直線電機(jī)與城市地鐵列車

制作：范林楊建輝胡春新直線電機(jī)與城軌列車長期以來，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(jī)并通過曲柄連桿或蝸輪蝸桿等傳動機(jī)構(gòu)來獲得的。但是，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(diǎn)。而采用直線電機(jī)不需要中間轉(zhuǎn)換裝置，能夠直接產(chǎn)生直線運(yùn)動。各種新技術(shù)和需求的出現(xiàn)和拓展推動了直線電機(jī)的研究和生產(chǎn)，目前在交通運(yùn)輸、機(jī)械工業(yè)和儀器儀表工業(yè)中，直線電機(jī)已得到推廣和應(yīng)用。

直線電動機(jī)的定義利用電能直接產(chǎn)生直線運(yùn)動的電動機(jī)短初級短次級雙邊型直線電動機(jī)短次級短初級單邊直線電動機(jī)直線電機(jī)分類（1）按結(jié)構(gòu)（5種）圓筒式結(jié)構(gòu)

從旋轉(zhuǎn)電動機(jī)到圓筒式直線電動機(jī)的演化

圓弧式直線電動機(jī)圓盤式直線電動1.力電機(jī)

力電機(jī)是指單位輸入功率所能產(chǎn)生的推力，或單位體積所能產(chǎn)生的推力，主要用于在靜止物體上或低速的設(shè)備上施加一定的推力的直線電機(jī)。它以短時運(yùn)行、低速運(yùn)行為主，例如閥門的開閉，門窗的移動，機(jī)械手的操作、推車等等。這種電機(jī)效率較低，甚至為零（如對靜止物體上施加推力時，效率為零），因此，對這類電機(jī)不能用效率這個指標(biāo)去衡量它，而是用推力／功率的比來衡量，即在一定的電磁推力下，其輸入的功率越小則說明其性能越好。2.功電機(jī)

功電機(jī)主要作為長期連續(xù)運(yùn)行的直線電機(jī)，它的性能衡量的指標(biāo)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)基本一樣，即可用效率、功率因數(shù)等指標(biāo)來衡量其電機(jī)性能的優(yōu)劣。例如高速磁懸浮列車用直線電機(jī)，各種高速運(yùn)行的輸送線等等。3.能電機(jī)

能電機(jī)是指運(yùn)動構(gòu)件在短時間內(nèi)所能產(chǎn)生的極高能量的驅(qū)動電機(jī)，它主要是在短時間、短距離內(nèi)提供巨大的直線運(yùn)動能，例如導(dǎo)彈、魚雷的發(fā)射，飛機(jī)的起飛以及沖擊、碰撞等試驗(yàn)機(jī)的驅(qū)動等等。這類直線電機(jī)的主要性能指標(biāo)是能效率（能效率＝輸出的動能／電源所提供的電能）。

（2）按功能用途直線電機(jī)按其工作原理可分為兩個大的方面，即直線電動機(jī)和直線驅(qū)動器，直線電動機(jī)包括：交流直線感應(yīng)電動機(jī)交流直線同步電動機(jī)直線直流電動機(jī)直線步進(jìn)（脈沖）電動機(jī)混合式直線電動機(jī)直線驅(qū)動器包括：直線振蕩電機(jī)直線電磁螺線管電機(jī)直線電磁泵直線超聲波電動機(jī)等。（3）按工作原理與旋轉(zhuǎn)電動機(jī)不同，直線電動機(jī)是能夠直接產(chǎn)生直線運(yùn)動的電動機(jī)，但它卻可以看成是從旋轉(zhuǎn)電動機(jī)演化而來，如圖7-1所示。設(shè)想把旋轉(zhuǎn)電動機(jī)沿徑向剖開，并將圓周展開成直線，就得到了直線電動機(jī)。旋轉(zhuǎn)電動機(jī)的徑向、周向和軸向，在直線電動機(jī)中對應(yīng)地稱為法向、縱向和橫向；旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子在直線電機(jī)中稱為初級和次級

從旋轉(zhuǎn)電動機(jī)到直線電機(jī)電動機(jī)的演化直線電動機(jī)的工作原理直線電動機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)電動機(jī)相似。以直線感應(yīng)電動機(jī)為例：當(dāng)初級繞組通入交流電源時，便在氣隙中產(chǎn)生行波磁場，次級在行波磁場切割下，將感應(yīng)出電動勢并產(chǎn)生電流，該電流與氣隙中的磁場相作用就產(chǎn)生電磁推力。如果初級固定，則次級在推力作用下做直線運(yùn)動；反之，則初級做直線運(yùn)動。

式中，τ——為極距(cm)；

如電機(jī)極距為，電源頻率為f，磁場移動速度為次級速度為v，則滑差率為:

次級移動速度:

(1)省去了把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動的中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，節(jié)約了成本，縮小了體積。 (2)不存在中間傳動機(jī)構(gòu)的慣量和阻力的影響，直線電動機(jī)直接傳動反應(yīng)速度快，靈敏度高，準(zhǔn)確度高。 (3)直線電動機(jī)容易密封，不怕污染，適應(yīng)性強(qiáng)。由于電機(jī)本身結(jié)構(gòu)簡單，又可做到無接觸運(yùn)行，因此容易密封，可在有毒氣體、核輻射和液態(tài)物質(zhì)中使用。 (4)直線電機(jī)散熱條件好，溫升低，因此線負(fù)荷和電流密度可以取得較高，可提高電機(jī)的容量定額。 (5)裝配靈活性大，往往可以將電機(jī)與其他機(jī)件合成一體。 (6)某些特殊結(jié)構(gòu)的直線電動機(jī)也存在一些缺點(diǎn)，如大氣隙導(dǎo)致功率因數(shù)和效率降低，存在單邊磁拉力等等。直線電動機(jī)傳動的特點(diǎn)

直線電機(jī)輪軌交通系統(tǒng)是一種新型的介于磁懸浮鐵路交通與傳統(tǒng)輪軌鐵路交通的軌道交通形式。該種軌道交通利用車輪起支承、導(dǎo)向作用，這與傳統(tǒng)輪軌系統(tǒng)相似。但在牽引方面卻采用了短定子列車驅(qū)動直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動，當(dāng)初級線圈通以三相交流電時，由于感應(yīng)而產(chǎn)生電磁力，直接驅(qū)動車輛前進(jìn)，改變磁場移動方向，車輛運(yùn)動的方向也隨之改變。車輛平穩(wěn)運(yùn)行時，定子與感應(yīng)軌之間的間隙一般保持在10mm左右。直線電機(jī)在列車中應(yīng)用

采用直線電機(jī)牽引技術(shù)，具有優(yōu)良的動力性能和爬坡能力，車輪僅起承載的作用，列車的牽引力不受輪軌之間豁著條件的影響，所以能獲得優(yōu)良的動力性能和爬坡能力。線路的最大坡度理論上可達(dá)到10%，目前可實(shí)現(xiàn)8%。有利于線路縱斷面設(shè)計，減少隧道及高架的過渡段，減少拆遷工作量，隧道斷面小，大大降低工程投資?車輪只起車體的支撐作用，輪徑較小，使車輛總高度降低，減少行走區(qū)間的斷面面積，整個系統(tǒng)小型化，降低工程投資。直線電機(jī)城軌車輛性能特點(diǎn)

直線電機(jī)城軌車輛及線路（廣鐵四號線）良好的編組靈活性和運(yùn)營適應(yīng)性

由于直線電機(jī)驅(qū)動的車輛具有比傳統(tǒng)車輛更強(qiáng)的加減速性能，有更高的停車位置控制精度，因此更易實(shí)現(xiàn)小編組，高密度，自動駕駛的運(yùn)行模式。它可以2-6輛靈活編組，適應(yīng)不同的客運(yùn)量需要。由于直線電機(jī)驅(qū)動地鐵車輛仍采用鋼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)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。采用徑向轉(zhuǎn)向架，使運(yùn)行性能大大改善

由于采用直線電機(jī)系統(tǒng)，沒有了旋轉(zhuǎn)動力源和機(jī)械變速傳動系統(tǒng)，因此有利于采用徑向轉(zhuǎn)向架。小而輕的車輛，使轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)簡單輕巧，是該系統(tǒng)除直線感應(yīng)電機(jī)外，另一種具有革新性的走行機(jī)械設(shè)計。

降低振動和噪聲

由于直線電機(jī)驅(qū)動的地鐵車輛，沒有齒輪傳動機(jī)構(gòu)的嚙合振動和噪聲；其次，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；再加上徑向轉(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。故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)。良好的安全性和可靠性

由于直線電機(jī)驅(qū)動地鐵車輛是典型的非黏著驅(qū)動方式，牽引-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。直線電機(jī)驅(qū)動的電磁力的分力使輪軌間產(chǎn)生一定的附加壓力，有利于提高輪軌運(yùn)動的穩(wěn)定性，因此其安全性指標(biāo)較高。再加上取消了旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動所必須的滾動軸承、傳動齒輪，磨耗小，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。低效率、低功率因數(shù)的缺點(diǎn)

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（軸箱垂向彈性定位）系統(tǒng)間，不可避免地會造成相互間隙變化，因此氣隙設(shè)計得不能太小，否則會導(dǎo)致不安全因素，一般定在12mm左右（比德國磁懸浮列車的氣隙8mm要高一些）；再加上直線電機(jī)是有端部的（旋轉(zhuǎn)電機(jī)是閉環(huán)），因此漏磁場較大，機(jī)電能量轉(zhuǎn)化率低，所以直線電機(jī)的效率較低，一般在0.7-0.8之間，功率因數(shù)也較低，一般在0.5-0