城市轨道交通车辆电机电器（第二版）课件：直线电机认知

直线电机认知能力目标①能够对直线电机的基本结构进行认知；②能够了解直线电机的维护保养常识；③能够掌握直线电机的特点；④能对直线电机与旋转电机进行对比。知识目标①掌握直线电机的基本结构；②掌握直线电机的分类及其应用；③理解直线电机的工作原理；④掌握直线电机的特性及其优缺点；⑤了解直线电机在轨道交通中的应用现状。素质目标①培养学生系统思考的能力；②培养学生团队合作能力；③培养学生的责任意识、安全意识、规范意识；④自觉遵守操作规范和服务规范，体现出服务意识；⑤培养学生的爱国主义情怀；⑥培养学生的民族自豪感和自尊心。任务一认识直线电机结构【任务导入】直线电机主要是直线电动机，它是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需任何中间转换机构的传动装置，属20世纪下半叶电工领域中产生的具有新原理、新理论的新技术。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。直线电机也称线性电机，线性马达，直线马达，推杆马达，凭信高速、高加速、高精及行程不受限刮等特性在物流系统、工业加工与装配、信息及自动化系统、交通与民用以及车事等领域发挥看十分重要的作用。在城市轨道交通车辆中，直线电机有着非常广泛的应用，那么直线电机与旋转电机有什么差异呢？它的基本结构又是由哪几部分构成的呢？任务一认识直线电机结构【任务准备】1．设备直线感应电机、旋转感应电机及其实训装置；2．仪表万用表等电工仪表；3．工量具电机绕组绕线机、螺丝刀、小刀、扳手、电烙铁等。学习活动一

认识直线电机一、直线感应电机与旋转感应电机直线电机的运动形式是沿直线运动，不同于旋转电机需要螺纹传动装置。直线电机由旋转电机转化而来，将旋转电机按其圆柱形径向横截面切开，平铺展成平面结构，就形成了直线电机。它是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。按工作原理分类：直线异步电动机

直线感应电动机

直线同步电动机

直线步进电动机

直线磁阻电动机学习活动一

认识直线电机一、直线感应电机与旋转感应电机直线感应电机可以认为是旋转感应电机在结构方面的一种演变，如图所示。由旋转电机定子演变而来的一侧称为初级或一次侧，有直线放置的三相对称绕组；由转子演变而来的一侧称为次级或二次侧。（a）旋转电机

（b）直线感应电机

直线异步电机和旋转电机示意图学习活动一

认识直线电机二、直线感应电机的分类1.扁平形直线感应电机一种扁平的矩形结构的直线感应电机，它有单边型和双边型之分，每种形式下有短初级、长次级（长初级）、短次级几种。2.圆筒形直线感应电机直线感应电机除了呈扁平形的结构形式外，还可以做成圆筒形（也称管形）结构。3.弧形和盘形直线感应电机弧形是将扁平形直线感应电机的初级沿运动方向改成弧形，并安放于圆柱形次级的柱面外侧。盘形结构是把次级做成一片圆盘，将初级放在次级圆盘靠近外缘的平面上，并能够绕经过圆心的轴自由转动。

学习活动二认识直线感应电机的基本结构扁平形直线感应电机的结构主要包括初级、次级及气隙三部分。初级由铁芯和绕组组成：初级绕组有单相、两相、三相或者多相之分；

绕组有单层与多层之分。双层绕组是扁平形直线感应电机中常用的一种形式，扁平形直线感应电机中一般采用叠绕组。图示为双层绕组，在其端部有半填槽。由于三相绕组空间分布位置的不对称，所以扁平形直线感应电机不像旋转电机那样，它的三相间的互感不同，三相电流也是不对称的。双层绕组分布图学习活动二认识直线感应电机的基本结构次级有两种结构类型：栅型结构和实心结构。栅型结构：相当于旋转电动机的笼型结构，次级铁芯上开槽，槽中放置导条，并在两端用端部导条连接所有槽中导条。实心结构：采用整块均匀的金属材料。实心结构的次级，分为磁性次级、非磁性次级和复合次级三种。磁性次级的材料为低碳钢板，非磁性次级的材料为铜或铝，复合次级是二者的复合。由于低碳钢板的导电性能不好，所以磁性次级的直线感应电动机效率较低。非磁性次级的直线电动机，由于次级材料的导磁性能差，因此功率因数较低。复合次级的直线感应电动机具有较好的性能指标。（a）磁性次级（b）非磁性次级（c）复合次级直线感应电机的次级横截面图学习活动二认识直线感应电机的基本结构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，初级与次级之间不致摩擦。因铜或铝均属非磁性材料，其导磁性能和空气相同，故：电磁气隙=机械气隙（单纯的空气隙）+铜板或铝板厚度由于直线感应电动机的电磁气隙（2~10mm）较旋转电机的电磁气隙（0.2~1mm）大得多，加之边端效应的影响，直线感应电动机的功率因数和效率较同容量旋转电机低。学习活动二认识直线感应电机的基本结构以典型的直线感应电机的结构进行认知：单边扁平型短初级直线感应电动机1-次侧铁芯；2-次侧导电板；3-三相绕组；4-初级铁芯；5-支架；6-固定用角铁；7-初级绕组端部；8-环氧树脂直线感应电动机的初级铁芯的纵向两端形成了两个纵向边缘，铁芯和绕组不能像旋转电动机那样在两端相互连接，这是直线感应电动机的初级与旋转电动机的定子的明显差别。任务二分析直线感应电机工作过程及特性【任务导入】直线感应电机与旋转感应电机在工作原理上并无本质区别，只是所得到的机械运动方式不同而已。但是，两者在电磁性能上却存在很大的差别。那么直线电机的工作原理及其特性又有哪些呢？直线感应电机与旋转感应电机相比，又有什么样的特点呢？怎样才能更好的在城市轨道交通系统中应用呢？任务二分析直线感应电机工作过程及特性【任务准备】1．设备直线感应电机及其实训装置；2．仪表万用表等电工仪表；3．工量具电机绕组绕线机、螺丝刀、小刀、扳手、电烙铁等。

直线感应电动机的基本工作原理旋转感应电机的基本工作原理

1-初级；2-次级；3-行波磁场

1-定子；2-转子；3-磁场方向学习活动一

分析直线电机工作原理直线感应电机与旋转感应电机不仅在结构上与类似，在工作原理上也类似。其三相绕组中通入三相对称正弦电流后，三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A、B、C相序沿直线移动。这个原理与旋转电机的相似。差异是：这个磁场平移，而不是旋转，因此称为行波磁场。直线感应电动机行波磁场、感应

电流Ie及连续推力F

学习活动一

分析直线电机工作原理磁通密度B的波形是t=0时的波形，随着距离的增加B的波形将向右移动，可用下式表示B。显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，用（（m/s）表示，称为同步速度，它与旋转磁场在定子内圆周表面上的线速度是一致的。次级导体板中的电流

学习活动一

分析直线电机工作原理再来看行波磁场对次级的作用。假定次级为栅形次级，在图中仅画出其中的一根导条。次级导条在行波磁场切割下，将感应感生电动势并产生电流。设次级导条感应电压为，磁通的作用面积为，则：（a）假想导条中的感应电流

（b）金属板内电流分布次级有电感L和电阻R，则金属板上的感应电流Ie（涡流）为:

学习活动一

分析直线电机工作原理若次级移动的速度用v表示，转差率用s示，则有在电动机运行状态下，s在0与1之间，这就是直线感应电动机的基本工作原理。直线感应电机的次级大多采用整块金属板或复合金属板，因此并不存在明显的导条.我们知道，旋转感应电机通过对换任意两相的电源线，可以实现反向旋转。这是因为三相绕组的相序相反了，旋转磁场的转向也随之反了，使转子转向跟着反过来。同样，直线异步电动机对换任意两相的电源后，运动方向也会反过来，根据这一原理，可使直线感应电机做往复直线运动。由以上的分析可知，通过调整电源频率f或极距来改变直线感应电动机的速度；通过改变初级电源相序，可以改变行波磁场行进方向，从而改变次级导条移动的方向。学习活动二

分析直线电机的基本特性一、直线电动机的特性1.基本特性（1）推力-速度特性

将直线感应电动机的推力—速度特性与旋转感应电动机的特性相比较，则推力—速度特性如图所示。直线感应电机的推力—速度特性

旋转感应电机的转矩最大值发生在转差率较低处；而直线感应电机的最大推力发生在高转差率处，此时s≈1。

可见，直线异步电动机的启动推力大，高速区域的推力小，比较符合动车的驱动要求。将直线感应电机的推力、速度特性与旋转感应电机的特性相比较，则转差率学习活动二

分析直线电机的基本特性一、直线电动机的特性（2）推力-气隙特性

气隙小对电机特性和工作稳定性有利。但为了保证在长距离运动中，初、次级不致相擦，通常直线感应电机的气隙要比旋转异步电动机大。一般旋转异步电动机的极距/气隙比为τ/g=10左右，而直线异步电动机的τ/g=20左右；因而直线感应电机的效率和功率因数都较低。

直线感应电机的电流随气隙g变化的特性：随着气隙的增加，电流增加，推力减小。直线感应电机电流-气隙特性性直线感应电动机的推力-气隙特性因此导致直线感应电机的功率因数和效率较低原因有两个：一是电磁气隙较大，导致所需励磁电流也较大；二是定子铁芯的不连续两端开断产生边端效应。

学习活动二

分析直线电机的基本特性一、直线电动机的特性

（3）推力-负荷占空因数特性

如图表示了推力—负荷占空因数特性曲线，所谓负荷占空因数即通电时间与整个周期时间之比，当负荷占空因数增大时，直线感应电动机的推力按指数函数规律下降。直线感应电动机的推力—负荷占空因数特性学习活动二

分析直线电机的基本特性一、直线电动机的特性

2.边缘效应

（1）静态纵向边缘效应

铁芯和绕组的不连续，使得各相的互感不相等，即使电源是对称的三相交流电压，由于三相绕组在空间位置不对称，在各相绕组中也将产生不对称电流，利用对称分量法将得到顺序、逆序和零序电流。因而在气隙中出现脉振磁场和反向行波磁场，运行过程中将产生阻力和增大附加损耗。这种效应当初、次级相对静止时也存在，因而称为静态纵向边缘效应，纵向即磁场移动的方向。

（2）动态纵向边缘效应

直线电动机做初、次级相对运动时，次级导体板在行波磁场方向上的涡流分布是不对称的。这使得初级进入端的磁场削弱，离开端的磁场加强。这种当初、次级相对运动时的磁场和涡流分布的畸变称为动态纵向边缘效应。运动速度越高，动态纵向边缘效应越显著，使行波磁场方向上的推力分布越不均匀，起减小推力的作用。学习活动二

分析直线电机的基本特性一、直线电动机的特性

2.边缘效应

（3）横向边缘效应

城市轨道交通车辆应用的直线电动机，大多是次级导体板的宽度小于初级铁芯的宽度，因而在横向的边缘区域磁场削弱，造成空载气隙磁场横向分布不均匀，这是第一类横向边缘效应。通常采用气隙系数来表示气隙磁通密度的最大值与铁芯宽度范围内磁通密度的平均值之比，以简化第一类横向边缘效应的定量计算。

次级导体板对电流分布及气隙磁场密度沿横向分布的影响，称为第二类横向边缘效应。次级导体板的宽度大于初级铁芯的宽度时影响较大。学习活动二

分析直线电机的基本特性

二、电路原理

直线感应电机的稳态特性近似计算方法基本可沿用旋转感应电机的等效电路，但直线感应电机的气隙长度可达一般旋转异步电机的10~20倍，励磁电流极大，只能采用T形等效电路，考虑到直线感应电机的纵向与横向效应，其等效电路图可在旋转感应电机的等效电路图基础上加以修正。由于直线感应电动机铁芯中磁密一般较低，铁耗可忽略不计，次级板的漏电抗较小也可忽略不计。直线感应电动机的等效电路学习活动二

分析直线电机的基本特性

三、直线电机的优缺点1.与其他非直线感应电机驱动的装置相比具有的优点

①采用直线感应电机驱动的传动装置，不需要任何转换装置而直接产生推力。简化了整个装置或系统，运行可靠、效率提高、易于维护、降低成本。

②普通旋转电机由于受离心力的作用，其圆周速度受到限制，而直线感应电机运行时，它的直线速度可以不受限制。

③直线感应电机是通过电能直接产生电磁推力的，其运动可以无机械接触，大大减小了机械损耗。

④旋转电机通过钢绳、齿条、传动带等转换机构转换成直线运动，噪声是不可避免的，而直线感应电机是靠电磁力驱动装置运行的，噪声小或无噪声。

⑤直线感应电机结构简单，初级铁芯在嵌线后用环氧树脂等密封成整体，可在可潮湿、腐蚀或有害和高低温环境中使用。

学习活动二

分析直线电机的基本特性

三、直线电机的优缺点

1.与其他非直线感应电机驱动的装置相比具有的优点

⑥直线感应电机散热效果好，特别是常用的扁平型短初级直线感应电机，初级的铁芯和绕组端部，直接暴露在空气中．同时次级很长，热量容易散发，热负荷可取较高值，不需要附加冷却装置。

2.当用在交通运输方面时，用其驱动的地铁车辆具有的优点

①驱动不受黏着限制。

②对复杂地形的适应性较强，爬坡能力强，拐弯半径小，有利于轨道交通选线。

③减少了隧道横断面的面积，使得工程造价低。学习活动二

分析直线电机的基本特性

三、直线电机的优缺点

3.直线感应电机主要不足之处：

①效率和功率因数低，尤其是在低速时比较明显。通常直线感应电机的极距/气隙要比旋转电机大得多，初级和次级之间的气隙大，需要的磁化电流大，所以空载电流大。边缘效应特别是纵向边缘效应减少了驱动推力，增大了损耗。

②除驱动推力外，直线感应电机初级和次级间有吸引力，因而必须增加构架强度。

③为满足长距离对保持一定气隙的精度要求较高。任务三直线电机的应用【任务导入】直线电机应用研究作为直线电机研究中的重要内容，也是研究直线电机的最终目的。由于直线电机不需要任何传动装置，就能直接产生连续单向或往复的直线运动，因此具有广阔的应用前景。在城市轨道交通系统中，根据车辆的特点，采用直线电机作为驱动电机成为了广泛的选择。那么轮轨交通系统中的直线感应电机又有哪些分类呢？直线电机的特点及其日后发展应用的趋势又如何？任务三直线电机的应用【任务准备】1．设备

直线感应电机及其实训装置；2．网路查询

通过网络资源等方式，查询了解直线电机现在的应用前景。学习活动

直线电机在轮轨交通系统中的应用

一、直线电机在轮轨交通系统的发展

直线电机在交通运输业的应用与传统旋转电机驱动电力机车相比，直线电机驱动的机车具有造价低、振动小、噪声低、爬坡能力强、牵引能力优越、通过曲线半径小、能耗低、污染小、安全性能好等诸多优点，直线电机在交通运输行业有广泛的应用前景。

直线电机成功地用于轨道交通是在磁悬浮列车上首先实现的，由于磁悬浮列车不能再依靠车轮驱动，所以很自然地采用了直接通过电磁力驱动列车的直线电机。

目前世界上有三种类型的磁悬浮技术，它们是常导电磁悬浮、超导电动磁悬浮、永磁悬浮。学习活动

直线电机在轮轨交通系统中的应用

一、直线电机在轮轨交通系统的发展

1.常导电磁悬浮技术

图示为常导高速磁悬浮列车模型。该列车采用“异性相吸”原理设计，是“常导磁吸型”（简称“常导型”）直线感应电动机磁悬浮列车。常导高速磁悬浮列车模型

直线感应电动机的初级绕组装在车厢底部，次级反应轨由铝钢复合板制成，固定在路基上。反应轨下面还装有电磁铁，电磁铁从侧面与车厢连接在一起，控制电磁铁的电流使电磁铁和轨道间保持1厘米的间隙，让转向架和列车间的吸引力与列车重力相互平衡，利用磁铁吸引力将列车浮起1厘米左右，使列车悬浮在轨道上运行。学习活动

直线电机在轮轨交通系统中的应用

一、直线电机在轮轨交通系统的发展

2.超导电动磁悬浮

图示为超导电动磁悬浮列车，基于直线同步电动机原理设计。直线同步电动机电枢绕组埋在路基中间，励磁绕组采用超导线圈，安装在车厢底部。

由于超导线圈能提供极强的磁场，因此这种电机不需要铁心。车厢底部两侧还装有供磁悬浮用的超导磁浮线圈，在其下方的地基中铺有导电铝板，磁浮线圈产生的磁场在铝板中感生电流，它们相互作用产生推斥力，使列车悬浮。这是一种超导斥浮型高速列车。日本的超导磁悬浮列车已经过载人试验，即将进入实用阶段，运行时速可达500㎞以上。电动磁悬浮列车学习活动

直线电机在轮轨交通系统中的应用

一、直线电机在轮轨交通系统的发展

3.永磁悬浮技术

永磁悬浮技术是中国自己拥有核心及相关技术发明专利的原始创新技术。

驱动系统采用自主研发的磁动机技术。磁动机由永磁转子轮和直线定子铁靴构成，定子与转子之间不接触，依靠永磁场产生吸力或拉力，从而驱动磁悬浮列车运行或制动，它均布在列车动力舱内，属分散动力装置，是永磁悬浮列车的核心技术之一。

轻型吊轨磁悬浮技术验证车

槽轨磁悬浮列车微缩模型学习活动

直线电机在轮轨交通系统中的应用

一、直线电机在轮轨交通系统的发展

3.永磁悬浮技术

永磁悬浮技术装备的列车具有

领先优势：

一是节能、环保，悬浮耗能少，列车在运行过程中噪音低；

二是超强的运载能力，运输能力相当于现行火车；

三是安全，由于永磁悬浮采用车、路一体化结构与控制设计，杜绝发生追尾、撞车、脱轨和翻车可能；

四是路车综合造价最低，综合造价远低于国外；

五是运行成本最低，国外磁悬浮运行成本略低于飞机，而永磁悬浮运行成本低于现行火车。学习活动

直线电机在轮轨交通系统中的应用

二、轮轨交通系统中的直线感应电机的分类及特点

1.轨道交通直线感应电机分类

（1）按定子长度分

按定子长度可以划分为长定子直线感应电机和短定子直线感应电机。

（2）按磁场是否同步分

直线感应电机按磁场是否同步可以划分为直线同步电机LSM和直线感应电机LIM。

（3）按驱动方式分

直线感应电机按驱动方式可以划分为导轨驱动和车辆驱动两种类型。

（4）按冷却方式分

直线感应电机按冷却方式可以划分为自然通风和强迫通风两种类型。学习活动

直线电机在轮轨交通系统中的应用

二、轮轨交通系统中的直线感应电机的分类及特点2.轨道交通直线感应电机特点（1）爬坡能力强（2）转弯半径小（3）横断面结构的小型化（4）低噪声低振动、安全性与可靠性高（5）编组灵活性良好和运营适应性强

但是，由于车辆上应用了直线电机，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，因此气隙设计的不能太小，否则会导致不安全因素，一般定在12mm左右。