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線性馬達(直線電機)的工作原理

日期:2017/1/11 9:05:12
摘要:線性馬達(直線電機)的工作原理
關鍵詞:線性馬達的工作原理,直線電機的工作原理

所謂線性馬達又稱為直線電機,是一種將傳統的旋轉電機沿軸線方向切開后,將旋轉電機的初級展開作為直線電機(線性馬達)的定子,次級通電后在電磁力的作用下沿著初級做直線運動,成為直線電機(線性馬達)的動子。

     我們常說的磁懸浮,往往和直線電機(線性馬達)驅動有著很大聯系。磁浮運輸系統通常采用“線性馬達”也就是直線電機作為推進系統的。

線性馬達的構成原理

設靠三相交流電力勵磁的移動用電磁石 (作為定子),分左右兩排夾裝在鋁板兩旁 (但不接觸),磁力線與鋁板垂直相交,鋁板即感應而生電流,因而產生驅動力。由于線性感應馬達的定子裝在列車上,較導軌短,因此線性感應馬達又稱為“短定子線性馬達”(Short-stator Motor);線性同步馬達的原理則是將超導電磁石裝于列車上 (當作轉子),軌道上則裝有三相電樞線圈 (作為定子),當軌道上的線圈供應以可變周波數的三相交流電時,即能驅動車輛。由于車輛移動的速度系依與三相交流電周波數成比例的同步速度移動,故稱為線性同步馬達,而又由于線性同步馬達的定子裝于軌道上,與軌道同長,故線性同步馬達又稱為“長定子線性馬達”(Long-stator Motor)。

傳統軌道運輸系統由于使用專用軌道,并以鋼輪作為支撐與導引,因此隨著速度的增加,行駛阻力會遞增,而牽引力則遞減,列車行駛阻力大于牽引力時即無法再加速,故一直無法突破地面運輸系統理論上最高速度每小時375公里的瓶頸 。雖然法國TGV曾創下傳統軌道運輸系統時速515.3公里的世界紀錄,但因輪軌材料會有過熱疲乏的問題,故現今德、法、西、日等國之高鐵商業營運時速均不超過300公里。

    因此,如要進一步提升車輛速度,必須放棄傳統以車輪行駛之方式,而采用“磁力懸浮”(Magnetic Levitation,簡稱“磁浮”Maglev) 的方式,使列車浮離車道行駛,以減少摩擦力、大幅提高車輛的速度。此一浮離車道的作法,除不會造成噪音或空氣污染外,并可增進能源使用之效率。另外采用“線性馬達”(Linear Motor) 亦可加快該磁浮運輸系統的速度,因此使用線性馬達的磁浮運輸系統應運而生。

所謂磁浮運輸系統就是利用磁力相吸或相斥的原理,使列車浮離車道,此磁力的來源可分為“常電導磁石”(Permanent Magnets) 或“超導磁石”(Super Conducting Magnets, SCM)。所謂的常電導磁石就是一般的電磁鐵,即只有通電時才具有磁性,電流一切斷則磁性消失,由于列車在極高速時集電困難,故常電導磁石僅能適用于采用磁力相斥原理、速度相對較慢 (約300kph) 的磁浮列車;至于速度高達500kph以上的磁浮列車 (利用磁力相吸原理),就非使用通一次電就永久具有磁性 (因此列車可以不用集電) 之超導磁石不可。

因磁浮運輸系統是利用磁力相吸或相斥的原理,故導致其分為“電動懸浮”(Electrodynamic Suspension, EDS) 與“電磁懸浮”(Electromagnetic Suspension, EMS) 兩種型態。電動懸浮 (EDS) 是利用同性相斥的原理,當列車經由外力而移動,裝置于列車上的常電導磁石產生移動磁場,而在軌道上的線圈產生感應電流,此電流再生磁場,由于此二磁場方向相同,故列車與軌道間產生互斥力,列車隨即由此互斥力舉升而懸浮。因列車的懸浮是靠兩磁場作用力相互平衡而達成,故其懸浮高度可固定不變 (約10 ~ 15mm),列車即因此具有相當之穩定性。此外,列車必須先以其他方式啟動,其所帶之磁場才能產生感應電流與磁場,車輛才會懸浮;因此,列車必須裝置車輪以便“起飛”與“降落”之用,當速度達40kph以上時,列車開始懸浮 (即“起飛”),車輪自動收起;同理當速度漸減不再懸浮時,車輪自動放下以便滑行 (即“降落”)。通常采用電動懸浮 (EDS) 的系統,只能以“線性同步馬達”(Linear Synchronous Motor, LSM) 作為推進系統,且其速度相對較慢 (約300kph)。

電動懸浮系統 (EDS) 與線性同步馬達 (LSM) 的組合

電磁懸浮 (EMS) 則是利用異性相吸的原理,列車兩側向導軌環抱 (類似跨座式單軌系統),列車環抱的下部裝有電磁石,導軌的底部裝有鋼板代替線圈,此時導軌之鋼板在上,而列車之電磁石在下,當通電勵磁時,電磁石產生之磁場吸引力吸引列車向上,列車因重力而下沉,兩力平衡時使列車與導軌間產生間隙 (Gap),列車即因此懸浮,其懸浮高度 (約10 ~ 15mm) 因磁力強弱而產生變化,故磁場之勵磁電流須采封閉回路以保持磁力穩定。此外,列車一開始 (速度為零時) 即可產生懸浮,因此列車不須裝置車輪。通常采用電磁懸浮 (EMS) 的系統,可采用“線性感應馬達”(Linear Induction Motor, LIM) 或線性同步馬達 (LSM) 作為推進系統,其速度可高達500kph以上。

    直線電機(線性馬達)除了用于磁懸浮列車外,還廣泛地用于其他方面,例如用于傳送系統、電氣錘、電磁攪拌器等.在我國,直線電機(線性馬達)也逐步得到推廣和應用.直線電機的原理雖不復雜,但在設計、制造方面有它自己的特點,產品尚不如旋轉電機那樣成熟,因此直線電機價格一直居高不下,對于直線電機有待進一步進行研究和改進。