免了過曲線時徑向轉(zhuǎn)向架良好的曲線通過性能，避免了過曲線時輪軌沖角帶來的振動和噪聲。所以該型地鐵車輛具有振輪軌沖角帶來的振動和噪聲。所以該型地鐵車輛具有振動小，噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，有利于環(huán)境保護(hù)。動小，噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，有利于環(huán)境保護(hù)。5. 直線感應(yīng)電動機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢5) 良好的安全性和可靠性良好的安全性和可靠性 直線電機(jī)驅(qū)動地鐵車輛是典型的非黏著驅(qū)動方式，直線電機(jī)驅(qū)動地鐵車輛是典型的非黏著驅(qū)動方式，牽引牽引/制動性能發(fā)揮不依賴于環(huán)境，是一種全天

29、候的運(yùn)載制動性能發(fā)揮不依賴于環(huán)境，是一種全天候的運(yùn)載工具。工具。 直線電機(jī)驅(qū)動的電磁力的分力是輪軌間產(chǎn)生一定的直線電機(jī)驅(qū)動的電磁力的分力是輪軌間產(chǎn)生一定的附加壓力，有利于提高輪軌運(yùn)動的穩(wěn)定性，因此其安全附加壓力，有利于提高輪軌運(yùn)動的穩(wěn)定性，因此其安全性指標(biāo)高。性指標(biāo)高。 取消了旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動所必需的滾動軸承、傳動齒輪，取消了旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動所必需的滾動軸承、傳動齒輪，磨損小，大大提高了車輛運(yùn)行的可靠性和可維護(hù)性，維磨損小，大大提高了車輛運(yùn)行的可靠性和可維護(hù)性，維修工作量較小，維護(hù)成本較低。修工作量較小，維護(hù)成本較低。5. 直線感應(yīng)電動機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢6) 良好的編組靈活性

30、和運(yùn)營適應(yīng)性良好的編組靈活性和運(yùn)營適應(yīng)性 直線電機(jī)驅(qū)動的地鐵車輛具有比傳統(tǒng)車輛更強(qiáng)的加減直線電機(jī)驅(qū)動的地鐵車輛具有比傳統(tǒng)車輛更強(qiáng)的加減速性能，有更高的停車位置控制精度，因此更容易實(shí)現(xiàn)小速性能，有更高的停車位置控制精度，因此更容易實(shí)現(xiàn)小編組，高密度，自動駕駛的運(yùn)行模式。編組，高密度，自動駕駛的運(yùn)行模式。 可以以可以以26輛靈活編組，適應(yīng)不同的客流量需要。輛靈活編組，適應(yīng)不同的客流量需要。 采用鋼車輪和鋼軌來支撐和引導(dǎo)車輛運(yùn)行，所以仍可采用鋼車輪和鋼軌來支撐和引導(dǎo)車輛運(yùn)行，所以仍可采用長期運(yùn)用成熟的、安全可靠的軌道電路信號系統(tǒng)來實(shí)采用長期運(yùn)用成熟的、安全可靠的軌道電路信號系統(tǒng)來實(shí)行對列車的信號傳輸

31、，運(yùn)行監(jiān)控和集中調(diào)度，運(yùn)營適應(yīng)性行對列車的信號傳輸，運(yùn)行監(jiān)控和集中調(diào)度，運(yùn)營適應(yīng)性較好。較好。5. 直線感應(yīng)電動機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢7) 低效率、低功率因數(shù)低效率、低功率因數(shù) 地鐵車輛上工程應(yīng)用的直線電機(jī)，由于車載定子與地地鐵車輛上工程應(yīng)用的直線電機(jī)，由于車載定子與地面轉(zhuǎn)子是處在一個相對直線運(yùn)動的彈性面轉(zhuǎn)子是處在一個相對直線運(yùn)動的彈性(軸箱垂向彈性定軸箱垂向彈性定位位)系統(tǒng)間，不可避免地會造成相互間隙變化，因此氣隙系統(tǒng)間，不可避免地會造成相互間隙變化，因此氣隙設(shè)計(jì)的不能太小，否則會導(dǎo)致不安全因素，一般定在設(shè)計(jì)的不能太小，否則會導(dǎo)致不安全因素，一般定在12mm左右。再加上

32、直線電機(jī)是有端部的，因此漏磁場較左右。再加上直線電機(jī)是有端部的，因此漏磁場較大，機(jī)電能量轉(zhuǎn)化率低，所以直線電機(jī)效率較低，一般在大，機(jī)電能量轉(zhuǎn)化率低，所以直線電機(jī)效率較低，一般在70%80%之間，功率因數(shù)也較低，一般在之間，功率因數(shù)也較低，一般在0.50.6之間。之間。5. 直線感應(yīng)電動機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢項(xiàng)目MK型車輛東京大江戶線廣州地鐵4號線極數(shù)688電壓/V57011001100持續(xù)電流/A400170162峰值電流/A550210最大推力/kN18.613.2最大功率/kW187120155吸力/kN2526重量/kg64014001550長度/m2.23鐵心長度/m1.952.476寬度/m0.6