轨道交通中的直线感应电机
试析直线电机轨道交通牵引传动系统研究
试析直线电机轨道交通牵引传动系统研究摘要：近年来，越来越多的人们开始认识到城市轨道交通的重要性，因此我国大力推进城市轨道交通建设，直线电机轨道交通系统在我国得到了长足的发展。
本文主要研究探讨了直线电机轨道交通中的牵引传动系统。
关键词：直线电机；轨道交通；牵引传动系统近几十年来，世界各国都在不断推进城市化建设进程，其中城市轨道交通系统是建设和发展的重点之一，各国的工程师都对城市轨道交通系统进行了系统深入的研究，采用直线电机传动的城市轨道交通系统就是研究内容之一。
直线电机车辆减少了车辆摩擦和振动噪声，解决了维护运行成本，降低工程造价，因此其在城市轨道交通中的应用越来越广泛，研究其牵引传动系统也存在非常重要的现实意义[1]。
一、直线电机轨道交通系统的发展和现状随着城市化进程的加快，城市的交通问题日益成为城市建设发展的重点研究工作，城市化建设的发展和高新现代科技的研究对城市轨道交通的建设提出了更高的要求。
在城市轨道交通系统中，虽然传统的牵引制动模式技术成熟，应用较多，但是它限制了车辆的速度性能，振动噪声较大，不能适应新的运行特点，所以人们开始研究新的技术模式。
直线感应电机运载系统开始进入人们的视线。
直线感应电机运载系统在城市轨道交通中的应用不同于磁悬浮，这种系统仍然使用铁轨作为支撑导向，只是利用直线感应电机进行驱动[2]。
近几十年来在世界得到了良好的发展。
目前在世界上投入商业运营的直线感应电机驱动线路已有10条（如图1所示），直线感应电机运载系统正逐渐成为城市轨道交通的重要模式。
图1 世界投入商业运营的直线感应电机运载系统线路直线感应电机驱动的城市轨道交通车辆具有以下优点：（1）车辆不受轮轨黏着因素的限制，可以获得较强的起动、加速、减速动力性能，在比较恶劣的轨面条件和环境下也能保持优越的性能。
（2）直线感应电机取代了旋转电机，提高了车辆的运行稳定性和曲线通过性能，便于车辆小型化。
（3）容易避开在建和规划中的施工路线，降低土建工程造价。
轨道交通中的直线感应电机
轨道交通中的直线电机摘要：近年来城市轨道交通高速发展，对缓解城市交通压力起到了重要作用。
直线电机牵引系统由于结构简单、系统能耗小、造价低等优点，在轨道交通中得到越来越广泛的应用。
本文简单介绍了直线电机的原理和常见种类，对直线电机在轨道交通中的应用情况作了概括。
关键词：轨道交通，直线电机0引言城市交通在城市的发展过程中愈来愈重要，甚至成为制约城市发展的瓶颈。
轨道交通系统作为现代化大都市的标志之一，是城市客运的骨干系统，将引导城市空间布局的演化，在城市交通中占据突出位置。
随着科技的进步，轨道交通不仅在速度、密度、重量等性能方面有了很大提高，而且牵引方式也发生了巨大的变革。
直线电机牵引系统因造价低、线路适用性强、养护维修简单、噪音低等优点，在轨道交通中得到了广泛应用1直线电机的原理直线电机是将旋转电机的定子和转子纵向剖开并横向展平，定子在相应于转子移动的长度方向上延长，转子通过一定的方式被支承起来，并保持稳定，形成转子和定子之间的空隙。
旋转电机的定子和转子分别对应于直线电机的初级和次级。
在实际应用中，为了保证在整个行程初级和次级的耦合不变，一般将初级和次级制造成不同的长度。
与旋转电机类似，直线电机通入三相交流电后，会在初级和次级的气隙中形成磁场，如果不考虑端部效应，这个磁场在直线方向应当是成正弦分布的，只是每个磁场是平移而不是旋转的，所以有的成为行波磁场，行波磁场与次级相互作用便产生电磁推力，这就是直线电机的工作原理。
图1直线电机原理示意图2轨道交通中直线电机的主要形式直线电机的初级和次级分别对应着旋转电机的定子和转子。
按初级和次级结构形式等的不同，轨道交通中直线电机的常见结构可以分为4类：短初级单边直线电机、短次级单边直线电机、短初级双边直线电机和短次级双边直线电机。
其中短初级是将电机初级放在车上，次级放在地面上，而短次级则是把电机初级放在地面上，次级放在车上。
单边是指一台电机有一个初级绕组，双边是指一台电机有两个对称的初级绕组。
城轨交通中直线感应牵引电机的设计与特性计算
城轨交通中直线感应牵引电机的设计与特性计算直线感应电机具有非常优越的特点,如爬坡能力强、转弯半径小、无中间传动装置等。
但就电机本体性能而言,仍然存在很多问题,如效率低、存在侧向力和法向力、有横纵端部效应等。
所以直线感应电机的设计和分析就十分重要。
本文,基于直线感应电机一维理论,建立了直线感应电机的等效电路,并根据等效电路对直线电机的推力、效率、功率因数等性能指标进行了解析计算。
但通过一维理论求得的等效电路并不能求出法向力,所以又建立了多层行波理论模型,从而求得法向力。
为了对直线电机进行深入分析,提出了次级阻抗角概念,并对该角进行解析计算,以及分析了该角对电机推力、法向力、涡流损耗的影响。
通过直线电机的等效电路,编写了 Matlab程序,设计出一台直线感应电机。
然后,用三维建模软件,搭建了滚筒型直线电机测试平台,对传感器的位置进行了确定,从而可以测出推力、及法向力。
并对测试平台在受到机械应力的情况下发生形变的大小,进行了仿真计算,以验证直线电机测试平台的可行性。
为了更进一步对电机的电磁特性进行析,采用有限元法对电机内的电磁场和次级铝板上的涡流分布进行了精确的计算,从而得到磁场、涡流在铝板表面上的分布图,并分析磁场、涡流与三维力之间的关系,得到铝板表面洛伦兹力各个分量的分布图。
之后同样采用有限元法,对直线电机发生侧向偏移时,这一特殊工况进行了分析,得出偏移情况下磁场、涡流以及洛伦兹力在铝板的分布。
并提出电流密度纵向分量畸变率、磁密法向分量畸变率和侧向力畸变率,并对各量进行计算分析。
最后,直线感应电机的效率较低,是制约其发展的一个主要的因素。
为了提升电机的性能,本文采用遗传算法对帽形次级直线电机进行优化设计,以能够确定帽形次级结构参数的四个变量为优化变量,推力、效率、功率因数、次级重量为优化的目标函数,在考虑约束的条件下,对电机进行了优化设计,并成功提升了电机的性能。
《城市轨道交通用直线感应电机研发》
《城市轨道交通用直线感应电机研发》篇一一、引言随着城市化进程的加速，城市交通拥堵问题日益突出，轨道交通作为城市交通的重要组成部分，其高效、快捷、环保的特性受到越来越多的关注。
而直线感应电机技术作为一种新型的电力牵引技术，其高效率、低能耗等优点在轨道交通领域得到了广泛的应用。
因此，开展城市轨道交通用直线感应电机的研发具有重要的现实意义和应用价值。
二、直线感应电机技术概述直线感应电机是一种将电能直接转换为直线运动动能的电机，其工作原理与旋转电机相似，但输出的是直线运动，具有结构简单、运行平稳、可靠性高等优点。
在轨道交通领域，直线感应电机被广泛应用于地铁、轻轨等轨道交通系统中，成为城市交通的重要动力来源。
三、城市轨道交通用直线感应电机的研发（一）研发背景及意义随着城市轨道交通的快速发展，对电力牵引系统的要求也越来越高。
传统的旋转电机在轨道交通领域的应用已经逐渐暴露出能耗高、维护成本高等问题。
而直线感应电机具有高效率、低能耗、长寿命等优点，是解决这些问题的重要途径之一。
因此，研发适合城市轨道交通的直线感应电机具有重要的现实意义和应用价值。
（二）技术原理及特点城市轨道交通用直线感应电机的技术原理是基于电磁感应原理，通过磁场与导体的相互作用，将电能转换为机械能。
其特点包括高效率、低能耗、长寿命、低噪音等。
此外，直线感应电机还具有响应速度快、启动转矩大等优点，能够满足城市轨道交通的高效、快速、安全运行需求。
（三）研发内容及方法城市轨道交通用直线感应电机的研发主要包括以下几个方面：1. 优化设计：通过对电机结构、材料、电磁设计等方面的优化设计，提高电机的性能和可靠性。
2. 制造工艺：研究适合直线感应电机的制造工艺，包括材料选择、加工工艺、装配工艺等。
3. 控制系统：研究电机的控制系统，包括控制策略、控制算法、控制系统硬件等方面，实现电机的精确控制和高效运行。
4. 测试验证：通过实验测试和验证电机的性能和可靠性，确保其满足城市轨道交通的运行需求。
直线电机在轨道交通系统中的应用
直线电机在轨道交通系统中的应用Ap I a in on a o o b nMasT「n ipitfLie「MtriU「asastco nZ e gL n hn o g Abta t W i n ito u t no h m il n p la in src t a rd ci ft epicpea da pi t h n o c o on a tri h n h iMa IvDe o sr t n Liea du——fl ermoo Saga gemn tai nrinonbn masta s。
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直线电机的驱动根据定子、转子安装的位置可分为两种应用方式：一种为长定子直线电机，定子安装在轨道上，转子安装在车辆上；另一种为短定子直线电机，转子安装在轨道上，定子安装在车辆上。
采用直线感应电机的城市轨道车辆的技术特点及发展
场 ，感应板产生感应 电流 （ 涡流 ） ，由感应电流切割 磁场 产生的力作为反作用力 ，推动初级前进 。通 过 改变磁 场的方 向 ，产生反 向推力 ，使初级制 动或后
退。
年代 ，加拿大多伦多 Ｓ 一 一 一
柱状 的转子 ，定子形成磁场 ，通过 电磁感 应 ，使转
１ 前 言
随着城市现代化 的发展 ，城市交通拥挤状况成
为重大难题 之一。为了解 决这一难题 ，世界各 国采
用多种不同的城 市轨道交通形式 ，如地铁 、轻轨交
子产生旋转力矩 。直线感应 电机则是将这两 个圆形
ｔ ｅ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉｓ ｆ ｒｉ ｅ ｉｌ ｗ ｔ ｌ ｅ ｒ ｉ ｄ ｃｉ ｎ ｍｏｏ ，ｉ ｃｕ ｉｇ ｅ ｔ ｒ ｃ ｎ ｒｌ ｎ ｉ ａ ｏ ｔ １ ｎ ｈ ｃ ａ ａ ｔ ｒ ｔ ｏ ａ ｌ ｈｃ ｅ ｉ ｉ ｃ ｖ ｈ ｉ ａ ｎ ｕ ｔ ｔ ｒ ｎ ｌ ｄ ｎ ｖ ｃ ｏ ｏ ｔｏ ｎ ｏ ａ ｄ ａ ｒ ｐ ｃ ｎ ｒ ．Ｉ ｇ ｏ ｔｅ ｎ ，ｉ ｏ ｎ ｓ ｕ ｈ ｔ ｈ ｌ ｅ ｒ ｉ ｄ ｃｉ ｎ ｍｏｏ ｒｖ ｎ ｙ ｔ ｍ ｓ ａ ｅ ｙ ｅ ｎ ｒ ａ ａｌ ｒ ｎ ｉ ｉ ｈ ｅ ｄ ｔ ｉ ｔ ｐ ｏ ｔ ｔ ａ ｔ ｅ ｉ ａ ｎ ｕ ｔ ｔｒ ｄ ｅ ｓ ｓｅ ｉ ｎ ｗ ｔ ｐ ｉ ｕ ｂ ｎ ｒ ｉ ａ ｓｔ ｔ ｎ ｏ ｉ ｔ ｗ ｈ ｍａｕ ｅ ｔｃ ｎ ｌｇ ｅ ｎ ｏ ｄ ｐ ｏ ｐ ｃ ｓ ｔ ｒ ｅ ｈ ｏｏ ｉｓ ａ ｄ ｇ ｏ ｒｓ ｅ ｔ． Ｋｅ ｒ ｓ ｉ ｅ ｒ ｉ ｄ ｃｉｎ ｍｏｏ ；Ｕｒ ａ ａｌ ｖ ｈ ｃｅ ｎ ｆｅ ｔ ｙ ｗｏ ｄ ：Ｌ ｎ ａ ｎ ｕ ｔ ｔ ｒ ｏ ｂ ｎ ｒ ｉ ｅ ｉｌ ；Ｅ ｄ ｅ ｃ；Ｖｅ ｔ ｒ ｃ ｎ ｒｌ ｃ ｏ ｏ ｔ ；Ａｉ ｇ ｐ ｃ ｎ ｒｌ ｏ ｒ ａ ｏｔ ｏ
地铁直线电机工作原理
地铁直线电机工作原理地铁直线电机是一种应用于地铁系统的关键部件，其工作原理是基于电磁感应和磁力作用的原理。
地铁直线电机通过电流和磁场的相互作用来实现动力传递，从而驱动地铁车辆运行。
地铁直线电机的工作原理可以简单地理解为：当电流通过电磁绕组时，产生的磁场与永磁体的磁场相互作用，产生电磁力。
这个电磁力驱动地铁车辆沿轨道线性移动。
地铁直线电机采用了永磁体和电磁绕组之间的相互作用，使车辆在轨道上进行平稳高效的运行。
具体来说，地铁直线电机由电源、电磁绕组和永磁体组成。
电源提供电流，通过电磁绕组产生磁场。
而永磁体则提供一个恒定的磁场。
当电流通过电磁绕组时，产生的磁场与永磁体的磁场相互作用，产生一个力，使车辆沿轨道线性运动。
地铁直线电机的工作原理可以通过以下步骤来解释：1. 电源提供电流：地铁直线电机通过电源提供所需的电流。
这个电流可以是直流电流或交流电流，具体取决于地铁系统的设计和要求。
2. 电流通过电磁绕组：电流通过电磁绕组，形成一个磁场。
这个磁场的大小和方向取决于电流的大小和方向。
3. 磁场与永磁体相互作用：电磁绕组产生的磁场与永磁体的磁场相互作用。
根据洛伦兹力定律，当两个磁场相互作用时，会产生一个力。
这个力的大小和方向取决于磁场的强度和方向。
4. 产生电磁力：磁场与永磁体相互作用产生的力称为电磁力。
这个电磁力会驱动地铁车辆沿轨道线性移动。
地铁直线电机的工作原理基于电磁感应和磁力作用的原理。
通过电流和磁场的相互作用，地铁直线电机能够提供足够的动力，使地铁车辆在轨道上平稳高效地运行。
地铁直线电机的应用不仅提高了地铁系统的运行效率，还减少了对环境的影响，是现代城市交通系统中不可或缺的一部分。
《城市轨道交通用直线感应电机研发》
《城市轨道交通用直线感应电机研发》一、引言随着城市化进程的加快，城市轨道交通系统的需求与日俱增。
而直线感应电机作为一种高效、节能、环保的新型电机技术，在城市轨道交通中扮演着越来越重要的角色。
本文旨在探讨城市轨道交通用直线感应电机的研发背景、现状及未来发展趋势。
二、直线感应电机概述直线感应电机是一种新型的电机技术，其核心原理是通过电磁感应将电能转换为机械能，从而实现直线运动。
相较于传统的旋转电机，直线感应电机具有结构简单、维护方便、效率高等优点，因此在城市轨道交通领域具有广泛的应用前景。
三、城市轨道交通用直线感应电机的研发背景随着城市交通拥堵问题的日益严重，轨道交通成为了解决城市交通问题的有效途径。
然而，传统轨道交通系统的能耗高、运行效率低等问题仍然存在。
而直线感应电机作为一种新型的驱动技术，具有高效率、低能耗、环保等优点，因此被广泛应用于城市轨道交通系统中。
四、城市轨道交通用直线感应电机的研发现状目前，国内外众多科研机构和企业都在积极投入直线感应电机的研发工作。
在技术方面，研究人员通过优化电机结构、提高材料性能、改进控制算法等手段，不断提高直线感应电机的性能。
在应用方面，直线感应电机已广泛应用于地铁、轻轨等城市轨道交通系统中，有效提高了运行效率和舒适性。
五、城市轨道交通用直线感应电机的研发挑战与展望尽管直线感应电机在城市轨道交通中取得了显著的应用成果，但仍面临一些挑战。
首先，如何进一步提高电机的效率和可靠性是当前研究的重点。
其次，如何降低制造成本是推广应用的关键。
此外，如何优化控制算法以适应不同的运行环境和需求也是亟待解决的问题。
展望未来，随着科技的不断进步和市场需求的变化，城市轨道交通用直线感应电机的研发将朝着以下几个方面发展：一是进一步提高电机的性能和可靠性；二是降低制造成本，推广应用；三是优化控制算法，提高系统的灵活性和适应性；四是加强与其他先进技术的融合，如人工智能、物联网等，实现智能化、网络化的城市轨道交通系统。
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轨道交通中的直线电机
摘要：近年来城市轨道交通高速发展，对缓解城市交通压力起到了重要作用。
直线电机牵引系统由于结构简单、系统能耗小、造价低等优点，在轨道交通中得到越来越广泛的应用。
本文简单介绍了直线电机的原理和常见种类，对直线电机在轨道交通中的应用情况作了概括。
关键词：轨道交通，直线电机
0 引言
城市交通在城市的发展过程中愈来愈重要，甚至成为制约城市发展的瓶颈。
轨道交通系统作为现代化大都市的标志之一，是城市客运的骨干系统，将引导城市空间布局的演化，在城市交通中占据突出位置。
随着科技的进步，轨道交通不仅在速度、密度、重量等性能方面有了很大提高，而且牵引方式也发生了巨大的变革。
直线电机牵引系统因造价低、线路适用性强、养护维修简单、噪音低等优点，在轨道交通中得到了广泛应用。
1 直线电机的原理
直线电机是将旋转电机的定子和转子纵向剖开并横向展平，定子在相应于转子移动的长度方向上延长，转子通过一定的方式被支承起来，并保持稳定，形成转子和定子之间的空隙。
旋转电机的定子和转子分别对应于直线电机的初级和次级。
在实际应用中，为了保证在整个行程初级和次级的耦合不变，一般将初级和次级制造成不同的长度。
与旋转电机类似，直线电机通入三相交流电后，会在初级和次级的气隙中形成磁场，如果不考虑端部效应，这个磁场在直线方向应当是成正弦分布的，只是每个磁场是平移而不是旋转的，所以有的成为行波磁场，行波磁场与次级相互作用便产生电磁推力，这就是直线电机的工作原理。
图1 直线电机原理示意图
2 轨道交通中直线电机的主要形式
直线电机的初级和次级分别对应着旋转电机的定子和转子。
按初级和次级结构形式等的不同，轨道交通中直线电机的常见结构可以分为4类：短初级单边直线电机、短次级单边直线电机、短初级双边直线电机和短次级双边直线电机。
其中短初级是将电机初级放在车上，次级放在地面上，而短次级则是把电机初级放在地面上，次级放在车上。
单边是指一台电机有一个初级绕组，双边是指一台电机有两个对称的初级绕组。
（a）短初级单边电机（b）短次级单边电机
（c）短初级双边电机（d）短次级双边电机
图2 直线电机的结构示意图
短初级直线电机的初级安装在车上，和短次级直线电机相比具有一定的优势，主要体现在以下几点：1)短初级电机功率吸收较好；2)短初级电机运行耗能较小；
3) 短初级电机中，次级可以制作成一块导电金属板，结构简单，造价低，维修方便。
在轨道交通的应用上，单边直线电机又相对双边直线电机具有优势，主要体现在以下方面：1) 单边直线电机水平安装，在横向上可以自由移动，简化了车辆和轨道间的转辙问题，而双边直线电机为垂直次级（反应轨结构），在道路交叉口和转辙点灵活性较差，活动范围较小。
2) 单边电机的气隙宽度有一定波动范围，控制相对简单；而双边电机在电机运行时，两边的气隙宽度必须严格控制，以免影响推力等特性量，增加了系统控制的难度。
3) 单边电机具有导轨垂直方向的作用力，如果有效利用可以抵消部分车体重量，双边电机的结构对称，不存在导轨垂直方向的作用力。
因为上述原因，在实际交通系统中，大多采用单边短初级直线电机。
3直线电机驱动系统的优势
和传统的旋转电机牵引系统相比，直线电机牵引系统具有以下的优势：
1)爬坡能力强
直线电机牵引属于非粘着驱动，牵引系统的钢轮仅起支撑和导向作用，
列车前进靠直线电机的磁力推动，系统具有优良的动力性能和爬坡能力，其线路的最大坡度可达8％，远大于传统轮轨系统的(3-4)％的最大坡度。
系统在选线时比较自由，可以直接穿过比较陡的山坡和障碍物，也可以设置较陡的高架，线路大为缩短。
2)转弯半径小
直线电机牵引系统无需减速齿轮等装置，转向架设计自由度大，系统采用径向转向架，可使得列车的转弯半径大大减小。
列车的线路曲线半径可减少到80m，而传统地铁是300m。
在温哥华，最小曲线半径达50m。
小曲线半径大大增加了线路设计的自由度，可减少地面建筑物的拆迁量。
车辆在平面上拐弯自如，可方便地绕过城市地下和地上建筑物。
3)隧道盾构面减小，建设成本降低
在直线电机牵引机车中，车轮只起车体的支撑作用，轮径较小，使车辆总高度降低，整个系统小型化，减少了行走区间的断面面积。
以日本福冈线为例。
采用直线电机牵引的3号线（七隈线）系统隧道断面与传统旋转电机牵引的1、2 号线（空港线和箱崎线）隧道断面的比较如图4所示。
结果表明，3号线的隧道盾构面为22m2，只有1、2号线的隧道断面41m2的53％，土方面积减少了47％。
因此在地铁系统中，直线电机系统造价大为减少。
4)噪音小和维护简单
由于系统的轮轨只起支撑作用，列车靠电磁推力驱动前进，也没有齿轮传动机构的啮合噪声等，所以车辆振动小，噪音低。
行车噪音仅有65-74dB，比轻轨低10dB 以上。
另外系统的次级放在轨道上，结构简单牢固，车轮对轨道的磨损很小，系统维护费用仅为传统轮轨的1/5，运营成本大大降低。
图3直线电机牵引系统与传统电机牵引系统爬坡能力对比
图4直线电机牵引系统与传统电机牵引系统转弯曲率。