采用直线电机以后，车辆的机电工程和线路的土木 工程就结合在一起了，土木工程也成了机电工程的子 系统。例如采用直线电机后，转向架下面多出了空间， 车轮直径相对缩小，整个车辆横截面也减少，最终导 致隧道断面显著减少。另外电机转子在线路上，并采 用中、小型车辆，轴重较轻，对下部结构，包括道床、 梁、墩、基础结构都可轻型化，减少工程数量约30%
横向边缘效应
直线感应电动机的初级和次级的宽度都是有限的， 在这有限宽的情况下，次级电流以及次级板对气隙磁 场均会产生影响，这种影响便称为电机的横向边缘效 应。 横向边缘效应的改善可以通过初次级宽度的调整， 特别是次级宽度一般不大于初级的宽度为好，并且同 样级数的直线感应电机，初级绕组Y形连接时，静态边 缘效应对气隙磁场的影响要小于△形连接时的情况.
• 行车先进，系统整合
采用直线电机系统，很重要的因素是维持一个中、 小型车辆的系统，保持车辆较轻的轴重，系统的容量 只能用车辆编组数和发车频率来调节，这就需要一个 行车指挥先进的系统，所以移动闭塞和无人驾驶技术 就成为这个系统的最佳要求。 因此采用直线电机系统就不宜向车辆大型化、行车信 号系统一般化的方向发展，否则无法整合系统的优势。 而采用适当的技术措施，突出轻、小、灵的特点，才 能表现出它的先进性、可靠性、安全性和经济性。
分 类
• 按结构型式分类，主要分为扁 平型、圆筒型、圆盘型和圆弧 型。其中扁平型直线电机有单 边型和双边型之分，每种型式 下又分别有短初级长次级或长 初级短次级。 • 按功能用途分，主要分为力电 机、功电机、能电机。 • 按工作原理分，主要分为两个 大的方面，即直线电动机和直 线驱动器。
长定子与短定子
直线电机
概 述
• • • • • • • 发展历史 基本工作原理 分类 在磁浮列车上的应用 磁悬浮系统中电机法向力的研究 边缘效应 应用于轨道交通的评价
发展历史
直线电机经历了三个时期：
• (1)1840~1955年的116年间，直线电机经历了从设想 到实验到部分实验性应用的过程。其中最著名的是英 国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直线电机制成了 发射导弹的装置，其速度达到1600km/h。 • (2) 1956~1970年是直线电机的开发应用阶段。这一时 期的直线电机的实用设备有 MHD泵、自动绘图仪、磁 头定位驱动装置、电唱机、缝纫机、空气压缩机、输 送装置等。 • (3) 1971年以后，进入了实用商品阶段。这一时期直 线电机应用于磁浮列车、液态金属的输送和搅拌等项 目，终于在满足人类需求的过程中求得自己的发展。
长定子与短定子
短定子磁悬浮线路的造价远低于长定子磁悬浮线路。 电机绕组在车内，动力电源也装在车内，动力电源从 地面供电轨取得电能，地面与磁悬浮列车之间必须安 装受流器。
由于在高速时受流性能恶化，所以这种磁悬浮列车 的运行速度不能很高，一般在中低速范围内运行。日 本的中低速磁浮列车（HSST）采用了这种驱动方式
纵向边缘效应的解决方法
对于静态边缘效应中由于铁心及绕组开断引起 的三相电流不对称的情况，可用三台相同电机 一起使用的办法，来消除负序磁场和零序磁场。 也可用增加电机级数的方法来减小互感之间的 不对称。一般使级数大于或等于6即可。
对于动态边缘效应则按照其产生的附加损耗和 附加力对应的有效功率，在传统旋转电机的等 效电路图中增添一条电阻支路来表示，即为图 中的Rf。
测试表明，在供电电压、频率一定情况下，气 隙与法向力之间的关系较复杂。 由于气隙增加，电机一次侧与二次侧钢板之 间的吸引力下降，同时，与二次侧铝反应板之 间的排斥力也下降，导致总的合成作用力与气 隙呈复杂关系。
边缘效应
纵向边缘效应
• 直线电机具有长直的、两端开断的铁心，使 得三相绕组之间的互感不相等，电动机的运行 不对称，并引起负序反向行波磁场和零序脉振 磁场，这些效应称为纵向边缘效应。 纵向边缘效应分为静态纵向边缘效应和动 态纵向边缘效应。
磁悬浮系统中电机法向力的研究
电机法向力即牵引用直线电机一次侧、二次侧 之间的相互作用力，它是影响列车稳定悬浮的 不利因素。
消除电机法向力影响，或将法向力影响降到最 小，有助于磁悬浮列车的稳定悬浮运行。
磁悬浮系统中电机法向力的研究
• （1）电流与法向力的关系
在同样气隙、频率情况下，电机一次侧绕组 电流增加，电机法向力表现为吸引力，且减小。 当频率增高时，这种变化趋势更明显。 电机一次侧、二次侧之间的法向作用力大小 与两个因素有关：一是一次侧与二次侧钢板作 用力，该力为吸引力；二是一次侧与二次侧铝 反应板的作用力，该力为排斥力。
应用于轨道交通的评价
• 直线电机轨道交通的优点不在直线电机本身，而 在于与其有内在联系的系统，如果单纯以旋转电 机和直线电机效率进行比较，后者还不如前者。 • 由于直线电机的使用，影响了各方面特性、功能 的改善，使在一定条件下，具有对旋转电机轮轨 系统的相对优势。因此在使用这个系统时，一定 要将系统的优势发挥到最大。 • 这样采用直线电机系统才有价值，下面从采用直 线电机系统引起的改变来进行简要的分析。
吸引力由气隙主磁通产生，它的大小与励磁电 流有效值的平方及励磁电感的乘积成正比； 排斥力有二次侧涡流产生，其大小与二次侧等 效电流有效值的平方成正比，而与一次侧中点 至二次侧反应板电流层之间的距离成反比。 电机法向力大小最终取决于上述吸引力与排 斥力的综合作用。

磁悬浮系统中电机法向力的研究
(2)频率与法向力的关系
超导推斥型
• 在超导磁浮系统中，超导线圈装在车上，而与其相互 作用产生推进、悬浮、导向功能的各种线圈都装在地 面轨道内。借助这些线圈的作用，使车上超导线圈产 生推进、悬浮、导向力。
驱动原理
如图所示：作用于磁场之间的感应排斥力和吸引力驱 动载有超导磁铁的列车。安装在导轨两侧边墙上的驱 动线圈由牵引变电所提供三相交流电，导轨驱动线圈 产生移动的磁场，车载超导磁铁被移动的磁场吸引和 排斥，从而驱动磁悬浮列车。
• 如果在结构上初级和次级设计得一样长，当初 级和次级作相对直线运动后。则它们相对着的 部分逐渐减少，相对作用力也越来越小，以致 最后消失。 • 因而产生了长初级或短初级型直线电机。
长定子与短定子
长定子方案由于沿线铺设电机定子绕组，其造价 必然很高。地面同步电机的优点是功率大，功率因 数高，适用于高速、超高速磁悬浮铁路。 日本的超导超高速磁浮列车（MLX）和德国的常 导超高速磁浮列车（TR）采用的都是驱动方式。
常导吸浮型
图中驱动部分是直线同步 电动机 列车下部装有悬浮磁铁， 相当于同步直线电机的励磁 线圈，安装在轨道上的三相 驱动绕组相当于同步直线电 机的定子绕组，起到电枢的 作用。
常导吸浮型
当沿线布置的变电所向驱动绕组提供三相调频调幅 电力时，悬浮磁铁与定子绕组产生移动磁场。
在移动磁场的作用下，悬浮线圈中产生感应电流， 感应电流和移动磁场相互作用产生电磁推力，驱动列 车运行。
单边型与双边型
仅在一边安放初级的结构形式称 为单边型直线电机。
• 在初级与次级之间存在着一个很大的 法向吸力，在钢次级时约为推力的10倍 左右。 • 法向吸力是不希望存在的，如果在次 组的两边都装上初级，那么这个法向吸 力可以相互抵消，这种结构型式称为双 边型。 • 双边型电动机的电枢在磁场中所受的 总控力大于(F1+F2)，所以一般实用的 直线电动机都做成双边型的。
测试表明，在同样电流、气隙情况下，频率增 加，电机一次侧二次侧之间的法向作用力减小， 且当频率大于100HZ，这种变化趋势愈明显。 其原因是频率增加，励磁电流减小，反映板 感应涡流增加，导致吸引力下降，排斥力增大， 总的法向力减小。
磁悬浮系统中电机法向力的研究
磁悬浮系统中电机法向力的研究
（3）气隙与法向力的关系
•
边缘效应
• 静态纵向边缘效应是由于铁心开断而在气隙中 出现脉振磁场和反向行波磁场的效应，不论是 否考虑次级的反作用，都是存在的。
• 动态纵向边缘效应是当次级运动时，还存在的 另一种纵向边缘效应。
如图，假定次级以同步速度相对于静止的初级移动， 当时间为t0、t1、t2、t3和t4时，次级导体上的电路C的 相应位置是C0、C1、C2、C3和C4。当电路C在C1和 C3位置时，在电路C中就有感应电动势和感应电流产 生，因为这时有磁导发生变化,这种感生电流称为动态 纵向边缘效应电流，它会产生附加损耗和附加力。
悬浮原理
• 如图2所示，在导轨两侧边墙上安装8字形悬浮线圈， 当载有超导磁铁的列车通过时，在这些线圈上产生感 应电流，使列车受到向上的拉力的同时又受到向上的 斥力，从而使磁悬浮列车始终垂直悬浮于100mm高度 上。
导向原理
• 如图3所示，在导轨下悬浮线圈相互面对面连接组成闭 合回路，当磁悬浮列车通过时，在闭合回路中感应出 电流，超导磁铁使得侧部移位，导致悬浮线圈靠近车 的近端产生排斥力，另一端悬浮线圈靠近车的远端产 生吸引力。从而使磁悬浮列车总是运行在导轨的中心 位置。
在磁悬浮列车中的应用
根据吸引力与排斥力的基本原理，目前世界上 存在两种磁悬浮列车：
• 一种是德国的常导吸浮型。其采用电磁悬浮，用一般电 导线圈，以异性磁极相吸的原理，把列车吸引上来，悬 浮运行。一般由同步或异步直线电机驱动。
• 一种是日本的超导斥浮型，其列车的悬浮方式采用电动 悬浮，用低温超导线圈，以同性磁极相斥原理，使车轮 和钢轨之间产生排斥力，使列车悬浮。
应用于轨道交通的评价
• 高精工艺，提高水平
采用直线电机以后，对机电工程和土木工程本身要求 的工艺都比较高。由于要满足直线电机标称气隙10mm的 要求，直线电机位置和反应板位置变化只能维持在3mm 和4mm以内，因此对轮轨之间的几何关系以及在运行中 出现磨耗和其他因素影响，其变化的限制和恢复措施就 很严格。
基本工作原理
• 旋转电机在顶上沿径向剖开，并将 圆周拉直，便成了直线电机。直线 电机的三项绕组中通入三相对称正 弦电流后，即产生气隙磁场。