1、微特电机及系统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用1上 海 工 程 技 术 大 学微特电机及系统结课论文学 院 电子电气工程学院专 业 自动化（汽车电子） （中美合作）班级学号 0221091 12学 生 李因睿题 目 直线电动机历史及其城市轨道交通中的应用课程规定进行日期 自 2011 年 9 月 15 日起，至 2011 年 12 月 29 日止微特电机及系统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用2摘 要近年来直线电动机是电机控制领域的研究热点，这与其响应快装配灵活性大等优点是分不开的。本文详细介绍了直线电机在磁悬浮铁路、城市轨道交通中的应用。并总结了直线电机控制系统的研究现状和发展方向
2、。关键词：直线电动机，磁悬浮，城市轨道交通，实际应用Linear MotorABSTRACTIn recent years,the direct thrust control system is becoming the research hotspot in the field of motor control due to its simple structure,quick thrust response,and the probability to rotor parameters.However,the linear motor is sensitive to load distur
3、bance and system parameter change ,and the end effect of linear motor is difficult controlled.Hence,the study on linear motor control system with high control accuracy,easily realized and strong robustness has important practical significance. Key words: Linear motor，urban rapid rail transit，Maglev，
4、application直线电动机的历史及其在城市轨道交通中的应用微特电机及系统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用31. 引言直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何的中间转换机构的特种电机。它具有广阔的应用和发展前景，是近年来国内外积极研究开发的电动机之一。2. 正文2.1 直线电机概述直 线 电 机 也 称 线 性 电 机 ， 线 性 马 达 ， 直 线 马 达 。 直 线 电 机 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 。 它 可 以 看 成 是 一 台 旋 转 电
5、机 按 径 向 剖 开 ， 并 展 成 平 面 而 成 。2.2 直线电机的发展历史与阶段进步1845 年英国人 Charles Wheastone 发明了世界上第一台直线电动机，但这种直线电动机由于气隙过大而导致效率很低，未获成功。时至今日直线电机已伴随着人类社会发展共同进步了 160 多年，在这 160 多年里，直线电机不断创新不断完善，历经了三个不同的时期，才实现今天的形态和作用，它们分别为：直线电机的探索期、直线电机的开发应用期、直线电机的实用商品期1.18401955 年为探索实验时期 在这个期间直线电机从设想到试验再到部分试验，经历了一个不断探索的过程。最早明确提出直线电机的文章是
6、 1890 年美国匹兹堡市的市长写的一片文章，然而限于当时的技术条件，最终并没有获得成功。到了 1905 年出现了将直线电机作为火微特电机及系统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用4车推进机构的设想，给当时各国的研究人员带来了极大的鼓舞，在 1917年出现了第一台圆筒形直线电机，并试图用它来作为导弹的发射装置，但始终还是停留在模型阶段。经过 1930 年到 1940 年的实验阶段，科研人员获取了大量的实验数据，从而对理论有了更深的认识。在随后的过程中，1945 年美国的西屋电气研制成功了电力牵引飞机弹射器，它以7400kw 的直线电机作为动力，并且成功的进行了试验，同时使得直线电机可靠性等优
7、点得到了重视。在 1954 年英国皇家飞机制造公司成功利用双边扁平型直流直线电机制成了导弹发射装置。但是在这个过程中，由于直线电机与旋转电机相比在成本和效率方面没有优势，并没有取得突破性的成功。2.19561970 年为直线电机的开发应用期1955 年以后，直线电机进入了全面的开发阶段，同时该时期的控制技术和材料技术的发展，更有力的促进了直线电机的开发。直线电机的使用设备逐渐被开发出来，例如采用直线电机的 MHD 泵、自动绘图仪、磁头定位驱动装置、空气压缩机等。3. 1971 年至今为直线电机的使用商品时期到目前，各类直线电机的应用得到了推广，形成了许多有实用价值的商品，直线电机开始在旋转电机
8、无能为力的地方寻找自己的位置。例如，直线电机应用于磁悬浮列车，液态金属的输送和搅拌，电子缝纫机和磁头定位装置，直线电机冲压机等等。微特电机及系统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用52.3 直线电机的基本结构图 1-1 所示的 a 和 b 分别表示了一台旋转电机和一台直线电机。图 1-1 旋转电机和直线电机示意图 a)旋转电机 b）直线电机直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线，如图 1-2 所示。这样就得到了由旋转电机演变而来的最原始的直线电机。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧成为次级。微特电机及系统结
9、课论文 直线电动机于轨道交通中的应用6图 1-2 由旋转电机演变为直线电机的过程 a）沿径向剖开 b)把圆周展成直线图 1-2 中演变而来的直线电机，其初级和次级长度是相等的，由于在运行时初级和次级之间要做相对运动，如果在运动开始时，初级与次级正巧对齐，那么在运动中，初级与次级之间互相耦合的部分越来越少，而不能正常运动。为了保证在所需的行程范围内，初级和次级之间的耦合能保持不变，因此世界应用时，是将初级与次级制造成不同的长度。由于段初级在制造成本上，运行的费用上均比短次级低得多，因此一般采用短初级长次级。如图 1-3 所示。图 1-3 单边型直线电机 a）短初级 b）短次级在图 1-3 中所示
10、的直线电机中仅在一边安放初级，对于这样的结构型式称为单边型直线电机。特点是在初级与次级之间存在着很大的法向吸力，一般这个法向吸力在钢次级时约为推力的 10 倍左右，大多数场合这种吸力是不希望存在的。微特电机及系统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用7图 1-4 双边型直线电机 a)短初级 b)短次级在图 1-4 中所示的直线电机在次级的两边都装上了初级。这样这个法向吸力就可以相互抵消，这种结构型式称为双边型。上述介绍的直线电机称为扁平型直线电机，是目前应用最为广泛的，除此之外直线电机还可以做成圆筒型（也称管型）结构，它也可以看作是由旋转电机演变过来的，演变过程如图 1-5 所示。微特电机及系
11、统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用8图 1-5 旋转电机演变成圆筒型直线电机的过程 a）旋转电机 b)扁平型单边直线电机 c)圆筒型（管型）直线电机图 1-5a 表示一台旋转电机以及由定子绕组所构成的磁场极性分布情况；图 1-5b 表示转变为扁平型直线电机后，初级绕组所构成的磁场极性分布情况，然后将扁平型直线电机沿着和直线运动相垂直的方向卷接成筒形。这样就构成图 1-5c 所示的圆筒型直线电机。直线电机还有圆弧型和圆盘型结构。所谓圆弧型结构，就是将平板型直线电机的初级沿运动方向改成圆弧型，并安放于圆柱次级的柱面外侧，如图 1-6 所示。图 1-6 圆弧型直线电动机 图 1-7 圆盘型直线
12、电机图 1-7 是圆盘型直线电机，该电机把次级做成一片圆盘，将初级放在次级圆盘靠近边缘的平原上，圆盘型直线电机的初级可以是双面的，也可以是单面的。圆弧型和圆盘型直线电机的运动实际上是一个圆周运动。微特电机及系统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用92.4 直线电机的工作原理直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的，而且其工作原理也与旋转电机相同图 1-8 旋转电机的基本工作原理 1-定子 2-转子 3-磁场方向将图 1-10 所示的旋转电机在顶上沿径向剖开，将圆周拉直，变成了图 1-9 所示的直线电机。在直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，也会产生气隙磁场。当不考虑由于铁心两
13、端开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机的相似，可看成沿展开的直线方向呈正弦形分布。当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，差异在于：这个磁场是平移的，而不是旋转的，因此称为行波磁场。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，即为 Vs（m/s） ，称为同步速度，且Vs=2f （1.1）再来看行波磁场对次级的作用。假定次级为栅形次级，图 1-9 中仅画出其中的一根导条。次级导条在行波磁场切割下，将感应电动势并产生电流。而所有导条的电流和气隙磁微特电机及系统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用1
14、0场相互作用便产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，如果初级是固定不动的，那么次级就是顺着行波磁场运动的方向作直线运动。若次级移动的速度用 V 表示，转差率用 S 表示，则有（1.2）VsSVsv)1(图 1-9 直线电机的基本工作原理在电动机运行状态下，S 在 0 与 1 之间。上述就是直线电机的基本工作原理。2.5 直线电机的分类概述2.5.1 按结构形式分类直线电机的分类在不同的场合下有不同的分类型式。按其结构型式主要可分为扁平型、圆筒型（管型） 、圆盘型和圆弧型四种。扁平型直线电机，即为一种扁平的矩形结构的直线电机，如图 1-1b，它有单边型和双边型之分。每种型式下又分别由短初级长次级
15、或长初级微特电机及系统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用11短次级。圆筒型直线电机，即为一种外形如旋转电机的圆柱形的直线电机如图1-5 所示。这种直线电机一般均为短初级长次级型式。圆盘型直线电机，即为电机的次级是一个圆盘，不同型式的初级驱动圆盘次级做圆周运动，如图 1-7 所示。其初级可以是单边型也可以是双边型。圆弧型直线电机，如图 1-6 所示，它的运动形式是旋转运动，且与普通旋转电机非常接近。圆弧型与圆盘型的主要区别，在于次级的形式和初级对次级的驱动点有所不同。按以上结构型式分类的直线电机相互关系可以图 1-10 所示的形式表示。扁平型长初级短初级 单边型双边型圆盘型圆弧型圆筒型短初级
16、型图 1-10 直线电机的结构分类2.5.2 按直线电机定子长度划分 根据定子长度的不同，直线电机可以划分为长定子直线电机和短定子直线电机。微特电机及系统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用12长定子直线电机的定子（初级线圈）设置在导轨上，其定子绕组可以在导轨上无限长地铺设，故称为“长定子”。长定子直线电机通常用在高速及超高速磁悬浮铁路中，应用在长大干线及城际铁路领域。短定子直线电机的定子设置在车辆上。由于其长度受列车长度的限制，故称为“短定子”。短定子直线电机通常用在中低速磁悬浮铁路及直线电机轮轨交通中，用在城市轨道交通领域。2.5.3 按直线电机的磁场是否同步划分导轨磁场与车辆磁场可以同
17、步运行，也可以不同步运行。据此可以将直线电机划分为直线同步电机和直线感应电机两大类型。直线同步电机 LSM(Liner Synchronous Motor)一般采用长定子技术，定子线圈（初级线圈）安装在导轨上，而转子线圈（次级线圈）安装在车辆上。导轨上的转子磁场与车辆上的定子磁场同步运行，控制定子磁场的移动速度就可以准确控制列车的运行速度。高速、超高速磁悬浮铁路一般使用该种长定子直线同步电机。德国的运捷 TR 和日本的 MLX系统均使用这种直线同步电机。其原理见图 1。图 1 长定子直线同步电机原理图微特电机及系统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用13直线感应电机 LIM(Liner In
18、duction Motor) 一般采用短定子技术，与 LSM 正好相反，定子线圈（初级线圈）安装在车辆上，而转子部分则安装在导轨上。转子磁场与定子磁场不同步运行，故也称为直线异步电机。中低速磁悬浮铁路（如 HSST）及直线电机轮轨交通一般使用该种电机。其原理见图 2。图 2. 短定子直线感应电机原理图2.5.4 按驱动方式划分列车的运行工况（牵引、惰行、制动）及运行速度完全由定子绕组中的移动磁场控制。按照直线电机的初级线圈（定子线圈）的安设位置不同，直线电机牵引的轨道交通可以划分为导轨驱动和车辆驱动两种类型。导轨驱动也称为路轨驱动或地面驱动，采用长定子直线同步电机LSM。直线电机的初级线圈（定
19、子线圈）设置在导轨上，采用长定子同步驱动技术。其列车的运行工况及运行速度由地面控制中心控制，列车司机不能直接控制。导轨驱动技术一般用于长大干线铁路或城际轨道交通。微特电机及系统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用14德国的运捷 TR 和日本的 MLX 系统均使用这种驱动技术。列车驱动技术采用短定子直线感应电机 LIM。直线电机的初级线圈（定子线圈）设置在车辆上，其列车的运行工况及运行速度由列车司机控制，故称为列车驱动。列车驱动技术一般用于城市轨道交通，用于中低速磁悬浮铁路（如 HSST）及轮轨直线电机铁路。3 实际应用3.1 磁悬浮的技术优点Efficient, low cost trans
20、port is a critical and indispensable necessity for civilization. Without it, humans would still live at subsistence level, and in Hobbes famous quote, our lives would be “poor, nasty, brutish, and short.“One may argue about the exact order of evolution of different modes of transportation- did ships
21、 really precede wagons? - or their importance in society - for some countries, wagons are more important than autos, aircraft, or rockets - but all play an important role in the world economy. Looking at the list, one is struck by three general conclusions. First, as each new mode of transport is in
22、troduced, there is a quantum jump in transport capability - the new mode does things the older modes could not do. Moreover, where the new mode does directly compete with the old modes, it generally does so more 微特电机及系统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用15efficiently and at lower cost. Railroads, for example, could
23、 move people and goods, faster, more efficiently and more cheaply than wagons. In turn, autos, trucks and buses could serve many more points than railroads, which would go broke if they attempted to lay track to every origin and destination point. Second, with the possible exception of rockets, all
24、of the transport modes have essentially matured. Further performance gains in speed, carrying capability and unit cost of transport, appear marginal at best. In fact, in some respects, performance is likely to worsen. Higher traffic loads are reducing the average speed on the highways, and increasin
25、g the delays at airports. As the cost of fuel increases, the unit costs of transport will also go up.Third, with the exception of wagons, pipelines, and electrified railroads, all of the transport modes require fossil fuel - primarily, petroleum - to operate. The world currently consumes approximate
26、ly 80 million barrels of oil per day, most of which is used for transport. At 30 dollars a barrel, the world spends almost a trillion dollars annually for oil. Petroleum resources are being rapidly depleted and will be largely gone in a few decades. As resources deplete, the cost per barrel will rap
27、idly escalate. As a result, the above modes 微特电机及系统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用16of transport will either have to electrify - difficult for autos, trucks, and buses, and impossible for aircraft - or have to depend on synthetic fuels. Such fuels will be even more expensive than present ones. Moreover, since t
28、hey will primarily be derived from coal, oil shale, etc., they will continue to release large amounts of carbon dioxide into the environment, further increasing global warming.Why do we need maglev? Basically because it offers a way out from the inherent and unfavorable limitations of the existing t
29、ransport modes. What are the benefits and advantages of maglev, compared to existing transport modes? Unique new markets enabled by maglev include the capability to transport water for hundreds of miles much more cheaply than pipelines, the capability to transport passengers at 2000 mph in low press
30、ure tunnels, and the capability to launch to space at very low cost.3.2 德国常导磁悬浮 TR 系统德国的 Transrapid 磁浮列车技术采用了车体环抱轨道的形式。在 T形轨道梁的下侧安装长定子铁芯和三相线圈，它的正下方是固定在车体悬浮架上的悬浮和牵引电磁铁，在 T 形轨道梁的两侧安装有导向与制动轨，导向与制动轨的外侧是固定在车体悬浮架上的导向和制动电磁铁。 微特电机及系统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用17车载的电磁铁由车载的谐波直线发电机和车载的电池组供电，成为转子。而沿轨道铺设的三相有铁芯线圈形成定子绕组。在
31、定子绕组里，交流电产生行波磁场，与车载的电磁铁相互作用，使列车无接触前进，同时，磁浮车的励磁部件（转子）还通过与路轨上的定子线圈相互吸引，起着悬浮电磁铁的作用。而列车导向力则安装在车体悬浮架内侧的导向磁铁来提供。列车速度可以通过改变定子交流电流的频率和电压进行无级调节。 微特电机及系统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用18德国常导磁悬浮 TR 系统的悬浮和导向采用电磁悬浮 EMS 原理，利用在车体底部的可控悬浮电磁铁和安装在导轨底面的铁磁反应轨(定子部件)之间的吸引力使列车浮起，导向磁铁从侧面使车辆与轨道保持一定的侧向距离，保持运行轨迹（图 3）。高度可靠的电磁控制系统保证列车与轨道之间的
32、平均悬浮间隙保持在 10mm，两边横向气隙均为 810mm。微特电机及系统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用193.3 日本超导磁悬浮 MLX 系统MLX 采用的是轨道侧长定子直线同步电机驱动的方式，车体运行在 U 轨道槽内。MLX 超导磁浮列车采用液氦冷却的低温超导线圈励磁。超导磁体布置在转向架的两侧上。而用于驱动的定子线圈和用于悬浮与导向的8字形短路线圈则布置在 U 形槽的两侧侧壁上。当轨道槽上的定子线圈三相绕组中通入三相交流电时，产生沿线路的行波磁场，这个磁场与车体上的超导磁体所产生的磁场相互作用，产生牵引力。通过改变定子线圈中电流的强度和频率就可以调节车体所收到的牵引力。由于车上超
33、导磁体与线路侧8字线圈之间的相对运动，8字线圈因而感应出电流和磁场，这个磁场与车体上的超导磁体的磁场相互作用而产生悬浮力和导向力。这个悬浮力和导向力的大小跟速度有关，车体在运动在150km/h 以上时，列车完全悬浮起来，这是一种电动悬浮的原理，跟 Transrapid 和 HSST 的电磁悬浮原理是有区别的。在150km/h 以下时，列车依靠橡胶车轮支撑和导向。MLX 的截面示意图如图 微特电机及系统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用20日本超导磁悬浮 MLX 系统采用了长定子直线同步电机（LSM）驱动，见图 4。在导轨侧壁安装有悬浮及导向绕组。当车辆高速通过时，车辆上的超导磁场会在导轨侧
34、壁的悬浮绕组中产生感应电流和感应磁场，控制每组悬浮绕组上侧的磁场极性与车辆超导磁场的极性相反从而产生引力、下侧极性与超导磁场极性相同产生斥力，使得车辆悬浮起来，悬浮高度为 100mm。如果车辆在平面上远离了导轨的中心位置，系统会自动在导轨每侧的悬浮绕组中产生磁场，并且使得偏离侧的地面磁场与车体的超导磁场产生吸引力，靠近侧的地面磁场与车体磁场产生排斥力，从而保持车体不偏离导轨的中心位置（如图 5 所示）。2002 年 6 月在山梨试验线新投入试验运行的 MLX01-901 试验车见图 6，该试验车最近创造了580km/h 的列车最高试验速度。微特电机及系统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用2
35、1综合对比分析日本电动悬浮 MLX 与德国电磁悬浮 TR 系统在技术、经济、环境三方面的性能，可以得出如下结论。1、MLX 系统造价高、超导技术难度大；TR 系统价格相对较低，虽然控制系统复杂、精确，但技术相对成熟，大部分零部件具有通用性，市场供应方便。2、MLX 系统车辆悬浮气隙较大，对轨面平整度要求较低、抗震性能好、速度快并且还有进一步提高速度的可能性，它还具有低速时不能悬浮的特点，因此更适合于大运量、长距离、更高速度的客运。3、从经济和效率来看，在 450km/h 以上速度运行时，日本 MLX 系统优于德国 TR 系统；在 300450km/h 的速度范围内运行时，TR 系统比较优越；3
36、00km/h 以下速度时，采用轮轨高速可能更好。4.2 磁悬浮铁路与轮轨高速铁路比较近年来，高速铁路发展迅猛，高速列车试验速度已经达到 515.3km/h，实际运营速度也达到 250300km/h。表 3 列出了磁浮铁路和轮轨高速铁路的主要技术指标。微特电机及系统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用22表 3 磁浮铁路和轮轨高速铁路主要技术指标3.4 日本中低速磁悬浮 HSST 系统 中低速磁悬浮系统以日本的 HSST 为代表，主要应用于速度较低的城市轨道交通和机场铁路。日本 HSST 为地面交通系统，采用列车驱动方式，电机为短定子直线感应电机（LIM）。电机的初级线圈（定子）安装在车辆上，
37、转子（或称次级线圈）沿列车前进方向展开设置在轨道上，见图 2。在悬浮原理方面，HSST 系统与德国 TR 相似，不同之处在于HSST 系统将导向力与悬浮力合二为一。我国的磁悬浮铁路研究目前大都侧重于中低速范围，并且大都参照 HSST 技术研制。将来用于名古屋东部丘陵线的车辆及轨道见图 7。参考文献1 施翃、魏庆朝.新型城市轨道交通模式直线电机地铁系统J.地铁与轻轨，2003(4):18-22。2 施仲衡等.降低地铁造价及工程建设管理若干问题的研究高级技术论微特电机及系统结课论文 直线电动机于轨道交通中的应用23坛.2003.4，北京。3 北京交通大学、北京城建设计研究总院城市轨道交通研究中心.直线电机系统在首都机场线应用的研究报告，2003.5，北京。4 魏庆朝、孔永健.磁悬浮铁路系统与技术M.北京：中国科学技术出版社，2003。5 吴俊全.温哥华 Skytrain 快速轨道交通.广州：地铁科技J，2002(1)。6 魏庆朝.直线电机轨道交通方式及技术经济分析.中国城市轨道交通规划、建设及设备国产化论坛论文集，2003.12，广州。7http:/
