直线电机与传统电机的结构分析与性能比较.doc

直线电机与传统电机的结构分析与性能比较学 生 姓 名： 学 号： 专 业 班 级： 指 导 教 师： 西安铁路职业技术学院毕业论文摘 要本论文主要阐述直线电机与传统电机的结构分析与性能比较。直线电机作为一种新的交通驱动方式引起国内技术人员的关注。直线电机车辆与传统轮轨车辆的最大区别在于牵引传动系统。介绍了直线电机车辆与轻轨车辆主要装置的原理及优点 ，并对它们进行了技术经济比较 ，提出了直线电机车辆的应用条件。本文重点分析了直线电机车辆牵引传动系统和直线电机车辆与传统轮轨车辆的特点，对组成系统的各个主要环节进行了比较分析，并对当前应用于直线电机的几种控制方式进行了比较研究。在剖析了直线电机车辆的各种优点及其相应构件的应用，并与轻轨车辆进行对比，以便从车辆构件选用的层面全面理解直线电机运载系统。关键词：直线电机；传统旋转电机；结构分析与性能比较；- I -目 录摘 要I引 言11 传统旋转电机21.1 旋转电机的基本结构21.2 旋转电机的工作原理21.3 旋转电机的分类31.3.1 控制电动机31.3.2 功率电动机51.3.3 信号电机62 特殊直线电机82.1 直线电机的结构82.2 直线电机的工作原理及特点92.2.1 工作原理92.2.2 直线电机的特点优势112.3 直线电机的分类122.4 直线电机的控制技术133 直线电机车辆与传统旋转电机车辆的结构特点比较分析153.1 直线电机与旋转电机相比的主要有特点153.2 直线电机和传统的旋转电机+滚珠丝杠运动系统的比较164 直线电机车辆与轻轨车辆的应用比较184.1 基本工作原理对比分析184.1.1 牵引方式对比分析184.1.2 直线电机车辆牵引方式与传统的旋转电机车辆的不同184.2 传统旋转电机和直线电机性能分析194.2.1 等效电路图分析194.2.2 气隙与能量分析204.3 直线电机车辆与传统旋转电机车辆牵引控制方式对比分析214.3.1 对感应板之间间隙不平衡的控制214.3.2 对直线电机与感应板气隙变化的控制224.3.3 对无感应板时的控制224.4 直线电机车辆224.4.1 直线电机车辆构件分析224.4.2 径向转向架234.4.3 直线电机车辆的应用244.5 轻轨车辆254.5.1 独立车轮应用264.5.2 轻轨车辆的优点27总 结30致 谢31参考文献32-33-引 言发展城市轨道交通是解决城市交通问题的重要手段。传统技术模式的地铁车辆是依靠轮轨间粘着作用来发挥牵引/制动力，但由于物理粘着的限制，其加/减速度性能和爬坡能力都受到了制约。此外传统的地铁车辆还存在着全天候运行特性较差、运行时机械振动和噪声较大、车辆结构轻量化和小型化相对困难等缺点。直线电机车辆是利用单边式直线感应电机作为地铁（或轻轨）车辆的驱动。这种驱动方式中，车辆的车轮仅起支撑承载作用，而推进力是由直线感应电机（linear induction motor）产生。由于是非粘着的驱动，因此直线电机车辆具有优良的动力性能、实现径向转向架、横断面结构的小型化、降低振动和噪声、良好的安全性和可靠性等优点。自从1986年1月温哥华 Skytrain一期工程向公众开放后 ，在城市轨道交通中采用直线电机车辆的实施项目逐渐增多。由于温哥华 Skytrain 工程的示范作用及选用直线电机车辆在线路选线、环境保护、投资控制及运营维修上的优异表现 ，国内从事轨道交通的技术人员逐渐对其有所了解 ，并希望使用这种技术。1 传统旋转电机从广义上讲，电机是电能的变换装置，包括旋转电机和静止电机。旋转电机是根据电磁感应原理实现电能与机械能之间相互转换的一种能量转换装置；静止电机是根据电磁感应定律和磁势平衡原理实现电压变化的一种电磁装置，也称其为变压器。这里我们主要讨论旋转电机，旋转电机的种类很多，在现代工业领域中应用极其广泛，可以说，有电能应用的场合都会有旋转电机的身影。与内燃机和蒸汽机相比，旋转电机的运行效率要高的多；并且电能比其它能源传输更方便、费用更廉价，此外电能还具有清洁无污、容易控制等特点，所以在实际生活中和工程实践中，旋转电机的应用日益广泛。不同的电机有不同的应用场合，随着电机制造技术的不断发展和对电机工作原理研究的不断深入，目前还出现了许多新型的电机，例如，美国EAD公司研制的无槽无刷直流电动机，日本SERVO公司研制的小功率混合式步进电机，我国自行研制适用于工业机床和电动自行车上的大力矩低转速电机等。1.1 旋转电机的基本结构旋转电机包括：内转子和外转子，该内转子和外转子分别包括永磁体；以及定子，该定子包括定子线圈，并布置在内转子和外转子之间。内转子还包括外表面部分，该外表面部分作为用于与外转子同步的磁通的外部磁路的轭铁部分，外转子还包括外部部分，各外部部分位于一个外部永磁体的外侧，并设置成作为用于与内转子同步的磁通的内部磁路的轭铁部分。一种旋转电机，包括：定子，该定子包括多个环绕旋转电机的中心轴线布置的定子线圈；内转子，该内转子可旋转地布置在定子内部，该内转子包括：多个内部永磁体，这些内部永磁体环绕中心轴线交替倾斜地布置；以及多个外表面部分，这些外表面部分作为外部磁路的轭铁部分；以及外转子，该外转子可旋转地布置在定子外部，该外转子包括：多个外部永磁体，这些外部永磁体布置成圆；以及多个外部部分，每个外部部分位于一个外部永磁体的外侧，并布置成作为用于与内转子同步的磁通的内部磁路的轭铁部分，而内转子的各外表面部分布置成作为用于与外转子同步的磁通的外部磁路的轭铁部分，内部磁路布置成还作为外转子的交轴磁路，且外部磁路布置成还作为内转子的交轴磁路。1.2 旋转电机的工作原理直流励磁的磁路在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直流接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电动机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。虽然直流发电机和直流电动机的用途各不同，但是它们的结构基本上一样，都是利用电和磁的相互作用来实现机械能与电能的相互转换。直流电机的最大弱点就是有电流的换向问题，消耗有色金属较多，成本高，运行中的维护检修也比较麻烦。因此，电机制造业中正在努力改善交流电动机的调速性能，并且大量代替直流电动机。不过，近年来在利用可控硅整流装置代替直流发电机方面，已经取得了很大进展。包括直流电机在内的一切旋转电机，实际上都是依据我们所知道的两条基本原则制造的。一条是：导线切割磁通产生感应电动势；另一条是：载流导体在磁场中受到电磁力的作用。因此，从结构上来看，任何电机都包括磁场部分和电路部分。从上述原理可见，任何电机都体现着电和磁的相互作用，是电、磁这两个矛盾着的对立面的统一。我们在这一章里讨论直流电机的结构和工作原理，就是讨论直流电机中的“磁”和“电”如何相互作用，相互制约，以及体现两者之间相互关系的物理量和现象（电枢电动势、电磁转矩、电磁功率、电枢反应等）。1.3 旋转电机的分类在旋转电机中，由于发电机是电能的生产机器，所以和电动机相比，它的种类要少的多；而电动机是工业中的应用机器，所以和发电机相比，人们对电动机的研究要多的多，对其分类也要详细的多。实际上，我们通常所说的旋转电机都是狭义的，也就是电动机俗称“马达”。众所周知，电动机是传动以及控制系统中的重要组成部分，随着现代科学技术的发展，电动机在实际应用中的重点已经开始从过去简单的传动向复杂的控制转移；尤其是对电动机的速度、位置、转矩的精确控制。由此可见，对于一个电气工程技术人员来说，熟悉各种电机的类型及其性能是很重要的一件事情。通常人们根据旋转电机的用途进行基本分类，分类结构，当然这只是一个分类的基本结构，并没有包含所有的类型。下面我们就从控制电动机开始，逐步介绍电机中最有代表性、最常用、最基本的电动机控制电动机和功率电动机以及信号电机。1.3.1 控制电动机(1)伺服电动机伺服电动机广泛应用于各种控制系统中，能将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，拖动被控制元件，从而达到控制目的。伺服电动机有直流和交流之分；最早的伺服电动机是一般的直流电动机，在控制精度不高的情况下，才采用一般的直流电机做伺服电动机。目前的直流伺服电动机从结构上讲，就是小功率的直流电动机，其励磁多采用电枢控制和磁场控制，但通常采用电枢控制。直流伺服电动机在机械特性上能够很好的满足控制系统的要求，但是由于换向器的存在，存在许多的不足：换向器与电刷之间易产生火花，干扰驱动器工作，不能应用在有可燃气体的场合；电刷和换向器存在摩擦，会产生较大的死区；结构复杂，维护比较困难。 交流伺服电动机本质上是一种两相异步电动机，其控制方法主要有三种：幅值控制、相位控制和幅相控制。其定子上有两套绕组，在空间上相差90电角，励磁绕组固定接在交流励磁电源 上；控制绕组接在控制电压 上，其中 一般来自放大装置； 一般地，伺服电动机要求电动机的转速要受所加电压信号的控制；转速能够随着所加电压信号的变化而连续变化；电动机的反映要快、体积要小、控制功率要小。伺服电动机主要应用在各种运动控制系统中，尤其是随动系统。(2)步进电动机所谓步进电动机就是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构；更通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。我们可以通过控制脉冲的个数来控制电机的角位移量，从而达到精确定位的目的；同时还可以通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。目前，比较常用的步进电动机包括反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）和单相式步进电动机等。步进电动机和普通电动机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电动机可以和现代的数字控制技术相结合。但步进电动机在控制精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统闭环控制的直流伺服电动机；所以主要应用在精度要求不是特别高的场合。由于步进电动机具有结构简单、可靠性高和成本低的特点，所以步进电动机广泛应用在生产实践的各个领域；尤其是在数控机床制造领域，由于步进电动机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以一直被认为是最理想的数控机床执行元件； 除了在数控机床上的应用，步进电机也可以用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。此外，步进电动机也存在许多缺陷；由于步进电机存在空载启动频率，所以步进电机可以低速正常运转，但若高于一定速度时就无法启动，并伴有尖锐的啸叫声；不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大，细分数越大精度越难控制；并且，步进电机低速转动时有较大的振动和噪声。(3)力矩电动机所谓的力矩电动机是一种扁平型多极永磁直流电动机。其电枢有较多的槽数、换向片数和串联导体数，以降低转矩脉动和转速脉动。力矩电动机有直流力矩电动机和交流力矩电动机两种。其中，直流力矩电动机的自感电抗很小，所以响应性很好；其输出力矩与输入电流成正比，与转子的速度和位置无关；它可以在接近堵转状态下直接和负载连接低速运行而不用齿轮减速，所以在负载的轴上能产生很高的力矩对惯性比，并能消除由于使用减速齿轮而产生的系统误差。交流力矩电动机又可以分为同步和异步两种，目前常用的是鼠笼型异步力矩电动机，它具有低转速和大力矩的特点。一般地，在纺织工业中经常使用交流力矩电动机，其工作原理和结构和单相异步电动机的相同，但是由于鼠笼型转子的电阻较大，所以其机械特性较软。(4)开关磁阻电动机开关磁阻电动机是一种新型调速电动机，结构极其简单且坚固，成本低，调速性能优异，是传统控制电动机强有力竞争者，具有强大的市场潜力。(5)无刷直流电动机无刷直流电机（BLDCM）是在有刷直流电动机的基础上发展来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流；无刷直流电机又可以分为无刷速率电机和无刷力矩电机。一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波（一般是“方波”），另一种是正弦波。有时候把前一种叫直流无刷电机，后一种叫交流伺服电机，确切地讲是交流伺服电动机的一种。无刷直流电机为了减少转动惯量，通常采用“细长”的结构。无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多，相应的转动惯量可以减少40%50%左右。由于永磁材料的加工问题，致使无刷直流电机一般的容量都在100kW以下。这种电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题，所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。1.3.2 功率电动机(1)直流电动机直流电动机是出现最早的电动机，大约在19世纪末，其大致可分为有换向器和无换向器两大类。直流电动机在结构、价格、维护方面都不如交流电动机，但是由于交流电动机的调速控制问题一直未得到很好的解决方案，而直流电动机具有调速性能好、起动容易、能够载重起动等优点，所以目前直流电动机的应用仍然很广泛，尤其在可控硅直流电源出现以后。(2)异步电动机异步电动机是基于气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩而实现能量转换的一种交流电机。异步电动机一般为系列产品，品种规格繁多，其在所有的电动机中应用最为广泛，需量最大；目前，在电力传动中大约有90%的机械使用交流异步电动机，所以，其用电量约占总电力负荷的一半以上。异步电动机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠以及质量较小，成本较低等优点。并且，异步电机有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。异步电动机主要广泛应用于驱动机床、水泵、鼓风机、压缩机、起重卷扬设备、矿山机械、轻工机械、农副产品加工机械等大多数工农生产机械以及家用电器和医疗器械等。在异步电动机中较为常见的是单相异步电动机和三相异步电动机，其中三相异步电动机是异步电动机的主体。而单相异步电动机一般用于三相电源不方便的地方，大部分是微型和小容量的电机，在家用电器中应用比较多，例如电扇、电冰箱、空调、吸尘器等。(3)同步电动机所谓同步电动机就是在交流电的驱动下，转子与定子的旋转磁场同步运行的电动机。同步电动机的定子和异步电动机的完全一样；但其转子有“凸极式”和“隐极式”两种。凸极式转子的同步电动机结构简单、制造方便，但是机械强度较低，适用于低速运行场合；隐极式同步电动机制造工艺复杂，但机械强度高，适用于高速运行场合。同步电动机的工作特性；与所有的电动机一样， 同步电动机也具有“可逆行”，即它能按发电机方式运行，也可以按电动机方式运行。同步电动机主要用于大型机械，如鼓风机、水泵、球磨机、压缩机、轧钢机以及小型、微型仪器设备或者充当控制元件；其中三相同步电动机是其主体。此外，还可以当调相机使用，向电网输送电感性或者电容性无功功率。1.3.3 信号电机(1)位置信号电机目前，最有代表性的位置信号电机：旋转变压器、感应同步器和自整角机。旋转变压器本质上是可以随意改变一次绕组和二次绕组耦合程度的变压器。其结构和绕线式异步电动机相同，定子和转子各有两组相互垂直的分布绕组，转子绕组利用滑环和电刷与外电路联接。当一次绕组励磁以后，二次绕组的输出电压和转子的转角成正弦、余弦、线性或者其他函数关系，可以用于计算装置中的坐标变换和三角运算，还可以在控制系统中作为角度数据传输和移相器使用。感应同步器是一种高精度的位置或角度检测元件，有圆盘式和直线式两种。圆盘式感应同步器用来测量转角位置；而直线式感应同步器用来测量线位移。自整角机是一种感应式机电元件，被广泛地应用于随动系统中，作为角度传输、变换和指示的装置。在控制系统中经常两台或者多台联合使用，使机械上互不相连的两根或多根轴能够自动地保持相同的转角变化，或者同步旋转。(2)速度信号电机最有代表性的速度信号电机是测速发电机，其实质上是一种将转速变换为电信号的机电磁元件，其输出电压与转速成正比。从工作原理上讲，它属于“发电机”的范畴。测速发电机在控制系统中主要作为阻尼元件、微分元件、积分元件和测速元件来使用。测速发电机有直流和交流之分；而直流测速发电机又有他励和永磁之分，其结构和工作原理与小功率直流发电机相同，通常输出功率较小，作为计算元件时要求其输出电压的线性误差和温度误差低于一个上限。而交流测速发电机又有同步和异步之分；同步测速发电机包括：永磁式、感应式和脉冲式；异步测速发电机应用最广泛的是杯型转子异步测速发电机2 特殊直线电机直线电机是一种将电能直接转换成直线运动的机械能而不需要任何中间转换机构的传动装置。由于采用了“零传动”，从而较传统传动方式有明显的优势，如结构简单、无接触、无磨损、噪声低、速度快、精度高等。近年，随着工业加工质量和运动定位精度等要求的不断提高，直线电机受到了广泛的关注。在国外，直线电机驱动技术已进入工业化阶段，但国内尚处于起步阶段。 直线电机的历史，最早可追溯到1840 年惠斯登(Wheatstone)提出和制作雏形但不成功的直线电机，从那时至今已有160多年。在这个发展历程中，大致可分为以下三个阶段：探索实验阶段（18401955）、开发应用阶段（19561970）和实用商品化阶段(1971 至今)。 第一阶段是直线电机探索实验和部分实验应用阶段，由于当时直线电机的理论还只是雏形、设计不够完善、且受到材料的性能、制造技术的限制，使得直线电机效率较低，可靠性不高，所以直线电机在这一时期始终未能得到真正的应用。 第二阶段是直线电机的全面开发阶段。由于自动控制技术、制造技术及材料技术的突飞猛进给直线电机的研究应用奠定的坚实的基础。这时期主要以英国莱恩苇特（ELaithwaiter）教授为首的一些人在强调直线电动机基础研究的情况下，取得了不少研究成果，公开发表了直线电机理论分析的文章，并出版了比较系统的介绍直线电机的专著Induction Machines for Special Purpose，这给直线电机领域作出了开创性贡献，也鼓励着世界各地的科学家继续努力。 第三阶段是直线电机的独立应用时代，在这个阶段直线电机找到一条适合自身发展的道路，在旋转电机无能为力的领域大展身手。从此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与产品，如运用直线电机驱动的磁悬浮列车时速达到了 500Km/h，接近了航空飞行速度，电子缝纫机、磁头定位装置以及应用音圈直线电机加工活塞的中凸变椭圆的数控车床等。 2.1 直线电机的结构直线电机在结构上可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变， 它可看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展开成直线，如图2.1所示： 图2.1 旋转电机和直线电机示意图 图2.2 旋转电机演变为直线电机的过程a) 旋转电机 b) 直线电机 a) 沿径向剖开 b) 把圆周展成直线这样就得到了由旋转电机演变而来的最原始的直线电机。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。图2.2所示为演变而来的直线电机，后在结构上作了优化与改进，一般为双边型短初级长次级直线电机，这是扁平直线电机的一种，是目前应用最广泛的结构形式，除此以外，直线电机还可以做圆筒型（也称管型），圆弧型和圆盘型。 2.2 直线电机的工作原理及特点2.2.1 工作原理直线电机是一种通过将封闭式磁场展开为开放式磁场，将电能直接转化为直线运动的机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置一般工作时电动机都是转动的。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，从而省去这套装呢？几十年前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。直线电机不仅结构上由旋转电机演变而来，而且工作原理也与旋转电机非常类似。如下图2.3所示为旋转电机的基本工作原理，图中线圈 AX、BY、CZ 为定子 A、B、C 三相绕组。当在其中通往三相对称正弦电流后，便在气隙中产生旋转磁场，这个磁场可看成沿气隙圆周呈正弦分布。电流变化一个周期，旋转磁场转过一对磁极，它的旋转速度称为同步转速sn (r/min)表示，它与电流的频率f (Hz)成正比，而与电极对数p成反比，如下所示： 用表示定子内圆表面上磁场运动的线速度。为简便起见，图中笼型转子只画出了两根导条。当气隙中旋转磁场以同步速度旋转时，磁场就会切割转子导条，而在其中感应出电动势，由于导条是通过端环短接的，因此在感应电动势的作用下，便在转子导条中产生电流，这个电流与气隙磁场相互作用便产生切向电磁力F。由于转子是圆柱，故转子上每根导条的切向电磁力乘上转子半径，全部加起来即为促使旋转的电磁转矩。图2.3 旋转电机的基本工作原理 图2.4 直线电机的基本工作原理1定子 2转子 3磁场方向 1初级 2次级 3行波磁场将图2.3的旋转电机在顶上沿径向剖开，并将圆周拉直，便成了图2.4的直线电机。当通往三相对称正弦电流后，也会产生气隙磁场。当不考虑横向、纵向的端部效应时，这个气隙磁场也和旋转电机非常相似，也可看成是沿展开的直线方向呈正弦分布。当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A、B、C相序沿直线移动。在原理上与旋转电机类似，不同之处在于：这个磁场是平移的，而不是旋转的，因此称为行波磁场。显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场的的线速度是一样的，即为vs=2ft (m/s)，也称为同步速度。在次级中为简便起见，图中只画出一根导条，次级导条在行波磁场的切割下，将产生感应电动势并产生电流。而所有导条上的电流和气隙磁场的相互作用便产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，次级就顺差行波磁场运动的方向作直线运动。次级移动速度用v表示，转差率用s表示，则有：在直线电机运行状态下，s在0与1之间。这就是直线电机的工作原理。直线电机与传统的旋转电机相比有如下的优势：1、结构简单：不需要一套把旋转运动转换成直线运动的的中间转换机构。2、反应速度快，灵敏度高，随动性好。3、容易密封，不怕污染，适应性强。4、工作稳定可靠，寿命长。5、推力大，额定值高。6、定位精度高。但是直线电机由于结构上的原因，有着如下一些不足：1、直线电机初级铁芯沿磁场移动的方向是开断的，长度是有限的，不连续的，因而对移动磁场来说出现了一个“进入端”和一个“出口端”，这就产生的直线电机所特有的“边端效应”，使得电机的损耗增加，出力减小。2、直线电机初级、次级之间的间隙，由于机械结构的限制和工艺水平的影响，一般要比旋转电机的气隙大2至3 倍，因而使直线电机的功率因数和效率大大降低。3、发热量大，需要较好的冷却系统。直线电机是一种新型电机，近年来应用日益广泛。磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的。磁悬浮列车是一种全新的列车。一般的列车，由于车轮和铁轨之间存在摩擦，限制了速度的提高，它所能达到的最高运行速度不超过300km/n。磁悬浮列车是将列车用磁力悬浮起来，使列车与导轨脱离接触，以减小摩擦，提高车速。列车由直线电机牵引。直线电机的一个级固定于地面，跟导轨一起延伸到远处；另一个级安装在列车上。初级通以交流，列车就沿导轨前进。列车上装有磁体（有的就是兼用直线电机的线圈），磁体随列车运动时，使设在地面上的线圈（或金属板）中产生感应电流，感应电流的磁场和列车上的磁体（或线圈）之间的电磁力把列车悬浮起来。悬浮列车的优点是运行平稳，没有颠簸，噪声小，所需的牵引力很小，只要几千kw的功率就能使悬浮列车的速度达到550kmh。悬浮列车减速的时候，磁场的变化减小，感应电流也减小，磁场减弱，造成悬浮力下降。悬浮列车也配备了车轮装置，它的车轮像飞机一样，在行进时能及时收入列车，停靠时可以放下来，支持列车。 要使质量巨大的列车靠磁力悬浮起来，需要很强的磁场，实用中需要用高温超导线圈产生这样强大的磁场。直线电机除了用于磁悬浮列车外，还广泛地用于其他方面，例如用于传送系统、电气锤、电磁搅拌器等。在我国，直线电机也逐步得到推广和应用。直线电机的原理虽不复杂，但在设计、制造方面有它自己的特点，产品尚不如旋转电机那样成熟，有待进一步研究和改进2.2.2 直线电机的特点优势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。直线电动机的工作原理是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。采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把传动的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为“零传动”。正是由于这种“零传动”方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。(1)高速响应l由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠等），使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。配合伺服驱动器电流环几十K的高速采样特性，系统响应时间达到微秒级。(2)精度l直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高系统的定位精度，运动分辨率达到纳米级。(3)动态刚度高l由于“直接驱动”，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。采用该高精度伺服驱动系统的运动装置的首阶固有频率可以提高到100Hz到500Hz，还可以利用伺服驱动器的自动振动抑制方法消除此共振点的影响。(4)速度快、加减速过程短l也由于上述“零传动”的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度，一般可达210g（g=9.8m/s2），特殊定制的系统加速度可以达到20g个以上；而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.12g。(5) 行程长度不受限制l在导轨上通过串联直线电动机，就可以无限延长其行程长度。(6)运动安静、噪音低l由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。(7)效率高l由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高2.3 直线电机的分类直线电动机和旋转电动机之间存在以上对应关系，因此每种旋转电动机都有相对应的直线电动机，但直线电动机的结构形式比旋转电动机更灵活。直线电动机按工作原理可分为：直线直流电动机、直线感应电动机、直线同步电动机、直线步进电动机、直线压电电动机及直线磁阻电动机：按结构形式可分为平板式、U形及圆筒式。2.4 直线电机的控制技术直线电机的控制技术主要可从两部分来研究：驱动电路部分与控制器部分。 驱动电路要求能够提供大电压、大电流的大功率驱动系统。80年代以前主要以大功率三极管串（并）联的方式进行功率放大，由于各个功率管性能、参数等不一致，比较难以匹配与调试。再加上要自已搭配比较多的外围电路，如保护电路（短路、过流、过热、熔丝、缺相、过压、限幅）、吸收电路等使电路过于庞大，从而出错率增加。近年随着微电子技术的高速发展，大功率开关管IGBT，以及智能型大功率开关功率模块 IPM 已经非常成熟，在普遍的交流伺服系统、以及变频器等装置中都已经成熟的应用。使用 IPM 的优点如下：驱动电路内置，保证的 IGBT 间连线最短，使驱动回路阻抗变低，使系统在最佳状态下驱动IGBT。并且 IPM 还内置了几乎所有的保护电路（短路、过流、过热、缺相、过压），简化了用户电路，缩短了用户开发时间，如三凌的PM30CSJ060。控制器的控制方法可分为开环控制与闭环控制，一般对精度要求不高（如定位精度在0.05mm以上），可采用开环控制，这种控制方式简单可靠。闭环控制时一般在要求定位精度在级时使用，一般需要位置检测装置作为反馈信号进行闭环控制，一般使用高速高精度光栅尺作为位置检测装置。控制方法还可以分为模拟控制器、数字控制器与模拟数字混合控制器。现代控制策略大部分是针对数字控制器而言的，以下针对数字控制器阐述一下控制策略，大致可以分为以下三类：传统控制策略、现在控制策略、智能控制策略。在对象模型确定、不变化且为线性，以及操作条件、运行环境确定不变的条件下，采取传统控制策略是简单有效的。但在高精度微进给的高性能场合，就必须考虑对象的结构与参数变化以及各种不确定因素，才能得到满意的控制效果，这时就必须采用现代控制策略与智能控制策略。传统控制策略有PID反馈控制、解耦控制等，在交流伺服系统中被广泛应用。PID 控制算法蕴涵了动态控制过程中的过去、现在和将来的信息，而且配置几乎为最优，具有较强的鲁棒性，是交流伺服电动机 最基本的控制形式，其应用广泛，并与其它新型控制思想相结合，形成了许多有价值的控制策略。而在速度与电流回路中都具有耦合作用，在动态过程中，可以采用解耦控制算法加以解决，使各变量的耦合减小到最低限度，以使各变量都能得到单独的控制。现代控制策略：1、自适应控制：对于直线伺服电动机特性参数的缓慢变化这一类扰动及其它外界干扰对系统伺服性能的影响，可以采用自适应控制策略加以降低或者消除。自适应控制一般分为模型参考自适应控制和自校正控制。2、变结构控制：它在本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不连续性。由于滑动模态可以进行设计、且与控制对象参数及扰动无关，这就便于变结构控制具有快速响应、对参数及扰动变化不敏感、无需在线辨识与设计等优点，因此在伺服系统中得到了成功的应用。但振动问题限制了它在某些场合的应用。3、鲁棒控制：针对控制对象模型的不确定性（包括模型的不确定性、非线性的线性化、参数与特性时变、漂移、工作环境与外界扰动），设法保持系统的稳定性和品质鲁棒性。主要有代数方法与频域方法。频域方法是从系统的传递函数矩阵出发设计系统，H控制是其比较成熟的方法，其实质是通过使系统由扰动至偏差的传递函数矩阵的H范数取极小或小于某一给定值，据此来设计控制器，对抑制扰动具有良好的效果。4、预见控制：是指对目标值的过去、现在、未来和干扰信号的未来情况完全知道的情况下，使目标值与被控量间的偏差整体达到最小，所以就自然地把其归为在全控制过程期间的某一评价函数取最小值的最优控制理论框架之中。智能控制策略：对控制对象、环境与任务复杂的系统宜采用智能控制方法。模糊逻辑控制、神经网络和专家控制是当前三种比较典型的智能控制策略。现在神经网络与专家控制还不是很成熟，还需要世界各地科学家继续努力探索。模糊控制器专用芯片已经商品化，因其实时性好、控制精度高，在伺服控制系统中已广泛应用。3 直线电机车辆与传统旋转电机车辆的结构特点比较分析3.1 直线电机与旋转电机相比的主要有特点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。直线电机可广泛地应用于工业、民用、军事及其他各种直线运动的场合，采用直线电机驱动的装置和其他非直线电机驱动的装置相比，它具有以下一些优点：(1)采用直线电机驱动的传动装置，它不需要任何转换装置而直接产生推力，因此，它可以省去中间转换机构，简化了整个装置或系统，保证了运行的可靠性、传递效率提高、制造成本降低易于维护(2)普通旋转电机由于受到离心力的作用，其圆周速度受到限制，而直线电机运行时，它的零部件和传动装置不像旋转电机那样会受到离心力的作用，因而它的直线速度可以不受限制(3)直线电机是通过电能直接产生直线电推力的，它在驱动装置当中，其运动时可以无机械接触，使传动零部件无磨损，从而大大减少了机械损耗，例如直线电机驱动的磁悬浮列车就是如此(4)旋转电机通过钢绳、齿条、传动带等转换成直线电机是靠电磁扒力驱动装置运行的，故整个装置或系统噪声很小或无噪声，运行环境好(5)由于直线电机结构简单，且它的初级铁心在嵌线后可以用环氧树脂等密封成整体，所以可以在一些特殊场合中应用，例如可在潮湿甚至水中使用国；可在有腐蚀性气体或有毒、有害气体中应用。亦可在几千度的高温下或零下几百度的低温下使用。(6)由于直线电机结构简单，直线电机的散热也较好，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曝露在空气中，同时次级很长，具有很大的散热面，热量很易散发掉，所以这一类直线电机的热负荷可以取得较高，并且不需要附加冷却装置当然，任何事物都是一分为二的，直线电机也不例外，它也存在着一些不足之处，主要表现在以下两个方面：与同容量旋转电机相比，直线电机(主要是感应式直线电机)的效率和功率因数较小，尤其在低速时比较明显。其原因主要是两个方面引起的，一是直线电机的初次级气隙一般都比旋转电机的气隙大，因此所需的磁化电流就较大，损耗增加；二是由于直线电机初级铁心两端开断，产生了所谓的端部效应，从而引起波形畸变等问题，其结果也导致损耗增加。但从整个装置或系统来看，由于采用直线电机后可省去中间传动装置，因此系统牟效率有时还是比采用旋转电机的高。直线电机特别是直线感应电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的稳定或改变电机的有关特性来减少或消除这种影响。3.2 直线电机和传统的旋转电机+滚珠丝杠运动系统的比较在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传方式又被称为零传动。正是由于这种零传动方式，带来了原直线电机驱动方式无法达的性能指标和优点。(1) 高速响应 由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠等），使整