直线电机在磁悬浮列车中的应用

直线电机在磁悬浮列车上的应用

院 系： 工学院机械系

专 业： 机械设计制造及其自动化

班 级： 10机电2班

姓 名： 陈 永

学 号： 100105066

时 间： 2012年6月3日

摘 要

这篇论文介绍的是直线电机在磁悬浮列车领域的应用，随着电力电子技术、电机应用更为重要，本论文重要介绍的是国际上现在非常重视的磁悬浮列车，他的工作原理，电磁设计特点，与国际接轨，同世界站在同一个视点，同时，也介绍了我国在磁悬浮列车方面所作出的努力，以及我国在这面所潜有的能力。

电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。电动机主要由定子与转子组成。通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动电机的优缺点，以及应用范围。各种电动机中应用最广的是交流异步电动机（又称感应电动机 ），它使用方便、运行可靠、价格低廉、结构牢固，但功率因数较低，调速也较困难。大容量低转速的动力机常用同步电动机电动机（见同步电机）。同步电动机不但功率因数高，而且其转速与负载大小无关，只决定于电网频率。工作较稳定。在要求宽范围调速的场合多用直流电动机。但它有换向器，结构复杂，价格昂贵，维护困难，不适于恶劣环境。20世纪70年代以后，随着电力电子技术的发展，交流电动机的调速技术渐趋成熟，设备价格日益降低，已开始得到应用 。电动机在规定工作制式（连续式、短时运行制、断续周期运行制）下所能承担而不至引起电机过热的最大输出机械功率称为它的额定功率，使用时需注意铭牌上的规定。电动机运行时需注意使其负载的特性与电机的特性相匹配，避免出现飞车或停转。电动机能提供的功率范围很大，从毫瓦级到万千瓦级。 电动机的使用和控制非常方便，具有自起动、加速、制动、反转、掣住等能力，能满足各种运行要求；电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。下面我们就谈论下直线电动机在磁悬浮列车上的应用。

高速磁浮列车

一提到直线电机, 人们首先想到的是磁浮列车。这是很自然的, 因为磁浮列车是直线电机实际应用的最突出的例子。美、英、日、法、西德、加拿大等国都在研制直线电气机车, 其中日本进展最快, 日本国有铁道总合研究所开发的ML 一50 型直线电气机车, 采用同步直线电机驱动。定子三相绕组装在反“ T ”字形、长7 k m 的铁道上,8 个超导电磁极

装在车身上, 车身与地面用8个超导电磁极悬浮。车身长13m , 宽4m,高3 m ,自重lo t 。定子电压300ov , 电流1100 A。超导磁极线圈电流45 x 20弓A , 超导磁悬浮线圈电流25 x A , 设计时速50 0 km, 1979年12月试验时创造了时速5 17 km 的记录。日本准备在2000年前建设三条磁浮列车干线。

高速磁悬浮铁道运输有EMS 与EDS 两大系统. EMS（机车车辆侧驱动） 是一种吸引式电磁悬浮系统, EDS（轨道侧驱动） 是一种排斥式电动悬浮系统. 德国磁悬浮列车的发展经历了从长定子同步直线电动机的EDS , 到短定子异步直线电动机的EMS , 再到长定子同步直线电动机的 EMS 的过程,并最终确定了长定子EMS 的发展路线.

德国高速磁悬浮列车以其无接触式电磁悬浮、驱动和导向系统为铁路交通开辟了新的前景. 磁悬浮列车的速度高达500 km/ h , 尽管运行速度很高但能量消耗却不大,运行时没有摩擦损耗,舒适性好,对环境的影响很小[ 2 ]. 另外其悬浮和导向系统环绕导轨（即车辆从外面包着路面）,且悬浮、导向和制动功能被设计成既是冗余的又是各不相同的,因此运行时非常安全.

德国磁悬浮列车经过长达数10 年的发展,技术已趋于成熟,目前几个国家如德国、美国和中国等正考虑将长定子磁悬浮列车投入使用. 在美国,拉斯维加斯已决定在该城与洛杉矶之间的交通线上使用德国的高速磁悬浮列车;德国针对磁悬浮列车在国内的应用,也展开了大规模的调查, 莱茵走廊/ 美茵—莱茵 / 鲁尔以及北德和南德地区均属考虑之列;中国上海正在建造磁悬浮铁路,使用德国高速磁悬浮列车TR -08 技术,力争成为世界上第一条实际应用的磁悬浮铁路.

工作原理

德国TR 型磁悬浮列车无接触式的牵引技术要求采用长定子同步直线电机驱动. 电机定子铁心由015 mm 厚的电工钢片叠压而成,被固定在导轨的下部;定子三相绕组由防护电缆组成,预先成形,并由敷线车将其嵌放在导轨两侧的定子槽中. 定子三相绕组通电后,产生一个移行磁场,与布置在车辆上的悬浮（励磁） 磁铁相互作用,实现牵引. 其工作原理如图1 所示.

图1 长定子同步直线电机的工作原理图

为获得恒定的悬浮力,德国TR 型磁悬浮列车采用吸引式电磁悬浮原理,由同步电机的定子铁心与车辆上的悬浮磁铁之间形成气隙磁通产生悬浮力. 其悬浮和牵引系统合二为一,这也是德国TR 型磁悬浮列车的优势所在. 为满足列车高速运行的要求, TR 型磁悬浮列车采用独立的导向系统,线路两侧垂直地布置有钢板（导向和制动轨）,车辆两侧相应地布置有导向磁铁,它与线路的钢板形成闭合回路. 电磁铁线圈通电后,可产生足够的横向导向力,但独立导向系统增加了车的重量和线路成本[ 3 ].

因线路很长,为避免能量损失,将长定子线路分成独立区段,只在车辆所在区段接通电源,由变电站向安装在线路两侧的定子三相绕组供电. 改变三相交流电流频率,可从静止到运行速度范围内连续调整牵引力.

电磁设计特点

长定子同步直线电动机与一般旋转电机相比,设计计算大致相同,需要经过磁路计算、参数计算、额定励磁磁动势计算、励磁数据计算、损耗和效率计算几个部分[4 ]. 所不同的是设计长定子同步直线电动机时,要考虑长定子直线电机的自身特点、以及与一般旋转电机的不同之处,主要表现为:

（1） 旋转电机转子受离心力作用,直线电机转子不受离心力.

（2） 旋转电机径向单边磁拉力互相抵消,只剩下切向力,产生电磁转矩;直线电机单边磁拉力不抵消, 正好利用它作为悬浮力.

（3） 直线电机具有边缘效应.

（4） 一般旋转电机定子绕组长期工作,绕组内一直流有电流;而长定子直线电机定子绕组是短时间通电,短时工作.

综上所述,可见长定子同步直线电动机有其自身的电磁设计特点,现归纳如下:

（1） 电机极数多, 取每极每相槽数q = 1 ;为便于布置绕组, 长定子采用单层绕组, 用电缆线直接埋入.

（2） 长定子绕组短时工作, 定子绕组电流密度j1 可选得大一些.

（3） 由于每极每相槽数q = 1 且采用均匀气隙, 定子齿谐波磁动势较大, 利用其产生的一阶和二阶齿谐波磁场与装在转子励磁磁极表面上的直线发电机绕组相互作用, 在直

线发电机绕组中感应出交流电, 输出电功率. 当列车运行速度超过100 km/ h 时, 车辆所必需的励磁磁能、空调、照明装置以及辅助装置所必需的能源均由直线发电机提供.

（4） 转子不受离心力的影响, 而且气隙均匀, 因此主极不再需要模压的极靴.

（5） 利用单边磁拉力作为悬浮力, 因此直线电机除计算推力外, 还要计算悬浮力.

（ 6） 边缘效应要用有限元法计算, 对直轴同步电抗x d 、交轴同步电抗x q 和直轴瞬态电抗x d ′等参数及推力要进行适当修正.

（7）旋转同步电机的集肤效应系数KF 的计算公式不能用于直线电机, 频率f > 30 Hz 时,直线电机随频率变化的系数取 KF = 1 +0.004（f -30）. 另外,因结构不同,旋转同步电机的机械损耗和温升的计算公式均不适用于直线电机,需采用新的计算公式.

（8）悬浮和牵引系统合二为一,可根据列车重量确定电机磁路所需励磁.先由车重确定悬浮力的大小,然后计算出气隙磁密和气隙磁通,即可确定磁路所需励磁磁动势.

（9）列车重量在运行时可近似看作常数,因此悬浮力及产生悬浮力的气隙磁密基本恒定,运行时调节励磁电流以保持气隙磁密不变,可见推力大小与定子绕组电流成正比.

（10）由速度公式v=2 fτ可知,频率增加时,速度增大,运行阻力必定增大,因此所需推力及电流须相应增大,即频率最大时运行阻力最大,相应的推力及电流的稳态值也将为最大.

12）运行时保持气隙磁通不变,则电机磁路各部分的磁通密度也不变,因此磁路所需励磁磁动势一定而与频率无关.

（13）电枢反应发生在列车所在位置,电枢反应电抗及电枢反应磁动势计算与一般旋转电机相同.无列车处,定子绕组只产生漏磁通和漏电动势.

（14）由于铁耗近似与频率的1.3 次方成正比,还与气隙磁密的平方成正比,而列车重量一定时气隙磁密不变,因此铁耗只随频率变化,频率最大时铁耗最大;又由于铜耗与电流的平方成正比,而频率最大时电流稳态值最大,因此频率最大时稳态运行时的铜耗也最大.

值得庆幸的是, 我国已着手进行磁浮列车的研制工作。由铁道部科学研究院机车车辆研究所研制的T Y 一01 型基础研究试验列车的设计方案已经制定, 并正式列入国家计划项目。该车长13.7m , 宽2.95m, 高3m ,自重12.7t, 设计最高时速5腼, 由6台15.75 kw 的单边直线异步电机驱动, 常规导电磁悬浮。