《新型城市轨道交通》第五讲直线电机轨道交通.docx

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《新型城市轨道交通》第五讲直线电机轨道交通

新型城市轨道交通

主讲刘景军

2010年3月

上海工程技术大学城市轨道交通学院

新型城市轨道交通

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新型城市轨道交通

第五讲直线电机轨道交通

1、直线电机的发展历史

2、直线电机的基本原理

3、直线电机轨道交通的特点

4、直线电机轨道交通的应用情况

直线电机的由来

☐一般电动机工作时都是转动的．但是用旋转的电机驱动的交通工具（比如电动机车和城市中的电车等）需要做直线运动，用旋转的电机驱动的机器的一些部件也要做直线运动，这就需要增加把旋转运动变为直线运动的一套装置，能不能直接运用直线运动的电机来驱动，从而省去这套装置，人们就提出了这个问题，现在已制成了直线运动的电动机，即直线电机。

概述

☐直线电机结构可以根据需要制成扁平型、圆筒型或盘型等各种型式。

它与其他非直线电机驱动的装置相比，具有以下优点：

Ø采用直线电机驱动的传动装置，不需要任何转换装置而直接产生推力。

它可以省去中间转换机构，简化了整个装置或系统，而且运行可靠、效率提高、易于维护、降低成本。

Ø普通旋转电机由于受离心力的作用，其圆周速度受到限制，而直线电机运行时，它的直线速度可以不受限制。

Ø直线电机是通过电能直接产生电磁推力的，其运动可以无机械接触，大大减小了机械损耗。

Ø旋转电机通过钢绳、齿条、传动带等转换机构转换成直线运动，噪声是不可避免的，而直线电机是靠电磁力驱动装置运行的，噪声很小或无噪声。

Ø直线电机结构简单，初级铁心在嵌线后可用环氧树脂等密封成整体，可在潮湿、腐蚀或有害和高低温环境中使用。

Ø直线电机散热效果好，特别是常用的扁平型短初级直线电机，初级的铁心和绕组端部，直接暴露在空气中，同时次级很长，热量容易散发，热负荷可取较高值，不需要附加冷却装置。

☐直线电机主要有两方面不足：

Ø与同容量旋转电机相比，直线电机的效率和功率要素要低，尤其是在低速时比较明显。

主要原因：

一是直线电机初、次级气隙一般比旋转电机的气隙要大，因此所需的磁化电流较大，使损耗增加；二是由于直线电机初级铁心两端开断，产生了所谓的边端效应，从而引起波形畸变等问题，也导致损耗增加，但从整个系统来看，直线电机省去中间传动装置，系统的效率有时还会比旋转电机的系统高。

Ø直线电机特别是直线感应电动机的起动推力，受电源电压的影响较大，故需采取有关措施保证电源灯的稳定或改变电机的有关特性来减少或消除这种影响。

1、直线电机的发展历史

☐1840年Wheatsone开始提出和制作了略具雏形的直线电机。

从那时至今，在160多年的历史中，直线电机经历了三个时期。

☐1840～1955年为探索实验时期：

从1840年到1955年的116年期间，直线电机从设想到实验到部分实验性应用，经历了一个不断探索，屡遭失败的过程。

自从Wheatsone提出和试制了直线电机以后，最早明确地提到直线电机文章的是1890年美国匹兹堡市的市长，在他所写的一篇文章中，首先明确地提到了直线电机以及它的专利。

然而，由于当时的制造技术、工程材料以及控制技术的水平，在经过断断续续20多年的顽强努力后，最终却未能获得成功。

☐至1905年，曾有两人分别建议将直线电动机作为火车的推进机构，一种建议是将初级放在轨道上，另一种建议是将初级放在车辆底部。

这些建议无疑是给当时直线电机研究领域的科研人员的一剂兴奋剂，以致许多国家的科研人员都投入了这些研究工作。

☐1917年出现了第一台圆筒形直线电动机，事实上那是一种具有换接初级线圈的直流磁阻电动机，人们试图把它作为导弹发射装置，但其发展并没有超出模型阶段。

☐至此，从1930~1940年期间，直线电机进入了实验研究阶段，在这个阶段中，科研人员获取驭了大量的实验数据，从而对已有理论有了更深一层的认识，奠定了直线电机在今后的应用基础。

☐从1940～1955年期间世界一些发达国家科研人员，在实验的基础上，又进行了一些实验应用工作。

☐1945年，美国西屋电气公司首先研制成功的电力牵引飞机弹射器，它以7400kW的直线电动机为动力，成功地用4.1s的时间将一架重4535kg的喷气式飞机在165m的行程内由静止加速的188km/h的速度，它的试验成功，使直线电动机可靠性好等优点受到了应有的重视，随后，美国利用直线电机制成的、用作抽汲钾、钠等液态金属的电磁泵，为的是核动力中的需要。

☐1954年，英国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直流直线电机制成了发射导弹的装置，其速度可达1600km/h。

在这个阶段中，尤需值得一提的是，直线电机作为高速列车的驱动装置得到了各国的高度重视并计划予以实施。

☐在1840～1955年期间，是直线电机探索实验和部分实验应用时期，在直线电机与旋转电机的相互竞争中，由于直线电机的成本和效率方面没有能够战胜旋转电机，或者说，直线电机还没能找到唯独它能解决问题的领域，以及直线电机在设计方面也没有突破性的成功，所以直线电机在这一时期始终未能得到真正的应用。

1、直线电机的发展历史

☐1956～1970年为开发应用时期：

☐自1955年以来，直线电机进入了全面的开发阶段，特别是该时期的控制技术和材料的惊人发展，更加助长了这种势头。

在这段时期，申请直线机的专利件数也开始急速增加，该时期直线电机专利的增长率超过了所有其他技术领域的平均增长率。

☐到1965年以后，随着控制技术和材料性能的显著提高，应用直线电机的实用设备被逐步开发出来，例如采用直线电机的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。

1、直线电机的发展历史

☐1971年至今为实用商品时期：

☐从1971年开始到目前的这个阶段，直线电机终于进入了独立的应用时代，各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置和产品，例如直线电机驱动的钢管输送机、运煤机、起重机、空压机、冲压机、拉伸机、各种电动门、电动窗、电动纺织机等等。

特别可喜的是利用直线电机驱动的磁悬浮列车，其速度已超500km/h，接近了航空的飞行速度，且试验行程累计已达数十万千米。

☐在这个时期，直线电机领域的研究人员通过对直线电机在历史发展中多次起落的分析，终于选择了一条适合直线电机自身发展的独特思路，它不再与旋转电机直接对抗，不以单机的形式与旋转电机竞争，而以直线电机系统与旋转电机系统相比，从而找到适合于自己的系统与旋转电机展开竞争，在旋转电机无能为力的地方寻找自己的位置。

例如，直线电机应用于磁悬浮列车，液态金属的输送和搅拌，电子缝纫机和磁头定位装置，直线电机冲压机等等。

☐直线电机走自己的道路，在满足人类需求的过程中求得自身的发展。

在世界上一些发达国家，许多人和不少著名电气企业均在研究和开发直线电机产品，例如美国的西屋（Westinghouse）公司、德国的西门子（SIEMENS）公司、英国、法国、瑞典，特别是日本，其人员之多和范围之广是世界首屈的。

☐我国直线电机的研究和应用发展是从20世纪70年代初开始的。

主要成果有工厂行车、电磁锤、冲压机、摩擦压力机、磁分选机、玻璃搅拌、拉伸机、送料机、粒子加速器、邮政分拣机、矿山运输系统、计算机磁盘定位系统、自动绘图仪、直线电机驱动遥控（电动）窗帘机、直线电机驱动门、炒茶机等，我国直线电机研究虽然也取得了一些成绩，但也国外相比，其推广应用方面尚存在很大差距。

直线电机轨道交通发展状况

☐磁悬浮系统也是直线电机牵引系统之一，但由于该系统除了应用直线电机牵引的功能外，还应用它的悬浮和导向功能，因此它的原理、结构和其它配套系统方面与传统的轮轨系统有着比较大的差别，而且从发展的观点看磁浮系统除了目前已开发的在大气条件下的运行外，将来还可能发展部分气压和真空条件下的运行，将会成为一个新型的运输模式和网络。

☐而直线电机牵引的城市轨道交通，除不依赖轮轨黏着推进外，其原理、结构和其它配套系统基本上与传统的轮轨系统差别不大。

☐直线电机应用于城市轨道交通的非黏着驱动方式的系统，是从1975年4月由加拿大安大略省通过市区运输发展公司（UTDC）最初阶段是提出一个中等容量运输系统（ICTS）以满足公众的需要，这些地区是不必要或不能有效地使用大运量地铁系统的。

☐这个计划最主要的是确定运作需求，需求的原则目标为包括使用一个环境可接受的高架系统以降低系统造价；并具有高服务水平和能够降低运营费用。

☐1976年确定和调整了第一、第二阶段研究；

☐1980年第三阶段提出了样机；

☐1983年第四阶段生产了样机；

☐1984年第五阶段进行运营。

☐其后又修建了包括1984年多伦多Scarborough的快速运输线，1986年温哥华的ALRT（AdvancedLightRapidTransit）系统，1987年底特律市区的乘客运输系统DPM（DowntownPeopleMover），1994年动工1998年初投入运营服务的马来西亚吉隆坡轻轨系统中的PUTRA线。

☐而1981年设计，1982年施工，1986年1月2日正式运营，贯穿大温哥华、伯那比和威斯敏斯特地区的运载系统，就成为第一条投入运营的城市轨道交通直线电机牵引的运载系统。

☐自1865年伦敦出现第一条地下铁道后，经过一个多世纪的发展，已逐步从单一的传统黏着牵引的轮轨式地铁发展成为由传统轮轨系统、直线电机牵引轮轨系统（下面简称“直线电机系统”）、直线电机牵引磁悬浮系统（下面简称磁悬浮系统）、胶轮运载系统等多种模式组成的城市轨道交通体系。

☐直线电机系统是一种新型的城市轨道交通系统。

新型的牵引技术使列车可安全平稳地行进在陡坡和急转弯的线路上，使在线路规划中具有较大的自由度、乘坐舒适、运营不受天气状况的影响；在环境问题上考虑周到，低噪声、景观好；较低的建设和维护成本使其极为经济，各方面显著的优越性将使直线电机系统成为21世纪理想的新型交通系统。

2、直线电机的基本原理

☐直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。

它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成，由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。

在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。

直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。

考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。

☐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。

☐初级中通以交流，次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动．这时初级要做得很长，延伸到运动所需要达到的位置，而次级则不需要那么长．实际上，直线电机既可以把初级做得很长，也可以把次级做得很长；既可以初级固定、次级移动，也可以次级固定、初级移动。

☐直线电机牵引原理直线电机一般分为直线同步电机和直线感应电机两种类型，城市轨道交通中一般使用直线感应电机（LIM），简称直线电机。

☐直线感应电机的工作原理类似于传统的旋转感应电机，可以理解为旋转感应电机的渐进线是线型的。

即将旋转感应电机静止的定子〔电磁铁和线圈〕安装在车辆的转向架上、将旋转的转子〔感应板〕平铺设置在线路轨道的中间，当电流通过直线电机的电磁铁线圈时，会产生向前方向的磁场。

通过与轨道感应板的相互作用产生牵引力，推动列车前进；改变磁场的方向，则使列车后退。

直线电机的分类

☐直线电机，特别是直线感应电动机，按其动能用途主要可分为力电机、功电机和能电机。

Ø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、低速运行为主，例如阀门的开闭、门窗的移动等。

这种电机的效率较低，甚至为零（如在静止物体上施加推力时，效率为零），因此，对这类电机是用推力/功率的比值来衡量，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。

Ø功电机主要用作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，可用效率、功率因素等指标来评价，例如，高速磁浮列车用的直线电机、各种高速运行的输送线等。

Ø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、冲击、碰撞等试验机的驱动等，这类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）。

☐直线电机按其工作原理可分为两大方面，即直线电动机和直线驱动器。

Ø直线电动机包括交流直线感应电动机（LinearInductionMotors，简称LIM）、交流直线同步电动机（LinearSynchronousMotors，简称LSM）、直线直流电动机（LinearDCMotors，简称LDM）和直线步进（脉冲）电动机（LinearStepper（Pulse）Motors，简称LPM）、混合式直线电动机（LinearHybridMotors，简称LHM）等。

☐直线驱动器包括直线振荡电动机（LinearOscillatingMotors，简称LOM）、直线电磁螺线管电动机（LinearElectricSolenoi，简称LES）、直线电磁泵（LinearElectromagneticPump，简称LEP）、直线超声波电动机（LinearUltrasonicMotors，简称LUM）等。

应用在磁浮列车中，主要是前两种。

3、直线电机轨道交通的特点

☐直线电机系统主要技术介绍直线电机系统在运营、设备及经济方面具有极高的先进性，以下介绍直线电机在技术设备方面的特点：

☐1、采用直线电机牵引技术，具有优良的动力性能和爬坡能力直线电机系统是全自动无人驾驶系统，其牵引动力采用直线电机，车轮仅起承载的作用，列车的牵引力不受轮轨之间粘着条件的影响，所以能获得优良的动力性能和爬坡能力。

其线路的最大坡度理论上可达到100‰，目前可实现80‰，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，降低工程造价。

3、直线电机轨道交通的特点

☐2、采用最新控制系统，控制更加灵活直线电机系统车辆通过第三轨受流器供电，第四轨回流。

取电可靠，并避免了迷流锈蚀作用。

由车上的逆变器系统将直流电压转换成幅值、频率均可调整的三相交流电。

通过改变电压与频率，来控制磁场的变化，实现列车的启动、加速和制动。

3、直线电机轨道交通的特点

☐3、采用安全、可靠、低噪声的制动系统直线电机系统车辆采用再生电制动系统，产生的再生能源返回供电网，为其他列车使用。

液压圆盘制动作为进一步的停车制动。

每辆车还安装有4个磁轨制动器，通电后，产生巨大吸力与轨道吸附，可提供紧急制动。

避免了采用空气压缩机带来的价格高、噪声大的缺点。

同时，减少了对制动闸瓦的维护。

3、直线电机轨道交通的特点

☐4、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。

由于采用了径向转向架，车辆通过曲线时车轮轮缘方向与曲线方向始终一致，使线路最小曲线半径可减少到为80m，有利于选线，避开地下和地面建筑物，减少拆迁工作量，降低工程造价。

3、直线电机轨道交通的特点

☐5、直线电机与感应板之间气隙高度的控制技术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。

感应板与直线电机车辆配合界面之间的气隙高度应调整控制在12mm左右。

☐6、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。

☐7.维护和检修量大大降低由于车辆采用直线电机非粘着式牵引，没有旋转电机和齿轮箱等传动机构，检修量大大降低。

直线电机国内外应用情况

☐国内外直线电机系统应用情况直线电机技术作为一种较为成熟的技术，目前在加拿大温哥华空中列车Skytrain系统、马来西亚吉隆坡PUTRAⅡ线、美国纽约JFK（肯尼迪）国际机场线、日本大阪7号线（鹤见绿地线）、东京地铁12号线（大江户线）、斯卡伯勒快速运输系统、底特律市区运输系统等7条线得到了应用。

50km的温哥华空中列车是目前世界上最长的直线电机地铁，到2002年创造了高效可靠运营10亿km的记录。

直线电机国内外应用情况

☐在日本，直线电机系统作为先进的城市轨道交通系统得到发展。

直线电机地铁已在东京和大阪使用，并不断扩充。

此外，神户、福冈、横滨均采用了直线电机系统。

☐在我国，广州地铁4、5、6号线也将准备采用直线电机牵引技术。

直线电机地铁的特点

☐直线电机地铁车辆是非粘着驱动方式

☐与传统的旋转电机地铁车辆相比，具有工程造价低、运营成本低、噪音低、爬坡能力强、曲线通过能力强、维护简单等诸多优越性能

☐适合大坡度、转弯多、城市地质结构复杂的区域内运行

☐目前世界上只有加拿大、日本两个国家拥有此项技术，全球仅有十余条地铁线路使用该车辆。

直线电机的应用

☐  直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形，它可以看作是一台旋转电机沿其径向剖开，然后拉平演变而成。

近年来，随着自动控制技术和微型计算机的高速发展，对各类自动控制系统的定位精度提出了更高的要求，在这种情况下，传统的旋转电机再加上一套变换机构组成的直线运动驱动装置，已经远不能满足现代控制系统的要求，为此，近年来世界许多国家都在研究、发展和应用直线电机，使得直线电机的应用领域越来越广。

直线电机与旋转电机相比，主要有如下几个特点：

☐一是结构简单，由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大大地下降；

☐二是定位精度高，在需要直线运动的地方，直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位精度高，如采用微机控制，则还可以大大地提高整个系统的定位精度；

☐三是反应速度快、灵敏度高，随动性好。

直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性；

☐四是工作安全可靠、寿命长。

直线电机可以实现无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零，所以故障少，免维修，因而工作安全可靠、寿命长。

加拿大温哥华直线电机轨道交通

☐Skytrain是温哥华城市铁路系统的称呼，在这里华裔给了它一个直接却形象的称呼：

天车。

☐温哥华是加拿大西部的工业中心，大温哥华地区由20多个城市构成，人口约210万，是加拿大第三大城市群、位居多伦多、蒙特利尔之后，是加拿大西部最大的城市，同时也是北美第三大海港和国际贸易的重要中转站，是世界主要小麦出口港之一。

主要依靠林业资源，发展旅游、垂钓和冶金。

☐加拿大西部城市温哥华（Vancouver）多次被一些机构评选为全球最宜人居城市。

广州直线电机地铁

☐广州（别名五羊城、花城）是中国大陆第三大经济城市，广东省省会，华南地区政治、经济、科技、教育和文化中心；中国最重要的交通枢纽之一。

☐总面积为7434.4平方公里。

10个区、2个县级市。

市区面积3843.43平方公里。

☐人口1000万。

☐2010年在广州举办第16届亚洲运动会。

☐海心塔是广州新电视塔，将于2009年9月建成，包括发射天线在内，广州新电视塔高达610米（其中塔身主体454米，天线桅杆156米）建成后将成为世界第一高塔。

入选中国世界纪录协会世界最高塔。

☐功能：

观光、发射、展示。

国内创新使用直线电机轨道交通系统

☐直线电机轨道交通在广州的应用情况—广州地铁4、5、6号线采用全新的轨道交通系统——直线电机，开创国内地铁先河。

☐ 该系统爬坡能力强，适用于大坡度、小转弯半径的地域条件，使选线更具灵活性，减少隧道埋深。

有利于线路由地下至地面、高架的过渡，并具有节能、低噪的优点。

广州地铁四号线介绍

☐广州地铁四号线车辆的车型为L型，采用四节编组列车，四节编组列车长约71米、宽2.8米，车体侧面为鼓形结构，最高运行速度为90公里/小时。

☐车体结构采用大端面挤压铝型材全焊接结构，地板、车顶、侧墙、端墙采用隔热和隔音材料，每节车每侧设置三套塞拉门。

☐四号线工程跨越天河、海珠、番禺，共27座车站，其中13座地下站、14座高架站（四号线全长46.6公里）

☐线路坡度达55‰（一、二号线均小于33‰），广州地铁四号线的列车为全动车，爬坡能力可达到70‰以上。

☐直线电机可实现60m的转弯半径。

☐四号线车辆可通过受电弓或集电靴受电。

其中车辆段内以柔性接触网受电方式受电，提供了车辆段内检修人员的安全性；隧道内、高架线路区段采用第三轨下部受电方式。

☐四号线列车具有全自动驾驶功能。

☐直线电机与轨道只有9毫米的间距，明显降低了列车的高度，使得隧道直径从以往的5.4米缩短到2.8米左右，从而直接减少了近1/3的土建成本。

广州地铁五号线

☐线路长度（首期开通线路）：

32km；

☐预计2009年年底开通；五号线每列车由6节车厢组成，设计运载能力2012人。

试运营初期有22列车上线，最小行车间隔5分钟。

☐广州地铁5号线全长约40.5公里，首期投资110亿元人民币。

☐试运营时全程需1小时

广州地铁六号线

☐一期工程（浔峰岗——长湴）全长24.3公里，设车站22个。

☐广州地铁六号线二期，已于2009年10月30日开工。

二期工程（长湴——萝岗街）全长17.6公里，设车站10个。

☐六号线采用L型车，为4节编组，和四、五号线一样使用直线电机列车。

但由于线路长，途经闹市区，4节L车的用车，受到了广州市民的质疑，地铁公司正在考虑改用6节B车或是4节A车，使运力加大。

北京首都机场线

☐北京机场轨道交通线为北京市城市轨道交通系统建设中的一条营运路线，属于2008年北京奥运的交通配套工程之一，亦称为国门线，机场线；

☐由市区的东直门至北京首都国际机场，全长28.1千米；

☐车站：

4个，东直门站、三元桥站、T3站、T2站。

其中，东直门站可换乘2号线、13号线；三元桥站可换乘10号线；

☐全程票价为人民币25元。

与其他线路换乘需另行购票；

☐采用法国阿尔斯通公司（Alstom）公司提供的列车自动控制系统（CBTC），可实现列车全自动化无人驾驶；

☐该条路线运行间隔：

15min；

☐列车营运最高时速110千米；

☐全程需时20分钟（东直门到T3）。

直线电机其他方面的应用

☐直线电机主要应用于三个方面：

一是应用于自动控制系统，这类应用场合比较多；其次是作为长期连续运行的驱动电机；三是应用在需要短时间、短距离内提供巨大的直线运动能的装置中。

☐ ——高速磁悬浮列车磁悬浮列车是直线电机实际应用的最典型的例子，目前，美、英、日、法、德、加拿大等国都在研制直线悬浮列车，其中日本进展最快。

☐——直线电机驱动的电梯世界上第一台使用直线电机驱动的电梯是1990年4月安装于日本东京都关岛区万世大楼，该电梯载重600kg，速度为105