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直線電機在城軌系統中的應用

信息發布來源:直線步進電機供應商振合機電

摘要:介紹了直線電機工作原理和直線電機電動車特點,以及日本利用直線電機的地鐵和常導磁懸浮交通系統發展的概況。

關鍵詞:直線電機;城市軌道交通;地鐵;磁懸浮;電動車城市交通在城市的發展過程中愈來愈重要,而城市軌道交通占據突出的位置。由于近年來科學技術的發展和進步,包括地鐵、輕軌交通、單軌交通、新交通系統以及磁懸浮交通系統等城市軌道交通的形式變化多樣。在改善城市交通的時候,各個城市根據自己城市的具體特點選擇交通系統的范圍也更寬。安全、舒適、高密度運行,通過引入新技術達到節能,保護環境,降低成本,從結構和性能上采取措施,不斷進行改進,保持先進性是城市軌道交通存在的價值。在城市軌道交通系統中,根據車輛的特點,采用直線電機作為驅動電機又提供了一種新的選擇。1直線電機的工作原理通常,電動機是旋轉型的。定子包圍著圓筒形的轉子,定子形成磁場,在轉子中流過電流,使轉子產生旋轉力矩。而直線電機則是將兩個圓筒形部件展開成平板狀,面對面,定子在相應于轉子移動的長度方向上延長,轉子通過一定的方式被支承起來,并保持穩定,形成轉子和定子之間的空隙。直流電機、感應電機、同步電機等都可做成直線電機,但是,直流電機在結構上無法做成無整流子型,所以,直線電機一般為感應電動機和同步電動機。這些交流電動機的1次側有作為定子側的,也有作為轉子側即移動體側的。例如,超導磁懸浮中,同步電動機的定子(地上)是1次側,旋轉磁場在地上移動;而地鐵的直線電機,感應電動機的旋轉磁場裝在車上,2次側固定在地上。前者的空隙靠左右導向線圈保持,而后者靠車輪保持。產生推進力的原理與電動機產生力矩的原理一樣,在直線電機地鐵中,安裝在轉向架上的直線電動機沿前進方向產生移動磁場。讓面對該磁場、安裝在地上的反作用板(相當于2次線圈)中通過2次電流(渦電流),由這個2次電流切割磁場產生的力作為反作用力,安裝在轉向架上的直線電動機得到推進力。直線電機的基本缺點是很難將定子與轉子空隙做成象旋轉式電機那么小,旋轉式是無限循環的,而直線電動機是有端頭的。為此,泄漏磁通多,電氣—機械能量轉換的效率低,如果要得到相同的輸出,逆變器的容量需要比旋轉式大。2直線電機電動車的特點在使用旋轉式電機的電動車中,一般是通過齒輪減速將旋轉力矩轉換為列車的牽引力,同時也受到輪軌間粘著的限制。直線電機電動車的推進力和制動力都利用直線電機,如上所述,有1次側在車上和地上2種。1次側在車上時,要將VVVF逆變器和直線電機裝載在車上,使車輛重量增加,車輛價格高;但在地面上的設備僅只有反作用板,又降低了建設費用。1次側在車上的方式已在一部分地鐵得到了實際應用。在直線電機的電動車中,推進力由鋪設在鋼軌間的反作用板直接傳遞,所以不受粘著的限制,有可能從滑行和空轉產生的各種問題中解脫出來,有利于通過大坡道(最大坡度可達60‰~80‰)和小半徑曲線(最小半徑為50m)的線路。此外,由于直線電機無轉動部件,所以不需要軸承和潤滑機構,使之結構簡單,延長壽命,這是其最大的特點。在旋轉電動機中,旋轉力矩與其直徑的平方成正比,所以要得到大的旋轉力矩,電動機的直徑就要增大,在直線電機中,這相當于將相應的部分在長度方向延長,而高度方向可以減小。在大型電機中,如果是1級齒輪減速,車輪直徑也必須加大;而在直線電機驅動中,則不必如此,所以,可以減小車輪的直徑,這將使車輛的地板面的高度降低。以上的優點就是小斷面地鐵采用直線電機電動車的理由。但是,直線電機的效率低,與相同的地鐵比,電力的消耗量多,除這個缺點外,上述的優點也有不能充分發揮的時候。因為不受粘著限制,所以在牽引時,線路的坡度可以取大;但是,在制動時,如果電氣制動失效,就必須依賴于機械制動,這受粘著控制,所以,線路的坡度又不能太大。此外,由于直線電機是扁平狀的設備,車輛地板面的高度可以降低,這時車輪的直徑也可以減小。但直徑小的車輪磨耗會加快,所以實際上不能太小。由于扁平狀直線電機的長度可以加長,所以,一臺轉向架裝一臺電機即可,這就是現在的直線電機地鐵為全動車編組的理由之一。3直線電機電動車在日本的應用和發展3.1直線電機地鐵在建設地鐵的成本中,開鑿地下隧道的成本占了很大一塊,采用直線電機電動車對降低開鑿地下隧道的成本,從而對降低整個地鐵的建設成本非常有利。以日本為例,普通地下鐵隧道的直徑為5.8m,而直線電機地鐵隧道的直徑為4.0~4.3m。可以估算,后者隧道工程的開鑿量可比前者減少1/3左右,這意味著地鐵的成本將大大下降。此外,與旋轉電機相比,直線電機的形狀平坦,因而可以降低車輛地板面高度和減少整個車輛尺寸,但這并不影響車輛內部的空間,即不會對旅客帶來不便。直線電機只是產生車輛的驅動力,車輛仍使用鋼制車輪和鋼軌作為支承和導向系統。在日本,直線電機地鐵已在東京和大阪投入運用,這2個直線電機地鐵的概況見表1。表中直線電機地鐵車輛的控制系統均為帶再生制動的VVVF逆變器控制,并均采用鋁合金車體,車輛定員為90~100人。為東京都營12-000型直線電機地鐵動車的外形照片。橫濱、神戶、福岡的直線電機地鐵也正在建設或規劃中。3.2常導磁懸浮交通系統常導磁懸浮交通系統與現行的鐵道相比,是全新的交通系統。由于走行裝置與軌道不接觸,所以,噪聲與振動很小,基本上不發生磨耗,在環境保護、經濟性和維修方面都較為優越,利用其可通過大坡道和小半徑曲線線路的特點,作為一種新型城市軌道交通是可行的,經過多年的開發研究,最高速度為100km/h的HSST-100型車輛將在名古屋等城市得到應用。

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