線性馬達(dá)(直線電機(jī))的工作原理

1、所謂線性馬達(dá)又稱為直線電機(jī)，是一種將傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿軸線方向切開(kāi)后，將旋轉(zhuǎn)電機(jī)的初級(jí)展開(kāi)作為直線電機(jī)（線性馬達(dá)）的定子，次級(jí)通電后在電磁力的作用下沿著初級(jí)做直線運(yùn)動(dòng)，成為直線電機(jī)（線性馬達(dá)）的動(dòng)子。我們常說(shuō)的磁懸浮，往往和直線電機(jī)（線性馬達(dá)）驅(qū)動(dòng)有著很大聯(lián)系。磁浮運(yùn)輸系統(tǒng)通常采用“線性馬達(dá)”也就是直線電機(jī)作為推進(jìn)系統(tǒng)的。線性馬達(dá)的構(gòu)成原理 設(shè)靠三相交流電力勵(lì)磁的移動(dòng)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(yīng)而生電流，因而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。由于線性感應(yīng)馬達(dá)的定子裝在列車上，較導(dǎo)軌短，因此線性感應(yīng)馬達(dá)又稱為“短定子線性馬達(dá)”(Short-stator

2、 Motor)；線性同步馬達(dá)的原理則是將超導(dǎo)電磁石裝于列車上 (當(dāng)作轉(zhuǎn)子)，軌道上則裝有三相電樞線圈 (作為定子)，當(dāng)軌道上的線圈供應(yīng)以可變周波數(shù)的三相交流電時(shí)，即能驅(qū)動(dòng)車輛。由于車輛移動(dòng)的速度系依與三相交流電周波數(shù)成比例的同步速度移動(dòng)，故稱為線性同步馬達(dá)，而又由于線性同步馬達(dá)的定子裝于軌道上，與軌道同長(zhǎng)，故線性同步馬達(dá)又稱為“長(zhǎng)定子線性馬達(dá)”(Long-stator Motor)。傳統(tǒng)軌道運(yùn)輸系統(tǒng)由于使用專用軌道，并以鋼輪作為支撐與導(dǎo)引，因此隨著速度的增加，行駛阻力會(huì)遞增，而牽引力則遞減，列車行駛阻力大于牽引力時(shí)即無(wú)法再加速，故一直無(wú)法突破地面運(yùn)輸系統(tǒng)理論上最高速度每小時(shí)375公里的瓶頸 。

3、雖然法國(guó)TGV曾創(chuàng)下傳統(tǒng)軌道運(yùn)輸系統(tǒng)時(shí)速515.3公里的世界紀(jì)錄，但因輪軌材料會(huì)有過(guò)熱疲乏的問(wèn)題，故現(xiàn)今德、法、西、日等國(guó)之高鐵商業(yè)營(yíng)運(yùn)時(shí)速均不超過(guò)300公里。因此，如要進(jìn)一步提升車輛速度，必須放棄傳統(tǒng)以車輪行駛之方式，而采用“磁力懸浮”(Magnetic Levitation，簡(jiǎn)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(huì)造成噪音或空氣污染外，并可增進(jìn)能源使用之效率。另外采用“線性馬達(dá)”(Linear Motor) 亦可加快該磁浮運(yùn)輸系統(tǒng)的速度，因此使用線性馬達(dá)的磁浮運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。所謂磁浮運(yùn)輸系統(tǒng)就是利用磁力相吸或相斥

4、的原理，使列車浮離車道，此磁力的來(lái)源可分為“常電導(dǎo)磁石”(Permanent Magnets) 或“超導(dǎo)磁石”(Super Conducting Magnets, SCM)。所謂的常電導(dǎo)磁石就是一般的電磁鐵，即只有通電時(shí)才具有磁性，電流一切斷則磁性消失，由于列車在極高速時(shí)集電困難，故常電導(dǎo)磁石僅能適用于采用磁力相斥原理、速度相對(duì)較慢 (約300kph) 的磁浮列車；至于速度高達(dá)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(dǎo)磁石不可。因磁浮運(yùn)輸系統(tǒng)是利用磁力相吸或相斥的原理，故導(dǎo)致其分為“電動(dòng)懸浮”(Electrodynamic

5、 Suspension, EDS) 與“電磁懸浮”(Electromagnetic Suspension, EMS) 兩種型態(tài)。電動(dòng)懸浮 (EDS) 是利用同性相斥的原理，當(dāng)列車經(jīng)由外力而移動(dòng)，裝置于列車上的常電導(dǎo)磁石產(chǎn)生移動(dòng)磁場(chǎng)，而在軌道上的線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流再生磁場(chǎng)，由于此二磁場(chǎng)方向相同，故列車與軌道間產(chǎn)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?jī)纱艌?chǎng)作用力相互平衡而達(dá)成，故其懸浮高度可固定不變 (約10 15mm)，列車即因此具有相當(dāng)之穩(wěn)定性。此外，列車必須先以其他方式啟動(dòng)，其所帶之磁場(chǎng)才能產(chǎn)生感應(yīng)電流與磁場(chǎng)，車輛才會(huì)懸??；因此，列車必須裝置車輪以便“起飛”與“降落”

6、之用，當(dāng)速度達(dá)40kph以上時(shí)，列車開(kāi)始懸浮 (即“起飛”)，車輪自動(dòng)收起；同理當(dāng)速度漸減不再懸浮時(shí)，車輪自動(dòng)放下以便滑行 (即“降落”)。通常采用電動(dòng)懸浮 (EDS) 的系統(tǒng)，只能以“線性同步馬達(dá)”(Linear Synchronous Motor, LSM) 作為推進(jìn)系統(tǒng)，且其速度相對(duì)較慢 (約300kph)。電動(dòng)懸浮系統(tǒng) (EDS) 與線性同步馬達(dá) (LSM) 的組合 電磁懸浮 (EMS) 則是利用異性相吸的原理，列車兩側(cè)向?qū)к壄h(huán)抱 (類似跨座式單軌系統(tǒng))，列車環(huán)抱的下部裝有電磁石，導(dǎo)軌的底部裝有鋼板代替線圈，此時(shí)導(dǎo)軌之鋼板在上，而列車之電磁石在下，當(dāng)通電勵(lì)磁時(shí)，電磁石產(chǎn)生之磁場(chǎng)吸引力吸引列車向上，列車因重力而下沉，兩力平衡時(shí)使列車與導(dǎo)軌間產(chǎn)生間隙 (Gap)，列車即因此懸浮，其懸浮高度 (約10 15mm) 因磁力強(qiáng)弱而產(chǎn)生變化，故磁場(chǎng)之勵(lì)磁電流須采封閉回路以保持磁力穩(wěn)定。此外，列車一開(kāi)始 (速度為零時(shí)) 即可產(chǎn)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(tǒng)，可采用“線性感應(yīng)馬達(dá)”(Linear Induction Motor, LIM) 或線性同步馬達(dá) (LSM) 作為推進(jìn)系統(tǒng)，其速度可高達(dá)500kph以上。直線電機(jī)（線性馬達(dá)）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(tǒng)、電氣錘