直线电动机.docx

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直线电动机

直流电动机

直线电动机不需要任何中间转换机构就能产生直线运动，驱动直线运动的生产机械，因此可使系统结构简单、运行可靠、精度和效率高。

由于具有以上优点，直线电动机应用非常广泛。

直线电动机的类型很多，从原理上讲，每一种旋转电动机都有与之相对应的直线电动机。

直线电动机按其工作原理可分为直线感应电动机、直线直流电动机、直线同步电动机、直线步迸电动机等。

按结构形式可分为扇平型、圆筒型（或管型）、圆盘型和圆弧型4种。

此外还有一些特殊的结构。

一、直线感应电动机

（一）、直线感应电动机的主要类型和基本结构

直线感应电动机主要有扁平型、圆筒型和圈盘型3种类型其中，扁平型应用最为广泛。

1.扁平型

直线电动机可以看作是由旋转式感应电动机演变而来的。

设想把旋转感应电动机沿径向剖开，并将圆周展开成直线，即可得到扁平型直线感应电动机，如图9-1所示。

由定子演变而来的一侧称为一次侧，由转子演变而来的一侧称为二次侧。

图9-1b所示的直线感应电勃机，其一次侧和二次侧长度是相等的。

由于运行时一次侧和二次侧之间要作相对运动，为了保证在所需的行程范围内，一次侧和二次侧之间的电磁耦合始终不变，实际应用时，必须把一次侧和二次侧制造成不同长度，既可以是一次侧长、二次侧短，也可以是一次侧短，二次侧长。

前者称为长一次侧，后都称短一次侧，如图9-2所示。

由于短一次侧结构比较简单，制造成本和运行费用均比较低，故除特殊场合外，一般均采用短一次侧。

图9-2所示的扁平型直线感应电动机，仅在二次侧的一边具有一次侧，这种结构形式称为单边型。

它的最大特点是在—次侧和二次侧之间存在较大的法向吸力，这在大多数场合下是不希望发生的。

若在二次侧的两边都装上一次侧,则法向吸力可以互相抵消，这种结构形式称为双边型，如图9-3所示。

扁平型直线感应电动机的—次侧铁心由硅钢片叠成，与二次侧相对的一面开有槽，槽中放置绕组。

绕组可以是单相、两相、三相或多相的。

二次侧有两种结构类型：

一种是栅型结构，铁心上开槽，槽中放置导条；并用端部导条连接所有槽中导条；另一种是实心结构，采用整块均匀的金属材料，可分为非磁性二次侧和钢二次侧。

非磁性二次侧的导电性能好，一般为铜或铝。

2.圆筒型（管型）：

将图2a所示的扁平型直线感应电动机沿着和直线运动相垂直的的方向卷成筒形，就形成了圆筒型直线感应电动机，如图9-4所示。

在特殊场合，这种电动机还可以制成既有旋转运动又有直线运动的旋转直线电动机。

旋转直线的运动体可以是一次侧，也可以是二次侧。

；

3.圆盘型

圆盘型直线感应电动机如图9-5所示。

它的二次侧做成扁平的圆盘形状，能绕通过圆心的轴自由转动：

将一次侧放在二次侧圆盘靠外边缘的平面上，使圆盘受切向力作旋转运动。

但其运行原理和设计方法与扁平型直线感应电动机相同，故仍属直线电动机范畴。

与普通旋转电动机相比，它具有以下优点：

1）转矩与旋转速度可以通过多台一次侧组合或者通过一次侧在圆盘上的径向位置来调节。

2）无需经过齿轮减速箱就能得到较低的转速，因而电动机的振动和噪声很小。

（二）、直线感应电动机的基本工作原理

直线感应电动机是由旋转电动机演变而来。

当一次侧的三相（或多相）绕组通入对称正弦交流电流时，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缘效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电动机相似，沿着直线方向按正弦规律分布。

但它不是旋转而是沿着直线平移，称为行波磁场，如图9-6中曲线所示。

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。

行波磁场移动的速度称为同步速度，即

式中D-旋转电动机定手内圆周的直径；

Γ-极距，Γ=πD/2p

p-极对数

f1一电源的频率。

行波磁场切割二次侧导条，将在导条中产生感应电动势和电流，导条的电流和气隙磁场相互作用，产生切向电磁力。

如果一次侧固定不动，则二次侧便在这个电磁力的作用下，顺着行波磁场的移动方向作直线运动。

若二次侧移动的速度用v表示，转差率用s表示，则有

在电动状态时，S在0和1之间。

二次侧的移动速度为

可见，改变极距或电源频率，均可改变二次侧移动的速度；改变一次绕组中通电相序，可改变二次侧移动的方向。

（三）、直线感应电动机的工作特性

图9-7分别示出了直线感应电动机的推力——转差率特性和旋转感应电动机的转矩——转差率特性。

旋转感应电动机的最大转矩一般出现在较低的转差处，而直线感应电动机的最大推力则发生在高转差处，即s=1附近。

因此，直线感应电动机的起动推力大，在高速区推力小。

它的推力——速度特性近似为一直线，具有较好的控制品质，如图9-8所示。

它的推力可由下式求得:

（四）、直线感应电动机的边缘效应

1.纵向边缘效应

由于直线感应电动机的一次侧铁心是长直的，两端开断形成两个纵向边缘，又因为铁心及槽中的绕组在两端不连续，使各相之间的互感不相等。

即使一次侧绕组的供电交流电压对称，也会使各相绕组中产生不对称的电流。

它除了正序电流分量外，还会出现负序和零序电流分量。

负序电流分量引起负序反向行波磁场，零序电流分量引起零序脉振磁场，这都将在二次侧运行的过程中产生阻力和附加损耗。

此现象称直线感应电动机的静态纵向边缘效应。

直线感应电动机二次侧运动时，还存在另一种边缘效应，称为动态纵向边缘效应，如图9-9所示。

设在二次侧导体上有一闭合回路，当它从位置S1进入到一次侧铁心下面的位置s2时，它将切割磁力线，回路内产生感应电动势和电流，该电流反过来要影响磁场的分布，这种效应称为入口端边缘效应。

当闭合回路从位置s4移动到位置s5时，闭合回路内的磁通又一次变化，又将引起感应电动势和电流，并影响磁场变化，这种效应称为出口边缘效应。

这种边缘效应同样会产生附加损耗和附加力。

纵向边缘效应都将增加附加损耗，减小直线电动机的有效输出，影响直线电动机的运行特性。

如何改善纵向边缘效应对直线电动机的影响，是目前正在研究的课题之一。

2.横向边缘效应

当直线感应电动机的二次侧采用实心结构时，在行波磁场的作用下，二次侧导电板中产生感应电动势，从而产生涡流形状的感应电流。

该电流对气隙磁场沿横向分布的影响，称为直线电动机的横向边缘效应。

图9-10a所示为二次电流和气隙磁通密度的分布情况。

图中L是一次侧铁心横向宽度，C是二次侧导电板横向伸出一次侧铁心的长度。

从二次电流路径图上可以看出，它包含有纵向分量Ix和横向分量Iz。

电流的横向分量只改变合成气隙磁通密度的幅值，而不改变它的分布形状；电流的纵向分量对空载气隙磁场有去磁作用，而且在电流分布越密集的地方去磁作用越强，使合成气隙磁通密度沿横轴的分布呈马鞍状，它与空载气隙磁通密度的分布形状（见图9–10b中的虚线）明显不同。

横向边缘效应的存在，使直线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，二次侧导电板的损耗增大，电动机的效率降低。

横向边缘效应的大小，与二次侧导电板横向伸出一次侧铁心的长度C与极距Γ的比值有关，比值越大，横向边缘效应越小。

可见一次侧和二次侧相等宽度的直线感应电动机的横向边缘效应要大—些。

二、直线直流电动机

直线直流电动机通常做成圆筒型。

它的优点是：

结构简单，运行效率高，控制较方便、灵活并且和闭环控制系统结合可精密控制其位移、速度和加速度，控制范围广，调速平滑性好。

它的缺点是：

存在带绕组的电枢和电刷。

直线直流电动机应用非常广泛，如在工业检测、自动控制、信息系统以及其他技术领域中都有应用。

直线直流电动机类型较多，按励磁方式可分为永磁式和电磁式两大类。

前者多用于驱动功率较小的场合，如自动控制仪器、仪表；后者多用于驱动功率较大的场合。

（一）永磁式直线直流电动机

永磁式直线直流电动机的磁极由永久磁铁做成，按其结构特征可分为动圈型和动铁型两种。

动圈型在实际中用得较多。

如图9-11所示，在铁架两端装有极性同向的两块永久磁铁，当移动绕组中通直流电流时，便产生电磁力。

只要电磁力大于滑轨上的静摩擦阻力，绕组就沿着滑轨作直线运动，运动的方向由左手定则确定。

改变绕组中直流电流的大小和方向，即可改变电磁力的大小和方向。

电磁力的大小为

在上述基本结构的基础上，动圈型永磁直线直流电动机还有其他的实用结构。

按结构特性可分为两类，第一类是带有平面矩形磁铁的动圈型直线永磁式直流电动机，如图9-12所示。

它的结构简单，但绕组总体没有得到充分利用；在小气隙中，活动系统的定位较困难；漏磁通大，即磁铁未得到充分利用。

第二类是带有环形磁铁的动圈型直线永磁式直流电动机，如图9-13所示。

其结构主要是圆筒型的，绕组的有效长度能得到充分利用。

动铁型直线永磁式直流电动机如图9-14所示，在一个软铁框架上套有绕组，该绕组的长度要包括整个行程。

为了降低电能的消耗，利用安装在磁极上的电刷把电流引入绕组中。

这样，当磁铁移动时，电刷跟着滑动，只让绕组的工作部分通电，其余不工作的部分没有电流流过。

由于电刷的存在，降低了运行的可靠性和寿命，另外由于电枢较长，电枢绕组用铜量较太大。

其优点是电动机行程可做得很长，还可做成无接触式直线直流电动机。

（二）、电磁式直线直流电动机

任一种永磁式直线直流电动机，只要把永久磁铁改成电磁铁，就成为电磁式直线直流电动机,它同样也有动圈型和动铁型两种。

图9-15所示为电磁式动圈型直线直流电动机的结构。

当励磁绕组通电后产生磁通并与移动绕组的通电导体相互作用产生电磁力，克服滑轨上的静摩擦力，移动绕组便作直线运动。

对于动圈型直线直线电动机，电磁式的成本要比永进式低。

这是因为永磁所用的永磁材料在整个行程上都存在，而电磁式只用一般材料的励磁绕组即可；永磁材料质硬，机械加工费用大；电磁式可通过串、并联励磁绕组和附加补偿绕组等方式改善电动机的性能，灵活性较强。

但电磁式比永磁式多了一项励磁损耗。

电磁式动铁型直线直线电动机通常做成多极式。

图9-16所示为三磁极式直线直流电动机。

当环型励磁绕组通电时，便产生磁通，径向穿过气隙和电枢绕组，在铁心中由径向过度到轴向，形成闭合回路，如图9-16中虚线所示。

径向气隙磁场与通电的电枢绕组相互作用产生轴向电磁力，推动磁扱作直线运动。

当这种电动机用于短行程和低速移动时，可以省掉滑动的电刷。

如果行程很长，为了提高效率，同永磁式直线电动机一样，在磁极上装上电刷，使电流只在电枢绕组的工作段流过。

三、直线和平面步进电动机

　旋转式步进电动机由于有很多优点，已成为除直流伺服电动机和交流伺服电动机外的第三大类执行电动机。

但在许多自动装置中，要求某些机构能够快速地作直线或平面运动，而且要保证精确的定位，在这种情况下，使用直线步进电动机或平面步进电动机最合适。

一、直线步进电动机

直线步进电动机有多种结构类型，按其电磁推力产生的原理可分为反应式和混合式两种。

１.反应式直线步进电动机

图９-１７所示为一台三相反应式直线步进电动机的结构原理。

它的定子和动子铁心都由硅钢片叠成，定子上、工表面都有均匀的齿，动子极上装有三相控制绕组，每个极面也有均匀的齿，动子与定子的齿距相同：

反应式电动机的工作原理与旋转式电动机完全相同，当某一相控费绕组通电时，该相动子的齿与定子的齿对齐，使磁路的磁阻最小，相邻的相的动子齿轴线与定子轴线错开1/3齿距：

显然，当控制绕组按Ａ-Ｂ-Ｃ-Ａ的顺序通电时，动子将以1/3齿距的步距移动。

当通电顺序改为A-C-B-A时，动子则向相反方向步进移动。

若为六拍则步距减小1/2。

２.混合式直线步进电动机

混合式直线步进电动机的磁场推力，不仅和各相控制绕组通入的脉冲电流大小有关，而且还和永久磁铁所产生磁场的大小有关。

当各相控制绕组中的电流按某一规律变化时，使各极下磁场位置发生变化，从而产生磁场推力，使步进电动机的动子在某个方向上产生直线运动:

图９-１８所示为混合式直线步进电动机的结构和工作原理。

它的定子和反应式直线步进电动机相同。

动子由一块永久磁铁和两个“π”型电磁铁组成，其上面装有A相和B相控制绕组，电磁铁的铁心由硅钢片叠成。

磁极1与2或磁极3与4之间距离为定子齿距ｔ的（Ｋ１±1/2）倍，其中Ｋ１取正整数。

图9-18中，Ｋ１＝１，即磁极1与2和磁极3与4之间的距离为定子齿距的1.5倍。

这样，磁极1（或磁极3）和定子的齿对齐时、磁极2（或磁极4）正好对着定子槽。

而磁极2和磁极3之间的距离应为定子齿距ｔ的（Ｋ2±1/4）倍，其中Ｋ2取整数。

图9-18中，Ｋ2＝２，即磁极2与磁极3之间的距离为定子齿距的１.７５倍。

当电磁铁绕组中没有通电时，永久磁铁向所有的磁极提供大致相等的磁通，即Φｍ/２（Φｍ是永久磁铁的总磁通），其磁通的方向如图9-18ａ中的虚线所示。

此时动子上没有水平推力，动子可以稳定在任何随机位置上。

^

当A相绕组中通入正向电流ＩＡ时，电流方向和磁通的路径如图9-18ａ中的实线所示。

这时在磁极1中的磁通和永久磁铁的磁通同方向，而在磁极2中的磁通和永久磁铁的磁通反方向，二者互相抵消，接近于零。

显然，此时磁极1所受的电磁力最大，磁极2所受的电磁力几乎为零。

由于Ｂ相绕组没有通过电流，磁极3和4在水平方向的力为大小相等，方向相反，相互抵消。

动子的运动由磁极1所受的电磁力决定，磁极1必然要运动到和定子齿1‘对齐的位置，—如图9-18c所示的位置，即动子在水平电磁力的作用下向右移动了1/4齿距。

当B相绕组断电，给A相绕组通人正向电流IA，其方向如图9-18d所示。

同理磁极2的磁通为最大，磁极1中的磁通接近于零，磁极2所受的电磁力最大，使磁极2对准定子齿3‘，动子由图9-1813所示的位置移动到图9―180所示的位置，即动子在水平电磁力的作用下沿水平方向向右移动了1/4齿距。

同理，A相绕组断电，给B相绕组通人正向电流IB,动子沿水平方向再向右移动了1/4齿距，使磁极3和定子齿5'对齐，如图9-18e所示0依次类推，这种情况如两相单四拍运行方式，经过四拍，动子沿水平方向右移动了一个定子齿距。

若要使动子沿水平方向向左移动，只需将以上4个阶段的通电顺序倒过来即可。

在实际使用中，为减小步距，削弱振动和噪声，可采用类似细分电路的电源供电，使电动机实现微步距移动。

也可以在A相和B相绕组中同时加入交流电，若A相绕组中通入正弦电流，则B相绕组中通人余弦电流。

这种控制方式由于电流是连续变化的，电动机的电磁力也是逐渐变化的，既有利于电动机起动，又可使电动机的动子平滑移动，振动和噪声也很小。

（二）、平面步进电动机

平面步进电动机是由两台动子成正交排列的直线步进电动机构成。

定子制成平面型，上面开有X轴和Y轴方向的齿槽,定子齿排成方格形。

两个正交排列的动子安装在同一动子机架上，如图9-19所示。

其中一台动子沿着X轴方向移动，另一台动子沿着Y轴方向移动，这样动子机架就可以在XY平面上作任意几何轨迹的运动，并能定位在平面的任何一点上。

在实际使用时，还需在编制控制程序时采用适当的措施使动子能够加速或制动。

另外，平面步进电动机还可以采用气垫装置，将动子支承起来，使它不与定子间相互摩擦，实现快速移动。

四、直线电动机应用举例

直线电动机能直接产生直线运动，可省去中间的机械传动装置，在交通运输、机械工业和仪器仪表工业等技术领域得到广泛的应用。

一、高速列车^

利用直线电动机驱动的高速列车--磁悬浮列车是直线电动机应用的典型一例。

它的时速可达40㎞/h以上。

磁悬浮列车就是采用磁力悬浮车体，应用直线电动机驱动技术，使列车在轨道上浮起滑行。

其突出优点是速度快、舒适、安全、节能等。

磁悬浮列车按其机理可分两类：

1.常导吸浮型

常导吸浮型是用一般的导电线圈，以异性磁极相吸的原理，使列车悬浮在轨道上，通常由感应或同步直线电动机驱动。

图9-20所示为常导吸浮型直线电动机的组成。

它的时速可设计为几百公里/小时，磁悬浮高度一般在10mm左右。

它是将直线感应电动机的短一次恻安装在车辆上，由铁磁材料制成的轨道为长二次侧，同时在车上还装有悬浮电磁铁,产生电磁吸力将车辆从下面拉向轨道并保持一定的垂直距离。

它是以车上的磁体与铁磁轨道之间产生的吸引力为基础，通过闭环控制系统调节电压和频率来控制车速，通过控制磁场作用力来改变推力的方向，使磁悬浮列车实现非接触的制动功能。

此外它还装有由导向线圈组成的导向装置。

2.超导斥浮型

超导斥浮型是用低温超导线圈，以同性磁极相斥的原理，使列车悬浮在轨道上，通常由感应或同步直线电动机驱动。

图9-21所示为超导斥浮型直线电动的组成。

在车上装有直线感应电动机的一次侧超导磁体和超导电磁铁，而将直线感应电动机的二次侧和悬浮线圈都装在地面轨道内。

它是以装在车上的磁体与轨道之间产生的锥斥力为基础的。

电动机只有速度不为零时工作，推斥力随车速的增加而增加。

另外，在高速运行中，除了上述推进和浮的特点外，也有导向装置。

二、笔式记录仪

笔式记录仪由直线直流电动机、运算放大器和平衡电桥3个基本环节组成，如图9-22所示。

电桥平衡时，没有电流输出，这时直线电动机所带的记录笔处在仪表的指零位置。

当外来信号Ew不等于零时，电桥失去平衡产生一定的输出电压和电流,推动直线电动机的可动绕组作直线运动，从而带动记录笔在记录纸上把信号记录下来。

同时直线电动机还带动反馈电位器滑动，使电桥趋向新的平衡。

三、自动绘图机

自动绘图机由绘图台和控制器两部分组成。

由平面步进电动机组成绘图台，电动机的动子直接作平面运动，带动绘图笔（或刻刀、光源等）作平面运动，实现髙速度、高精度、高可靠性及耐久性的平面运动及定位。

图9-23所示为自动绘图机绘图台的结构。

图中笔架5直接固定在电动机的动子上，动子沿定子平板1运动，并带动绘图笔4在固定于平台6上面的绘图介质上绘制图形。

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