直线电机与城市地铁列车

制作：范林杨建辉胡春新直线电机与城轨列车长期以来，在各种工程技术中需要直线型驱动力时，主要是采用旋转电机并通过曲柄连杆或蜗轮蜗杆等传动机构来获得的。但是，这种传动形式往往会带来结构复杂，重量重，体积大，啮合精度差，且工作不可靠等缺点。而采用直线电机不需要中间转换装置，能够直接产生直线运动。各种新技术和需求的出现和拓展推动了直线电机的研究和生产，目前在交通运输、机械工业和仪器仪表工业中，直线电机已得到推广和应用。直线电动机的定义利用电能直接产生直线运动的电动机短初级短次级双边型直线电动机短次级短初级单边直线电动机直线电机分类（1）按结构（5种）圆筒式结构从旋转电动机到圆筒式直线电动机的演化圆弧式直线电动机圆盘式直线电动1.力电机力电机是指单位输入功率所能产生的推力，或单位体积所能产生的推力，主要用于在静止物体上或低速的设备上施加一定的推力的直线电机。它以短时运行、低速运行为主，例如阀门的开闭，门窗的移动，机械手的操作、推车等等。这种电机效率较低，甚至为零（如对静止物体上施加推力时，效率为零），因此，对这类电机不能用效率这个指标去衡量它，而是用推力／功率的比来衡量，即在一定的电磁推力下，其输入的功率越小则说明其性能越好。2.功电机功电机主要作为长期连续运行的直线电机，它的性能衡量的指标与旋转电机基本一样，即可用效率、功率因数等指标来衡量其电机性能的优劣。例如高速磁悬浮列车用直线电机，各种高速运行的输送线等等。3.能电机能电机是指运动构件在短时间内所能产生的极高能量的驱动电机，它主要是在短时间、短距离内提供巨大的直线运动能，例如导弹、鱼雷的发射，飞机的起飞以及冲击、碰撞等试验机的驱动等等。这类直线电机的主要性能指标是能效率（能效率＝输出的动能／电源所提供的电能）。（2）按功能用途直线电机按其工作原理可分为两个大的方面，即直线电动机和直线驱动器，直线电动机包括：交流直线感应电动机交流直线同步电动机直线直流电动机直线步进（脉冲）电动机混合式直线电动机直线驱动器包括：直线振荡电机直线电磁螺线管电机直线电磁泵直线超声波电动机等。（3）按工作原理与旋转电动机不同，直线电动机是能够直接产生直线运动的电动机，但它却可以看成是从旋转电动机演化而来，如图7-1所示。设想把旋转电动机沿径向剖开，并将圆周展开成直线，就得到了直线电动机。旋转电动机的径向、周向和轴向，在直线电动机中对应地称为法向、纵向和横向；旋转电机的定子、转子在直线电机中称为初级和次级从旋转电动机到直线电机电动机的演化直线电动机的工作原理直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。式中，τ——为极距(cm)；如电机极距为，电源频率为f，磁场移动速度为2svf次级速度为v，则滑差率为:ssvvvs次级移动速度:)1(2)1(sfvsvs(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。(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，准确度高。(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，因此容易密封，可在有毒气体、核辐射和液态物质中使用。(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。(5)装配灵活性大，往往可以将电机与其他机件合成一体。(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，存在单边磁拉力等等。直线电动机传动的特点直线电机轮轨交通系统是一种新型的介于磁悬浮铁路交通与传统轮轨铁路交通的轨道交通形式。该种轨道交通利用车轮起支承、导向作用，这与传统轮轨系统相似。但在牵引方面却采用了短定子列车驱动直线感应电机驱动，当初级线圈通以三相交流电时，由于感应而产生电磁力，直接驱动车辆前进，改变磁场移动方向，车辆运动的方向也随之改变。车辆平稳运行时，定子与感应轨之间的间隙一般保持在10mm左右。直线电机在列车中应用采用直线电机牵引技术，具有优良的动力性能和爬坡能力，车轮仅起承载的作用，列车的牵引力不受轮轨之间豁着条件的影响，所以能获得优良的动力性能和爬坡能力。线路的最大坡度理论上可达到10%，目前可实现8%。有利于线路纵断面设计，减少隧道及高架的过渡段，减少拆迁工作量，隧道断面小，大大降低工程投资‹车轮只起车体的支撑作用，轮径较小，使车辆总高度降低，减少行走区间的断面面积，整个系统小型化，降低工程投资。直线电机城轨车辆性能特点直线电机城轨车辆及线路（广铁四号线）良好的编组灵活性和运营适应性由于直线电机驱动的车辆具有比传统车辆更强的加减速性能，有更高的停车位置控制精度，因此更易实现小编组，高密度，自动驾驶的运行模式。它可以2-6辆灵活编组，适应不同的客运量需要。由于直线电机驱动地铁车辆仍采用钢轮和钢轨来支撑和引导车辆运行，所以仍可采用长期运用成熟的、安全可靠的轨道电路信号系统来实行对列车的信号传输、运行监控和集中调度，运营适应性较好。采用径向转向架，使运行性能大大改善由于采用直线电机系统，没有了旋转动力源和机械变速传动系统，因此有利于采用径向转向架。小而轻的车辆，使转向架的结构简单轻巧，是该系统除直线感应电机外，另一种具有革新性的走行机械设计。降低振动和噪声由于直线电机驱动的地铁车辆，没有齿轮传动机构的啮合振动和噪声；其次，车轮也不是驱动轮，没有动力轮对与钢轨蠕滑滚动产生的振动和噪声；再加上径向转向架良好的曲线通过性能，避免了过曲线时轮轨冲角带来的振动和噪声。故该型地铁车辆具有振动小，噪声低的优点，有利于环境保护。良好的安全性和可靠性由于直线电机驱动地铁车辆是典型的非黏着驱动方式，牵引-制动性能发挥不依赖于环境，是一种全天候的运载工具。直线电机驱动的电磁力的分力使轮轨间产生一定的附加压力，有利于提高轮轨运动的稳定性，因此其安全性指标较高。再加上取消了旋转电机驱动所必须的滚动轴承、传动齿轮，磨耗小，大大提高了车辆运行的可靠性和可维护性，维修工作量较小，维护成本较低。低效率、低功率因数的缺点由于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，因此气隙设计得不能太小，否则会导致不安全因素，一般定在12mm左右（比德国磁悬浮列车的气隙8mm要高一些）；再加上直线电机是有端部的（旋转电机是闭环），因此漏磁场较大，机电能量转化率低，所以直线电机的效率较低，一般在0.7-0.8之间，功率因数也较低，一般在0.5-0.6之间；对于直线电机气隙的安装、运行、保养、维护较困难，如何确保运行中气隙的精度是直线电机驱动地铁应给予高度关注的技术难题，为此所需的工作量和维护成本较高，也容易引发安全性问题。为了保证一定的牵引力和减少能耗，直线电机车载电磁铁与轨道感应板之间的距离应控制在一定的范围内。①②③