直線感應(yīng)電機(jī)及其應(yīng)用山東大學(xué)電氣工程學(xué)院李光友ligy@sdu

1、直線感應(yīng)電機(jī)及其應(yīng)用直線感應(yīng)電機(jī)及其應(yīng)用山東大學(xué)電氣工程學(xué)院山東大學(xué)電氣工程學(xué)院李光友李光友2. 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理3. 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的邊端效應(yīng)4. 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路和基本特性直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路和基本特性5. 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢主要內(nèi)容主要內(nèi)容6.本人在直線電機(jī)方面開展的工作本人在直線電機(jī)方面開展的工作1. 直線電機(jī)的發(fā)展歷史直線電機(jī)的發(fā)展歷史1.直線電機(jī)的發(fā)展歷史直線電機(jī)的發(fā)展歷史 直線電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，它將電能直接轉(zhuǎn)直線電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，它將電能直

2、接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。換成直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。 在許多裝置中需要直線運(yùn)動(dòng)，若采用旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在許多裝置中需要直線運(yùn)動(dòng)，若采用旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，需要通過中間轉(zhuǎn)換裝置。中間轉(zhuǎn)換傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的存在，使整需要通過中間轉(zhuǎn)換裝置。中間轉(zhuǎn)換傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的存在，使整機(jī)存在著體積大、效率低、精度差、噪聲大等問題。機(jī)存在著體積大、效率低、精度差、噪聲大等問題。 直線電機(jī)的歷史，可追溯到直線電機(jī)的歷史，可追溯到1840 年惠斯登（年惠斯登（Wheatstone ）開）開始提出和制作了略具雛形但并不成功的直線電機(jī)。至今，已有始提出和制作了略具雛形但并不成功的直線電機(jī)。至今，已有170多年的歷史，直線電機(jī)經(jīng)歷了探索實(shí)驗(yàn)、開

3、發(fā)應(yīng)用和實(shí)用商品化三多年的歷史，直線電機(jī)經(jīng)歷了探索實(shí)驗(yàn)、開發(fā)應(yīng)用和實(shí)用商品化三個(gè)階段。個(gè)階段。 探索實(shí)驗(yàn)：探索實(shí)驗(yàn)：18401955 開發(fā)應(yīng)用：開發(fā)應(yīng)用：19561970 實(shí)用商品化：實(shí)用商品化：1971至今至今 我國的直線電機(jī)，起始于我國的直線電機(jī)，起始于20世紀(jì)世紀(jì)70年代，目前處于開發(fā)應(yīng)用和年代，目前處于開發(fā)應(yīng)用和實(shí)用商品化階段，但與世界先進(jìn)水平還有差距。實(shí)用商品化階段，但與世界先進(jìn)水平還有差距。1.直線電機(jī)的發(fā)展歷史直線電機(jī)的發(fā)展歷史1.直線電機(jī)的發(fā)展歷史直線電機(jī)的發(fā)展歷史國內(nèi)從事直線電機(jī)研究的單位：國內(nèi)從事直線電機(jī)研究的單位：浙江大學(xué)；中科院電工浙江大學(xué)；中科院電工所；河南理工大學(xué)；

4、東南大學(xué)；山東大學(xué)；西安交通大所；河南理工大學(xué)；東南大學(xué)；山東大學(xué)；西安交通大學(xué)；沈陽工業(yè)大學(xué)；太原理工大學(xué)；上海電機(jī)廠；哈爾學(xué)；沈陽工業(yè)大學(xué)；太原理工大學(xué)；上海電機(jī)廠；哈爾濱泰富電氣有限公司等。濱泰富電氣有限公司等。國內(nèi)從事直線電機(jī)研究的人員：國內(nèi)從事直線電機(jī)研究的人員：早期：早期：龍遐令；胡之光；陳世坤；顧積棟；凌金福；蔡龍遐令；胡之光；陳世坤；顧積棟；凌金福；蔡廷錫；陳永校；熊光煜；喬忠壽；袁世鷹；程樹前等廷錫；陳永校；熊光煜；喬忠壽；袁世鷹；程樹前等當(dāng)前：當(dāng)前：葉云岳；金能強(qiáng)；郭慶鼎；盧琴芬；焦留成；汪葉云岳；金能強(qiáng)；郭慶鼎；盧琴芬；焦留成；汪旭東；胡敏強(qiáng)等。旭東；胡敏強(qiáng)等。電機(jī)電機(jī)

5、旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)電機(jī) 直線電機(jī)直線電機(jī) 直線感應(yīng)電機(jī)直線感應(yīng)電機(jī)直線同步電機(jī)直線同步電機(jī)直線直流電機(jī)直線直流電機(jī)直線步進(jìn)電機(jī)直線步進(jìn)電機(jī) 直線特種電機(jī)直線特種電機(jī)變壓器變壓器 2.直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理2.1 直線電機(jī)的分類直線電機(jī)的分類2.直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理2.2 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖圖1 旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)示意圖旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)示意圖a）旋轉(zhuǎn)電機(jī)）旋轉(zhuǎn)電機(jī) b)直線電機(jī)直線電機(jī) 饋電的一側(cè)稱為饋電的一側(cè)稱為初級(jí)初級(jí)，無饋電的一側(cè)稱為，無饋電的一側(cè)稱為次級(jí)次級(jí)。靜止。靜止的一側(cè)稱為的一側(cè)稱為定

6、子定子，運(yùn)動(dòng)的一側(cè)稱為，運(yùn)動(dòng)的一側(cè)稱為動(dòng)子動(dòng)子。1）扁平型直線感應(yīng)電機(jī)）扁平型直線感應(yīng)電機(jī)圖圖2 由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變?yōu)橹本€電機(jī)的過程由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變?yōu)橹本€電機(jī)的過程a）沿徑向剖開）沿徑向剖開 b）把圓周展成直線）把圓周展成直線 直線感應(yīng)電機(jī)根據(jù)其形狀不同可分為直線感應(yīng)電機(jī)根據(jù)其形狀不同可分為扁平型、圓筒型、扁平型、圓筒型、圓弧型和圓盤型圓弧型和圓盤型4類。類。2.直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理 初級(jí)和次級(jí)長度相等的直線電機(jī)不能正常運(yùn)行，根據(jù)初級(jí)和次級(jí)長度相等的直線電機(jī)不能正常運(yùn)行，根據(jù)其長度的不同，可分為其長度的不同，可分為短初級(jí)型短初級(jí)型和和短次級(jí)型短次級(jí)型。圖圖3 單邊

7、型直線感應(yīng)電機(jī)單邊型直線感應(yīng)電機(jī)a) 短初級(jí)短初級(jí) b) 短次級(jí)短次級(jí)2.直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理圖圖4 雙邊型直線感應(yīng)電機(jī)雙邊型直線感應(yīng)電機(jī)a) 短初級(jí)短初級(jí) b）短次級(jí)）短次級(jí)2.直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電機(jī)的次級(jí)，分為磁性次級(jí)、直線感應(yīng)電機(jī)的次級(jí)，分為磁性次級(jí)、非磁性次級(jí)和復(fù)合次級(jí)三種非磁性次級(jí)和復(fù)合次級(jí)三種。磁性次級(jí)。磁性次級(jí)的材料為低碳鋼板，非磁性次級(jí)的材料的材料為低碳鋼板，非磁性次級(jí)的材料為銅或鋁，復(fù)合次級(jí)是二者的復(fù)合，如為銅或鋁，復(fù)合次級(jí)是二者的復(fù)合，如圖圖5所示。由于低碳鋼板的導(dǎo)電性能不所示。由于低碳鋼板的

8、導(dǎo)電性能不好，所以磁性次級(jí)的直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)效好，所以磁性次級(jí)的直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)效率較低。非磁性次級(jí)的直線電動(dòng)機(jī)，由率較低。非磁性次級(jí)的直線電動(dòng)機(jī)，由于次級(jí)材料的導(dǎo)磁性能差，因此功率因于次級(jí)材料的導(dǎo)磁性能差，因此功率因數(shù)較低。復(fù)合次級(jí)的直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具數(shù)較低。復(fù)合次級(jí)的直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有較好的性能指標(biāo)。有較好的性能指標(biāo)。2.直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理a) 磁性次級(jí)b) 非磁性次級(jí)c) 復(fù)合次級(jí)圖圖5 直線感應(yīng)電機(jī)的次級(jí)橫截面圖直線感應(yīng)電機(jī)的次級(jí)橫截面圖 由于直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電磁氣隙（由于直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電磁氣隙（210mm）較旋轉(zhuǎn)電機(jī)的）較旋轉(zhuǎn)電機(jī)的（0.21mm）大

9、得多，加之）大得多，加之邊端效應(yīng)邊端效應(yīng)的影響，直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率的影響，直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率較同容量旋轉(zhuǎn)電機(jī)低。因數(shù)和效率較同容量旋轉(zhuǎn)電機(jī)低。圖圖6 旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變?yōu)閳A筒型直線電機(jī)的過程旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變?yōu)閳A筒型直線電機(jī)的過程a) 旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)電機(jī) b)扁平型單邊直線電機(jī)扁平型單邊直線電機(jī) c) 圓筒型圓筒型(管型管型)直線電機(jī)直線電機(jī)2）圓筒型直線感應(yīng)電機(jī)）圓筒型直線感應(yīng)電機(jī)2.直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理3）圓弧型和圓盤形直線感應(yīng)電機(jī)）圓弧型和圓盤形直線感應(yīng)電機(jī)圖圖7 圓弧型直線電動(dòng)機(jī)圓弧型直線電動(dòng)機(jī) 圖圖8 圓盤型直線電機(jī)圓盤型直線電機(jī)2.直線感應(yīng)電機(jī)的

10、結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理2.3 直線感應(yīng)電機(jī)的工作原理直線感應(yīng)電機(jī)的工作原理圖圖9 直線電機(jī)的基本工作原理直線電機(jī)的基本工作原理 1初級(jí)初級(jí) 2次級(jí)次級(jí) 3行波磁場行波磁場 三相繞組中通入三相對(duì)稱正三相繞組中通入三相對(duì)稱正弦電流，產(chǎn)生行波氣隙磁場。其弦電流，產(chǎn)生行波氣隙磁場。其磁場移動(dòng)速度用磁場移動(dòng)速度用vs（m/s）表示，）表示，稱為稱為同步速度同步速度，且，且fvs 2式中，式中，為極距；為極距；f為電源頻率。為電源頻率。 行波磁場切割次級(jí)導(dǎo)體，感應(yīng)電動(dòng)勢并產(chǎn)生電流。電流行波磁場切割次級(jí)導(dǎo)體，感應(yīng)電動(dòng)勢并產(chǎn)生電流。電流與氣隙磁場相互作用產(chǎn)生電磁推力。次級(jí)在推力作用下順與氣

11、隙磁場相互作用產(chǎn)生電磁推力。次級(jí)在推力作用下順著行波磁場運(yùn)動(dòng)的方向作直線運(yùn)動(dòng)，動(dòng)子著行波磁場運(yùn)動(dòng)的方向作直線運(yùn)動(dòng)，動(dòng)子移動(dòng)速度用移動(dòng)速度用v表示表示，轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率用用s表示，則有表示，則有ssvvvs 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，s在在0和和1之間。之間。 2.直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理3. 直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)3.1 縱向邊端效應(yīng)及其改善縱向邊端效應(yīng)及其改善1）三相繞組不對(duì)稱引起的負(fù)序和零序磁場）三相繞組不對(duì)稱引起的負(fù)序和零序磁場 與旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同，由于直線電機(jī)的鐵心兩端是開斷的，與旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同，由于直線電機(jī)的鐵心兩端是開斷的，鐵心

12、及安置在其槽中的繞組在兩端不連續(xù)，所以各相之間鐵心及安置在其槽中的繞組在兩端不連續(xù)，所以各相之間的互感就不相等，即使在初級(jí)繞組加三相對(duì)稱的電壓，各的互感就不相等，即使在初級(jí)繞組加三相對(duì)稱的電壓，各相繞組中的電流也不對(duì)稱。利用對(duì)稱分量法可以把不對(duì)稱相繞組中的電流也不對(duì)稱。利用對(duì)稱分量法可以把不對(duì)稱的電流分解成的電流分解成正序、負(fù)序和零序分量正序、負(fù)序和零序分量。對(duì)應(yīng)這三種電流將。對(duì)應(yīng)這三種電流將產(chǎn)生產(chǎn)生正向行波磁場、反向行波磁場和脈振磁場正向行波磁場、反向行波磁場和脈振磁場。后兩類磁。后兩類磁場在次級(jí)運(yùn)行過程中將產(chǎn)生阻力并產(chǎn)生附加損耗。場在次級(jí)運(yùn)行過程中將產(chǎn)生阻力并產(chǎn)生附加損耗。2）鐵心開斷引起

13、的脈振磁場）鐵心開斷引起的脈振磁場 即使三即使三相電流對(duì)稱，相電流對(duì)稱，而直線電機(jī)而直線電機(jī)由于鐵心開由于鐵心開斷仍然會(huì)產(chǎn)斷仍然會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于初生相對(duì)于初級(jí)不移動(dòng)的級(jí)不移動(dòng)的脈振磁場。脈振磁場。圖圖10 直線電機(jī)中脈振磁場的形成直線電機(jī)中脈振磁場的形成t=0時(shí)電密和時(shí)電密和磁動(dòng)勢的分布磁動(dòng)勢的分布t=0時(shí)磁密的時(shí)磁密的分布分布t=T/4時(shí)磁動(dòng)勢時(shí)磁動(dòng)勢和磁密的分布和磁密的分布3. 直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng) 隨著時(shí)間的變化，磁動(dòng)勢曲線相對(duì)于初級(jí)鐵心是移隨著時(shí)間的變化，磁動(dòng)勢曲線相對(duì)于初級(jí)鐵心是移動(dòng)的，因此在上、下鐵心的端面之間所作用的磁動(dòng)勢將動(dòng)的，因此在上、下鐵心的端面之間所作

14、用的磁動(dòng)勢將隨時(shí)間做正弦變化。與此相對(duì)應(yīng)，分路磁通隨時(shí)間做正弦變化。與此相對(duì)應(yīng)，分路磁通sh和磁通和磁通密度密度Bsh隨時(shí)間按正弦規(guī)律脈振。這種磁場在有效區(qū)域隨時(shí)間按正弦規(guī)律脈振。這種磁場在有效區(qū)域內(nèi)與空間位置無關(guān)，因此，它與通常的行波磁場不同，內(nèi)與空間位置無關(guān)，因此，它與通常的行波磁場不同，常被稱為脈振磁場。常被稱為脈振磁場。3）靜態(tài)縱向邊端效應(yīng)）靜態(tài)縱向邊端效應(yīng) 鐵心開斷所產(chǎn)生的脈振磁場、反向磁場存在的現(xiàn)象，鐵心開斷所產(chǎn)生的脈振磁場、反向磁場存在的現(xiàn)象，稱為直線感應(yīng)電機(jī)的稱為直線感應(yīng)電機(jī)的靜態(tài)縱向邊端效應(yīng)靜態(tài)縱向邊端效應(yīng)。3. 直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)4）動(dòng)態(tài)縱向邊端效

15、應(yīng)）動(dòng)態(tài)縱向邊端效應(yīng)圖圖11 直線感應(yīng)電機(jī)的縱向邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電機(jī)的縱向邊端效應(yīng) 對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，轉(zhuǎn)子以同步速對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，轉(zhuǎn)子以同步速旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢和電流等于和電流等于0。 而對(duì)于直線電動(dòng)機(jī)，次級(jí)以同而對(duì)于直線電動(dòng)機(jī)，次級(jí)以同步速移動(dòng)，當(dāng)時(shí)間為步速移動(dòng)，當(dāng)時(shí)間為t0、t1、t2、t3和和t4時(shí)，次級(jí)導(dǎo)體上電路時(shí)，次級(jí)導(dǎo)體上電路C的相的相應(yīng)位置是應(yīng)位置是C0，C1，C2，C3和和C4。當(dāng)當(dāng)C在在C0、C2和和C4位置時(shí)，電路位置時(shí)，電路中沒有感應(yīng)電動(dòng)勢；但是當(dāng)中沒有感應(yīng)電動(dòng)勢；但是當(dāng)C在在C1和和C3位置時(shí)，在電路位置時(shí)，在電路C中就有中就有感應(yīng)電動(dòng)勢

16、和電流產(chǎn)生。感應(yīng)電動(dòng)勢和電流產(chǎn)生。這種感生電流稱為這種感生電流稱為動(dòng)態(tài)縱向邊端效應(yīng)電流動(dòng)態(tài)縱向邊端效應(yīng)電流，它會(huì)產(chǎn)生附加損耗和附加力。，它會(huì)產(chǎn)生附加損耗和附加力。3. 直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)5）削弱縱向邊端效應(yīng)的方法）削弱縱向邊端效應(yīng)的方法方法方法1：三相繞組換位接法：三相繞組換位接法圖圖12 消除負(fù)序和零序電流的一種方法消除負(fù)序和零序電流的一種方法a) 第一臺(tái)電機(jī)；第一臺(tái)電機(jī)；b) 第二臺(tái)電機(jī)；第二臺(tái)電機(jī)；c) 第三臺(tái)電機(jī)；第三臺(tái)電機(jī)；c）三相繞組換位的）三相繞組換位的Y接；接； e) 三相繞組換位的三相繞組換位的接接3. 直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)方

17、法方法2：增加極數(shù)：增加極數(shù) 當(dāng)電機(jī)的極數(shù)大于當(dāng)電機(jī)的極數(shù)大于6時(shí)，脈振磁通可忽略不計(jì)。與旋轉(zhuǎn)時(shí)，脈振磁通可忽略不計(jì)。與旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同，電機(jī)不同，直線電機(jī)的極數(shù)可以是奇數(shù)直線電機(jī)的極數(shù)可以是奇數(shù)。方法方法3：裝補(bǔ)償元件：裝補(bǔ)償元件 由于直線電機(jī)兩端是斷開的，實(shí)際槽數(shù)必須大于極數(shù)由于直線電機(jī)兩端是斷開的，實(shí)際槽數(shù)必須大于極數(shù)要求的槽數(shù)，對(duì)于雙層繞組，邊端有單層的槽，為減小邊要求的槽數(shù)，對(duì)于雙層繞組，邊端有單層的槽，為減小邊端效應(yīng)的影響，可在相應(yīng)的半槽中安放補(bǔ)償元件。端效應(yīng)的影響，可在相應(yīng)的半槽中安放補(bǔ)償元件。3. 直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng) 圖圖13 補(bǔ)償原件安裝位置示意圖補(bǔ)償原

18、件安裝位置示意圖3. 直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)3.2 橫向邊端效應(yīng)及其改善橫向邊端效應(yīng)及其改善1）橫向邊端效應(yīng)）橫向邊端效應(yīng)圖圖14 次級(jí)電流路徑次級(jí)電流路徑 一般直線感應(yīng)電機(jī)的一般直線感應(yīng)電機(jī)的次級(jí)是導(dǎo)電板，而不是鼠次級(jí)是導(dǎo)電板，而不是鼠籠條，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，次級(jí)籠條，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，次級(jí)板中的電流如圖板中的電流如圖14所示，所示，電流不但有橫向分量，還電流不但有橫向分量，還有縱向分量?？v向分量的有縱向分量。縱向分量的存在，產(chǎn)生存在，產(chǎn)生橫向邊端效應(yīng)橫向邊端效應(yīng)。橫向邊端效應(yīng)使次級(jí)的等橫向邊端效應(yīng)使次級(jí)的等效電阻增大。效電阻增大。3. 直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)

19、2）削弱橫向邊端效應(yīng)的措施）削弱橫向邊端效應(yīng)的措施 適當(dāng)加大次級(jí)板的寬度，如圖適當(dāng)加大次級(jí)板的寬度，如圖15所示。所示。圖圖15 次級(jí)伸出的雙邊直線感應(yīng)電機(jī)的橫截面圖次級(jí)伸出的雙邊直線感應(yīng)電機(jī)的橫截面圖3. 直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)4. 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路和基本特性直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路和基本特性圖圖16 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路Rf為邊端作用有效部分功率等為邊端作用有效部分功率等效電阻初級(jí)換算值；效電阻初級(jí)換算值；RL為邊端為邊端效應(yīng)無效部分功率等效電阻初效應(yīng)無效部分功率等效電阻初級(jí)換算值。由該等效電路可進(jìn)級(jí)換算值。由該等效電路可進(jìn)行各種定

20、量計(jì)算。行各種定量計(jì)算。 與旋轉(zhuǎn)電機(jī)類似，直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路如圖與旋轉(zhuǎn)電機(jī)類似，直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路如圖16所示。由于直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)鐵心中磁密一般較低，所示。由于直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)鐵心中磁密一般較低，鐵耗可鐵耗可忽略忽略不計(jì)，不計(jì)，次級(jí)板的漏電抗較小也可忽略次級(jí)板的漏電抗較小也可忽略不計(jì)。不計(jì)。Re為邊端為邊端效應(yīng)消耗功率的等效電阻效應(yīng)消耗功率的等效電阻初級(jí)換算值；初級(jí)換算值；4.1 等效電路等效電路1）推力）推力-速度特性速度特性4.2 基本特性基本特性圖圖17 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)感應(yīng)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)感應(yīng) 電動(dòng)機(jī)的推力電動(dòng)機(jī)的推力-速度特性的比較速度特性的比較圖圖18 近似直線的

21、推力近似直線的推力-速度特性速度特性 Fst為起動(dòng)推力，為起動(dòng)推力，Vs為同步速度，為同步速度，F(xiàn)u為摩擦力，為摩擦力，Vf為空載速度為空載速度4. 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路和基本特性直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路和基本特性2）推力）推力-氣隙特性氣隙特性3）電流）電流-氣隙特性氣隙特性圖圖19 推力推力-氣隙特性氣隙特性圖圖20 電流電流-氣隙特性氣隙特性4. 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路和基本特性直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路和基本特性隨著氣隙的增加，電流增加，推力減小。隨著氣隙的增加，電流增加，推力減小。4）推力）推力-電壓特性電壓特性圖圖22 推力推力-線電壓特性線電壓特性5）推力）推力-功率特性功率

22、特性圖圖23 推力推力-輸入功率特性輸入功率特性4. 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路和基本特性直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路和基本特性5. 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢5.1 軌道交通軌道交通由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軌道交通稱為直線電機(jī)軌道交通。由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軌道交通稱為直線電機(jī)軌道交通。直線電機(jī)軌道交通直線電機(jī)軌道交通 磁懸浮軌道交通磁懸浮軌道交通直線電機(jī)輪軌交通直線電機(jī)輪軌交通直線電機(jī)單軌交通直線電機(jī)單軌交通直線電機(jī)氣浮軌道交通直線電機(jī)氣浮軌道交通直線感應(yīng)電機(jī)輪軌交通直線感應(yīng)電機(jī)輪軌交通 我國的直線電機(jī)地鐵已建成的有北京國際機(jī)場線、廣州我國的直線電機(jī)地鐵已建成的有北京國際機(jī)場線、

23、廣州4、5、6號(hào)地鐵線。采用直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，長次級(jí)短初級(jí)結(jié)構(gòu)。短初級(jí)裝號(hào)地鐵線。采用直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，長次級(jí)短初級(jí)結(jié)構(gòu)。短初級(jí)裝在車上，長次級(jí)（感應(yīng)板）鋪設(shè)在軌道中間，初、次級(jí)相互作用產(chǎn)生在車上，長次級(jí)（感應(yīng)板）鋪設(shè)在軌道中間，初、次級(jí)相互作用產(chǎn)生推力。依靠鋼輪推力。依靠鋼輪-鋼軌系統(tǒng)進(jìn)行支撐和導(dǎo)向。世界上大部分直線電機(jī)鋼軌系統(tǒng)進(jìn)行支撐和導(dǎo)向。世界上大部分直線電機(jī)輪軌交通采用這種方式。輪軌交通采用這種方式。圖圖25 北京國際機(jī)場線線路圖北京國際機(jī)場線線路圖圖圖24 北京國際機(jī)場線北京國際機(jī)場線5. 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢圖圖26 長次級(jí)感應(yīng)板長次級(jí)感應(yīng)板

24、圖圖27 分段長初級(jí)分段長初級(jí)5. 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線電機(jī)輪軌交通系統(tǒng)的特點(diǎn)直線電機(jī)輪軌交通系統(tǒng)的特點(diǎn)1) 爬坡能力強(qiáng)爬坡能力強(qiáng) 由于車輛的運(yùn)動(dòng)是依靠直線電機(jī)所產(chǎn)生的電磁力來推進(jìn)，而車輛由于車輛的運(yùn)動(dòng)是依靠直線電機(jī)所產(chǎn)生的電磁力來推進(jìn)，而車輛車輪僅起支撐承載作用，不傳遞力，不再受到輪軌黏著因素的制約。車輪僅起支撐承載作用，不傳遞力，不再受到輪軌黏著因素的制約。因此，車輛可以獲得很強(qiáng)的起動(dòng)、加速和減速動(dòng)力性能，尤其具有突因此，車輛可以獲得很強(qiáng)的起動(dòng)、加速和減速動(dòng)力性能，尤其具有突出的爬坡能力，線路最大坡度可以允許在出的爬坡能力，線路最大坡度可以允許在8%

25、以上，傳統(tǒng)的地鐵車輛最以上，傳統(tǒng)的地鐵車輛最大允許大允許3%，并能在惡劣的環(huán)境和軌面條件下保持良好的性能。，并能在惡劣的環(huán)境和軌面條件下保持良好的性能。圖圖28 爬坡能力的比較爬坡能力的比較5. 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢2) 轉(zhuǎn)彎半徑小轉(zhuǎn)彎半徑小 由于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，車由于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，車輪不再傳遞牽引輪不再傳遞牽引/制動(dòng)力，所以軸制動(dòng)力，所以軸箱定位結(jié)構(gòu)可以大大簡化，這樣箱定位結(jié)構(gòu)可以大大簡化，這樣就很容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單的徑向轉(zhuǎn)就很容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單的徑向轉(zhuǎn)向架，提高了車輛的曲線通過性向架，提高了車輛的曲線通過性能和運(yùn)行平穩(wěn)性。由于轉(zhuǎn)向架具能和運(yùn)行平穩(wěn)性。由

26、于轉(zhuǎn)向架具有徑向功能且軸距小，使地鐵運(yùn)有徑向功能且軸距小，使地鐵運(yùn)營線路的最小曲線半徑可低到營線路的最小曲線半徑可低到80m左右，傳統(tǒng)的地鐵車輛要左右，傳統(tǒng)的地鐵車輛要250m以上。以上。 圖圖29 轉(zhuǎn)彎半徑的比較轉(zhuǎn)彎半徑的比較5. 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢3) 橫斷面結(jié)構(gòu)的小型化橫斷面結(jié)構(gòu)的小型化 由于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式不需要中間傳動(dòng)裝置，因此可以采用小的由于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式不需要中間傳動(dòng)裝置，因此可以采用小的車輪直徑車輪直徑610mm，傳統(tǒng)地鐵車輛為，傳統(tǒng)地鐵車輛為860mm。再者，由于不需要旋轉(zhuǎn)。再者，由于不需要旋轉(zhuǎn)電機(jī)的懸掛安裝空間，車輛地板面可降至距軌面

27、電機(jī)的懸掛安裝空間，車輛地板面可降至距軌面700mm，傳統(tǒng)地鐵，傳統(tǒng)地鐵車輛為車輛為1100mm以上。綜合各項(xiàng)小型化措施，使該型地鐵車輛的橫斷以上。綜合各項(xiàng)小型化措施，使該型地鐵車輛的橫斷面面積大大減小，與傳統(tǒng)地鐵車輛相比大約減少面面積大大減小，與傳統(tǒng)地鐵車輛相比大約減少40%。圖圖30 普通地鐵與直線電機(jī)地鐵隧道斷面比較普通地鐵與直線電機(jī)地鐵隧道斷面比較5. 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢4) 降低振動(dòng)和噪聲降低振動(dòng)和噪聲 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的地鐵車輛，沒有齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的地鐵車輛，沒有齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒合振動(dòng)和噪聲；合振動(dòng)和噪聲； 車輪也不是驅(qū)動(dòng)輪，沒有動(dòng)力

28、輪對(duì)與鋼軌蠕滑滾動(dòng)車輪也不是驅(qū)動(dòng)輪，沒有動(dòng)力輪對(duì)與鋼軌蠕滑滾動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲；產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲； 徑向轉(zhuǎn)向架良好的曲線通過性能，避免了過曲線時(shí)徑向轉(zhuǎn)向架良好的曲線通過性能，避免了過曲線時(shí)輪軌沖角帶來的振動(dòng)和噪聲。所以該型地鐵車輛具有振輪軌沖角帶來的振動(dòng)和噪聲。所以該型地鐵車輛具有振動(dòng)小，噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，有利于環(huán)境保護(hù)。動(dòng)小，噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，有利于環(huán)境保護(hù)。5. 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢5) 良好的安全性和可靠性良好的安全性和可靠性 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)地鐵車輛是典型的非黏著驅(qū)動(dòng)方式，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)地鐵車輛是典型的非黏著驅(qū)動(dòng)方式，牽引牽引/制動(dòng)性能發(fā)揮不依賴于環(huán)境，是一種全天

29、候的運(yùn)載制動(dòng)性能發(fā)揮不依賴于環(huán)境，是一種全天候的運(yùn)載工具。工具。 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電磁力的分力是輪軌間產(chǎn)生一定的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電磁力的分力是輪軌間產(chǎn)生一定的附加壓力，有利于提高輪軌運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，因此其安全附加壓力，有利于提高輪軌運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，因此其安全性指標(biāo)高。性指標(biāo)高。 取消了旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所必需的滾動(dòng)軸承、傳動(dòng)齒輪，取消了旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所必需的滾動(dòng)軸承、傳動(dòng)齒輪，磨損小，大大提高了車輛運(yùn)行的可靠性和可維護(hù)性，維磨損小，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。修工作量較小，維護(hù)成本較低。5. 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢6) 良好的編組靈活性

30、和運(yùn)營適應(yīng)性良好的編組靈活性和運(yùn)營適應(yīng)性 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的地鐵車輛具有比傳統(tǒng)車輛更強(qiáng)的加減直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的地鐵車輛具有比傳統(tǒng)車輛更強(qiáng)的加減速性能，有更高的停車位置控制精度，因此更容易實(shí)現(xiàn)小速性能，有更高的停車位置控制精度，因此更容易實(shí)現(xiàn)小編組，高密度，自動(dòng)駕駛的運(yùn)行模式。編組，高密度，自動(dòng)駕駛的運(yùn)行模式。 可以以可以以26輛靈活編組，適應(yīng)不同的客流量需要。輛靈活編組，適應(yīng)不同的客流量需要。 采用鋼車輪和鋼軌來支撐和引導(dǎo)車輛運(yùn)行，所以仍可采用鋼車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(hào)系統(tǒng)來實(shí)采用長期運(yùn)用成熟的、安全可靠的軌道電路信號(hào)系統(tǒng)來實(shí)行對(duì)列車的信號(hào)傳輸

31、，運(yùn)行監(jiān)控和集中調(diào)度，運(yùn)營適應(yīng)性行對(duì)列車的信號(hào)傳輸，運(yùn)行監(jiān)控和集中調(diào)度，運(yùn)營適應(yīng)性較好。較好。5. 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢7) 低效率、低功率因數(shù)低效率、低功率因數(shù) 地鐵車輛上工程應(yīng)用的直線電機(jī)，由于車載定子與地地鐵車輛上工程應(yīng)用的直線電機(jī)，由于車載定子與地面轉(zhuǎn)子是處在一個(gè)相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)的彈性面轉(zhuǎn)子是處在一個(gè)相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)的彈性(軸箱垂向彈性定軸箱垂向彈性定位位)系統(tǒng)間，不可避免地會(huì)造成相互間隙變化，因此氣隙系統(tǒng)間，不可避免地會(huì)造成相互間隙變化，因此氣隙設(shè)計(jì)的不能太小，否則會(huì)導(dǎo)致不安全因素，一般定在設(shè)計(jì)的不能太小，否則會(huì)導(dǎo)致不安全因素，一般定在12mm左右。再加上

32、直線電機(jī)是有端部的，因此漏磁場較左右。再加上直線電機(jī)是有端部的，因此漏磁場較大，機(jī)電能量轉(zhuǎn)化率低，所以直線電機(jī)效率較低，一般在大，機(jī)電能量轉(zhuǎn)化率低，所以直線電機(jī)效率較低，一般在70%80%之間，功率因數(shù)也較低，一般在之間，功率因數(shù)也較低，一般在0.50.6之間。之間。5. 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢項(xiàng)目MK型車輛東京大江戶線廣州地鐵4號(hào)線極數(shù)688電壓/V57011001100持續(xù)電流/A400170162峰值電流/A550210最大推力/kN18.613.2最大功率/kW187120155吸力/kN2526重量/kg64014001550長度/m2.23鐵心長度/m1.952.476寬度/m0.6