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长期以来，在各种工程技术中需要直线型驱动力时，主要是采用旋转电机并通过曲柄连杆或蜗轮蜗杆等传动机构来获得的。但是，这种传动形式往往会带来结构复杂，重量重，体积大，啮合精度差，且工作不可靠等缺点。而采用直线电机不需要中间转换装置，能够直接产生直线运动。各种新技术和需求的出现和拓展推动了直线电机的研究和生产，目前在交通运输、机械工业和仪器仪表工业中，直线电机已得到推广和应用。按结构来分，直线电动机可分为平板形、管形、弧形和盘形三种型式。图7-4弧形直线电动机图7-5盘形直线电动机图7-7双边短次级结构直线电动机按初级与次级之间的相对长度来分可分为短初级和短次级，按初级运动还是次级运动来分可分为动初级和动次级。图7-6和图7-7分别表示一种单边短初级结构和图7-6单边短初级结构一种双边短次级结构。单边短初级结构双边短次级与旋转电动机不同，直线电动机是能够直接产生直线运动的电动机，但它却可以看成是从旋转电动机演化而来，如图7-1所示。设想把旋转电动机沿径向剖开，并将圆周展开成直线，就得到了直线电动机。旋转电动机的径向、周向和轴向，在直线电动机中对应地称为法向、纵向和横向；旋转电机的定子、转子在直线电机中称为初级和次级从旋转电动机到直线电机电动机的演化直线电动机的原理当直线电机初级的多相绕组中通入多相电流后，同旋转电机一样，也会产生一个气隙基波磁场，只不过这个磁场的磁通密度波Bδ是沿直线运动的，故称之为行波磁场，如图7-2所示。显然，行波的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，我们用Vs表示，称之为同步速度。Vs=2fτcm/s式中，τ——为极距(cm)；图7–2行波磁场f——为电源频率(Hz)。在行波磁场切割下，次级导条将产生感应电势和电流，所有导条的电流和气隙磁场相互作用，便产生切向电磁力。如果初级是固定不动的，那么次级就顺着行波磁场运动的方向作直线运动。若次级移动的速度用V表示，则滑差率s为：s=从式(7-3)可以看出，直线感应电动机的速度与电机极距及电源频率成正比，因此改变极距或电源频率都可改变电机的速度。与旋转电机一样，改变直线电机初级绕组的通电相序，可改变电机运动的方向，因而可使直线电机作往复直线运动。直线电机的其它特性，如机械特性、调节特性等都与交流伺服电动机相似，通常也是通过改变电源电压或频率来实现对速度的连续调节式中，τ——为极距(cm)；在使用旋转式电机的电动车中，一般是通过齿轮减速将旋转力矩转换为列车的牵引力，同时也受到轮轨间粘着的限制。直线电机电动车的推进力和制动力都利用直线电机，如上所述，有1次侧在车上和地上2种。1次侧在车上时，要将VVVF逆变器和直线电机装载在车上，使车辆重量增加，车辆价格高；但在地面上的设备仅只有反作用板，又降低了建设费用。1次侧在车上的方式已在一部分地铁得到了实际应用。在直线电机的电动车中，推进力由铺设在钢轨间的反作用板直接传递，所以不受粘着的限制，有可能从滑行和空转产生的各种问题中解脱出来，有利于通过大坡道（最大坡度可达60‰～80‰）和小半径曲线（最小半径为50m）的线路。此外，由于直线电机无转动部件，所以不需要轴承和润滑机构，使之结构简单，延长寿命，这是其最大的特点。在旋转电动机中，旋转力矩与其直径的平方成正比，所以要得到大的旋转力矩，电动机的直径就要增大，在直线电机中，这相当于将相应的部分在长度方向延长，而高度方向可以减小。在大型电机中，如果是1级齿轮减速，车轮直径也必须加大；而在直线电机驱动中，则不必如此，所以，可以减小车轮的直径，这将使车辆的地板面的高度降低。以上的优点就是小断面地铁采用直线电机电动车的理由。但是，直线电机的效率低，与相同的地铁比，电力的消耗量多，除这个缺点外，上述的优点也有不能充分发挥的时候。因为不受粘着限制，所以在牵引时，线路的坡度可以取大；但是，在制动时，如果电气制动失效，就必须依赖于机械制动，这受粘着控制，所以，线路的坡度又不能太大。此外，由于直线电机是扁平状的设备，车辆地板面的高度可以降低，这时车轮的直径也可以减小。但直径小的车轮磨耗会加快，所以实际上不能太小。由于扁平状直线电机的长度可以加长，所以，一台转向架装一台电机即可，这就是现在的直线电机地铁为全动车编组的理由之一。与旋转电机传动相比，直线电机传动主要具有下列优点：(1)直线电机由于没有中间转换环节，因而使整个传动机构得到简化，提高了精度，减少了振动和噪音；(2)快速响应：用直线电机驱动时，不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响，因而加速和减速时间短，可实现快速启动和正反向运行；(3)仪表用的直线电机，可以省去电刷和换向器等易损零件，提高可靠性，延长使用寿命；(4)直线电机由于散热面积较大，容易冷却，所以允许较高的电磁负荷，可提高电机的容量定额；(5)装配灵活性大，往往可将电机和其它机件合成一体。2．直线感应电动机的动态纵向边缘效应当次级沿纵向运动时还存在有另一种边缘效应，称为动态纵向边缘效应。图7-10是动态纵向边缘效应的示意图。由电磁感应定律可知，当穿过任一闭合回路的磁通链变化时将产生感应电动势和感应电流。设在次级导电板上有一个闭合回路，处于初级铁心外侧的A处。在它进人到初级铁心下面之前，它基本上不匝链磁通，也不感应涡流。当它从位置A运动到处于初级铁心下面的B处时，它将匝链磁通，这时闭合回路内磁通的变化将引起涡流，而涡流反过来又影响磁场的分布。同样地，当闭合回路从处于初级铁心下面的位置C移到处于初级铁心外侧的位置D时，闭合回路内的磁通又一次变化，又将引起涡流并影响磁场的分布。前一种效应称为入口端边缘效应，后一种效应称为出口端边缘效应。这种纵向边缘效应只有在次级运动时才会发生，为了与前面所说的纵向边缘效应加以区分，称为动态纵向边缘效应。动态纵向边缘效应与次级的运动速度有关，速度越高，效应越严重。需要指出的是，即使速度达到同步速时，此效应同样存在。动态纵向边缘效应所产生的涡流将增加电动机的损耗，并降低功率因数，从而使电动机的输出功率减小。这种效应在高同步转速低转差运行的直线感应电动机中尤为严重。直线感应电动机的横向边缘效应当直线感应电动机采用实心结构时，在行波磁场的作用下，次级导电板中的感应电流呈涡流形状。即使在初级铁心范围内，次级电流也存在纵向分量。在它的作用下，气隙磁通密度沿横向的分布呈马鞍状。这种效应称为横向边缘效应。图7-11给出了次级电流和气隙磁通密度的分布情况。图中，l是初级铁心横向长度，c是次级导电板横向伸出初级铁心的长度。横向边缘效应的存在，使电动机的平均气隙磁通密度降低，电动机的输出功率减小。同时，次级导电板的损耗增大，电动机的效率降低。横向边缘效应的大小，与次级导电板横向伸出初级铁心的长度与极距τ的比值c/τ有关。c/τ越大，横向边缘效应越小。通常取c/τ=0.4左右较合适。c/τ超过0.4后，对横向边缘效应的影响就不显著了。直线感应电动机的应用情况1.高速列车直线电动机用于高速列车是一个举世瞩目的课题。它与磁悬浮技术相结合，可使列车达到很高速度且无振动噪声，成为目前最先进的地面交通工具。日本已研制成功使用直线感应电动机的HSST系列磁悬浮列车模型，电动机采用短初级结构，作为轨道的次级导电板选用铝材，磁悬浮是吸引式的。列车模型的中间下方安放直线感应电动机，两边是若干个转向架，起磁悬浮作用的支承电磁铁安装在各个转向架上，它们可以保证直线感应电动机具有不变的气隙，并能转弯和上下坡。\2．传送车传送车是直线感应电动机传动的一种较典型的应用。一般可分地上初级型和车上初级型两种型式。图7-20所示为一种地上初级型的结构。直线感应电动机的初级置于地面上，而次级置于传送车的下方。电动机的初级可以隔一段距离安放一个，等传送车下方的次级开始进人初级上方时通电，产生推力。其优点是车子结构简单可靠，地面供电安全；缺点是地面上初级较多，制造成本较高。它多用于低速场合，因为传送车仅在初、次级相遇时加速一下，在其他时间靠惯性前进，平均速度可以做得很低。多用于高温、低温、多湿等恶劣环境，如在冷冻仓库中搬运物品。图7-21为车上初级型的结构。直线感应电动机的初级置于传送车的下方，而次级置于地面上。车上初级型降低了地面制造成本，但车子结构相对复杂，并增加了自重。为了车上初级的供电，要架设母线，并在车上通过电刷从母线引人电流，安全性较差。它多用于速度较高的场合。