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直线电机【本章知识架构】直线电机直线感应电动机直线直流电动机基本结构直线步进电动机直线电机的应用化工圆盘形永磁式旋转电机的工作原理电磁式直线电机的工作原理扁平形圆筒形直线运动执行元件信息自动化直线传输装置直线同步电动机机械加工机械手电动门电磁锤电磁打箔机笔式记录仪平面绘图仪磁头驱动机构运煤车新型电梯高速磁悬浮列车常导电磁悬浮记录仪超导电磁悬浮技术永磁悬浮技术【本章教学目标与要求】了解直线电机的发展历史掌握直线电机的基本结构与工作原理掌握各种类型直线电机的结构和原理了解直线电机的典型应用【引言】直线运动与旋转运动是世界上最主要的两种运动方式。至于许多曲线运动，从微观上来看，也还是一些直线运动。目前，很多的直线运动往往都是通过旋转运动转换而成的。例如，火车的直线运动通过蒸汽机带动轮子转换，空中飞机的直线运动通过发动机转动螺旋桨进行转换，海上的轮船、陆上的汽车都是如此。许多直线驱动装置或系统都是采用旋转电动机通过中间转换装置，如链条、钢丝绳、皮带、齿条或丝杆等机构转换为直线运动。由于这些装置或系统有中间转换传动机构，所以整机存在着体积大、效率低、精度差等问题。能否在一个直线驱动装置或系统中不通过中间转换机构而直接产生直线运动呢?回答是肯定的。随着直线电机技术的出现和不断完善，用直线电机驱动一些直线运动装置和系统，可以不需要中间转换机构，通电后直接产生直线驱动力，从而使整个装置和系统的结构显得非常简单，运行可靠，性能更好，控制更方便。在许多场合，其装置和系统的成本比原来的机构更低，且在运行中有节能效果。利用直线电机驱动的装置或系统是一种新型的直线驱动装置与系统。目前在世界上，这种新型的直线驱动装置与系统得到越来越广泛的应用，例如在交通运输方面的磁悬浮列车，磁浮船，地铁车，公路高速车。在物流输送方面的各种流水生产线，各种邮政分拣线，港口、车站、机场的各种搬运线，物料输送系统等。在工业上，各种锻压设备的驱动部分，如冲压机、压力机、电磁锤等；金属加工设备中的车床进刀机构，插床、送料机构、工作台运动等。在信息与自动化方面，从计算机的磁盘读取到绘图仪、打印机、扫描仪、复印机、照相机等。在民用方面，如民用自动门、自动窗帘机、洗衣机、自动床、电子缝纫机、制茶机。在军事方面亦有许多应用，如军用导弹、电磁炮、鱼雷、潜艇等装置。此外，直线电机驱动装置在天文、医疗许多领域亦有不少应用。以下为典型的直线电机驱动系统。图9.1平板型直线电机图9.1为平板型直线电机，具有连续、峰值推力大，行程可无限延长，内置水冷及过热保护装置，寿命长等特点。将完全取代传统的旋转电机+滚珠丝杠运动系统。广泛应用于抽油、电动门业、采矿、传送、印刷、纺织、磁悬浮列车、机械装备行业、数控机床行业、半导体封装行业、医疗设备行业及家用电子设备行业等领域。图9.2直线电机X-Y定位平台图9.2为采用直线电机驱动的X-Y定位平台，具有高速度、高加速度、精确性高且定位快速、无摩擦损耗、运动平顺、可靠度高、耐久使用、维护简单、小型化设计所需空间小、单轴上可有复数动子等特性。主要应用于精密机床、半导体、集成电路板、精密光电、生物科技、激光、精密检测仪器等行业。图9.3磁悬浮列车图9.3为磁悬浮列车运行图。磁悬浮列车利用“同性相斥，异性相吸”的原理，让磁铁具有抗拒地心引力的能力，使车体完全脱离轨道，悬浮在距离轨道约1厘米处，腾空行驶，创造了近乎“零高度”空间飞行的奇迹。悬浮列车有许多优点：列车在铁轨上方悬浮运行，铁轨与车辆不接触，不但运行速度快，能超过500千米／小时，而且运行平稳、舒适，易于实现自动控制；无噪音，不排出有害的废气，有利于环境保护；可节省建设经费；运营、维护和耗能费用低。采用直线电机驱动的新型直线驱动装置与系统和其他非直线电机驱动的装置与系统相比，具有如下一些优点：(1)采用直线电机驱动的传动装置，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，提高传递效率，降低制造成本，易于维护。据国外资料报道，曾经有台直线电机驱动的洗衣机，每天24小时连续不停地工作了7年，而没有作任何维修。(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磁推力的，它在驱动装置当中，其运动时可以无机械接触，故整个装置或系统噪声很小或无噪声；并且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)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，例如可在潮湿环境甚至水中使用，或在有腐蚀性气体中使用。(5)由于散热面积大，容易冷却，直线电机的散热效果比较好，直线电机可以承受较高的电磁负荷，容量定额较高。本章将对这种的新型驱动装置――直线电机进行详细讨论，从直线电机的工作原理，到各种直线电机的结构、工作特性，以及直线电机的发展历史与未来的发展方向进行讨论。以期让读者在直线电机领域得到全方位的认识。9.1直线电机的基本结构直线电机主要是直线电动机，它是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需任何中间转换机构的传动装置。它是20世纪下半叶电工领域中产生的具有新原理、新理论的新技术。它所具有的特殊优势，已越来越引起了人们的重视，不久的将来，它将像微电子技术和计算机技术一样，在人类的各个领域中得到广泛的应用。直线电机的结构可以根据需要制成扁平形、圆筒形或盘形等各种形式，它可以采用交流电源，直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作。图9.4旋转电动机和直线电动机示意图a-旋转电动机；b-直线电动机图9.4所示的a和b分别表示了一台旋转电动机和一台扁平形直线电动机。可以认为，直线电机是旋转电机在结构方面的一种演变，它可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线，这样就得到了由旋转电机演变而来的最原始的直线电机，如图9.5所示。由定子演变而来的一侧称为初级或原边，由转子演变而来的一侧称为次级或副边。图9.5由旋转电机演变为直线电机的过程a-沿径向剖开；b-把圆周展成直线图9.5中演变而来的直线电机，其初级和次级长度是相等的，由于在运行时初级与次级之间要作相对运动，如果在运动开始时，初级与次级正巧对齐，那么在运动中，初级与次级之间互相耦合的部分越来越少，而不能正常运动。为了保证在所需的行程范围内，初级与次级之间的耦合能保持不变，因此实际应用时，将初级与次级制造成不同的长度。在直线电机制造时，既可以是初级短、次级长，也可以是初级长、次级短，前者称做短初级长次级，后者称为长初级短次级。但是由于短初级在制造成本上、运行的费用上均比短次级低得多，因此，目前除特殊场合外，一般均采用短初级，如图9.6所示。图9.6单边型直线电机a-短初级；b-短次级在图9.6中所示的直线电机仅在一边安放初级，对于这样的结构形式称为单边型直线电机。这种结构的电机，一个最大特点是在初级与次级之间存在着一个很大的法向吸力。一般这个法向吸力，在钢次级时为推力的10倍左右，在大多数的场合下，这种法向吸力是不希望存在的，如果在次级的两边都装上初级，那么这个法向吸力可以相互抵消，这种结构形式称为双边型，如图9.7所示。图9.7双边型直线电机a-短初级；b-短次级上述介绍的直线电机称为扁平形直线电机，是目前应用最广泛的。除了上述扁平形直线电机的结构形式外，直线电机还可以做成圆筒形(也称管形)结构，它也可以看作是由旋转电机演变过来的，其演变的过程如图9.8所示图9.8由旋转电机演变为直线电机的过程a-旋转电机；b-扁平形单边直线电机；c-圆筒形直线电机图9.8a表示一台旋转式电机以及定子绕组所构成的磁场极性分布情况；图9.8b表示转变为扁平形直线电机后，初级绕组所构成的磁场极性分布情况；将扁平形直线电机沿着和直线运动相垂直的方向卷接成筒形，这样就构成图9.8c所示的圆筒型直线电机。图9.9是圆盘形直线电机。该电机把次级做成一片圆盘(铜或铝，或铜、铝与铁复合)，将初级放在次级圆盘靠近外缘的平面上，盘形直线电机的初级可以是双面的，也可以是单面的。园盘形直线电机的运动实际上是一个圆周运动，如图中的箭头所示，然而由于它的运行原理和设计方法与扁平形直线电机结构相似，故仍归入直线电机的范畴。图9.9圆盘形直线电机9.2直线感应电动机直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的，而且其工作原理也与旋转电机相似。本节将以直线感应电动机为例，从旋转电机的基本工作原理出发引申出直线电机的基本工作原理。9.2.1旋转电机的基本工作原理旋转电机的磁场为旋转磁场，它的旋转速度称为同步转速，用表示，它与电流的频率(Hz)成正比，而与电机的极对数成反比，如下式所示：60sfnp(rad/min)(9-1)如用sv表示在定子内圆表面上磁场运动的线速度则有：2260ssnvpf(m/s)(9-2)式中——极距，m。图9.10旋转电机的基本工作原理1-定子；2-转子；3-磁场方向图9.10可以说明旋转磁场对转子的作用。为了简单起见，图中鼠笼转子只画出了两根导条。当气隙中旋转磁场以同步转速n，旋转时，该磁场就会切割转子导条，而在其中感应出电动势。电动势的方向可按右手定则确定，示于图中转子导条上。由于转子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。当不考虑电动势和电流的相位差时，电流的方向即为电动势的方向。这个转子电流与气隙磁场相互作用便产生切向电磁力F。电磁力的方向可按左手定则确定。由于转子是个圆柱体，故转子上每根导条的切电磁力乘上转子半径，全部加起采即为促使转子旋转的电磁转矩。由此可以看出，转子旋转的方向与旋转磁场的转向是一致的。转子的转速用表示。在电动机运行状态下，转子转速总要比同步转速小一些，因为一旦，转子就和旋转磁场相对静止了，转子导条不切割磁场，于是感应电动势为零，不能产生电流和电磁转矩。转子转速与同步转速的差值经常用转差率来表示，即nnsnsnnnsnssnnsn(9-3)以上就是一般旋转电机的基本工作原理。9.2.2直线感应电动机的基本工作原理将图9.10所示的旋转电机在顶上沿径向剖开，并将圆周拉直，便成了图9.11所示的直线电机。在这台直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后二也会产生气隙磁场。当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机的相似，即可看成沿展开的直线方向呈正弦形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。这个原理与旋转电机的相似，二者的差异是：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在定子内圆表面上的线速度是一样的，即为，称为同步速度，且图9.11直线电机的基本工作原理1-初级；2-次级；3-行波磁场sv2svf(m/s)(9-4)再来看行波磁场对次级的作用。假定次级为栅形次级，图9.11中仅画出其中的一根导条。次级导条在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流。而所有导条的电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，如果初级是固定不动的，那末次级就顺着行波磁场运动的方向做直线运动。若次级移动的速度用表示，转差率用表示，则有vsssvvsv(9-5)在电动机运行状态下，的大小在0与1之间。上述就是直线电机的基本工作原理。ss应该指出，直线电机的次级大多采用整块金属板或复合金属板，因此并不存在明显的导条。但在分析时，不妨把整块金属板看成是无限多的导条并列组合，这样仍可以应用上述原理进行讨论。图9.12分别画出了假想导条中的感应电流及金属板内电流的分布，图中为初级铁心的叠片厚度，c为次级在长度方向伸出初级铁心的宽度，它用来作为次级感应电流的端部通路，c的大小将影响次级的电阻。ll与旋转电机一样，改变直线感应电动机初级绕组的通电次序，便可以改变电动机运动的方向，这样就可使直线电机