直线电机

直线电机原理及发展应用年级: 电车三班学号: 20116831姓名: 周翼专业: 电车指导老师: 仵文杰二零一四年三月【内容摘要】：直线电机因结构简单、噪声小、精度高等优点得到广泛应用.文章介绍了直线电机的发展历史，工作原理，在各个方面尤其是城轨方面的应用实例，表明了直线电机有广阔的发展前景以及在发展过程中急需解决的问题。

关键词：直线电机、原理、历史、发展、应用、城轨。

一直线电机的发展历史1840年Wheatsone开始提出和制作了略具雏形的直线电机。

从那时至今，在160多年的历史中，直线电机经历了三个时期。

1：从1840年到1955年的116年期间，直线电机从设想到实验到部分实验性应用，经历了一个不断探索，屡遭失败的过程。

自从Wheatsone提出和试制了直线电机以后，最早明确地提到直线电机文章的是1890年美国匹兹堡市的市长，在他所写的一篇文章中，首先明确地提到了直线电机以及它的专利。

然而，由于当时的制造技术、工程材料以及控制技术的水平，在经过断断续续20多年的顽强努力后，最终却未能获得成功。

至1905年，曾有两人分别建议将直线电动机作为火车的推进机构，一种建议是将初级放在轨道上，另一种建议是将初级放在车辆底部。

这些建议无疑是给当时直线电机研究领域的科研人员的一剂兴奋剂，以致许多国家的科研人员都投入了这些研究工作。

1917年出现了第一台圆筒形直线电动机，事实上那是一种具有换接初级线圈的直流磁阻电动机，人们试图把它作为导弹发射装置，但其发展并没有超出模型阶段。

至此，从1930~1940年期间，直线电机进入了实验研究阶段，在这个阶段中，科研人员获驭了大量的实验数据，从而对已有理论有了更深一层的认识，奠定了直线电机在今后的应用基础。

从1940～1955年期间世界一些发达国家科研人员，在实验的基础上，又进行了一些实验应用工作。

1945年，美国西屋电气公司首先研制成功的电力牵引飞机弹射器，它以7400kW的直线电动机为动力，成功地用4.1s的时间将一架重4535kg，的喷气式飞机在165m的行程内由静止加速的188km/h的速度，它的试验成功，使直线电动机可靠性好等优点受到了应有的重视，随后，美国利用直线电机制成的、用作抽汲钾、钠等液态金属的电磁泵，为的是核动力中的需要。

1954年，英国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直流直线电机制成了发射导弹的装置，其速度可达1600km/h。

在这个阶段中，尤需值得一提的是，直线电机作为高速列车的驱动装置得到了各国的高度重视并计划予以实施。

在1840～1955年期间，是直线电机探索实验和部分实验应用时期，在直线电机与旋转电机的相互竞争中，由于直线电机的成本和效率方面没有能够战胜旋转电机，或者说，直线电机还没能找到唯独它能解决问题的领域，以及直线电机在设计方面也没有突破性的成功，所以直线电机在这一时期始终未能得到真正的应用。

2：自1955年以来，直线电机进入了全面的开发阶段，特别是该时期的控制技术和材料的惊人发展，更加助长了这种势头。

在这段时期，申请直线机的专利件数也开始急速增加，该时期直线电机专利的增长率超过了所有其他技术领域的平均增长率。

到1965年以后，随着控制技术和材料性能的显著提高，应用直线电机的实用设备被逐步开发出来，例如采用直线电机的MHD泵、自动绘图仪、磁头定位驱动装置、电唱机、缝纫机、空气压缩机、输送装置等。

3:从1971年开始到目前的这个阶段，直线电机终于进入了独立的应用时代，在这个时代，各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置和产品，例如直线电机驱动的钢管输送机、运煤机、起重机、空压机、冲压机、拉伸机、各种电动门、电动窗、电动纺织机等等。

特别可喜的是利用直线电机驱动的磁悬浮列车，其速度已超500km/h，接近了航空的飞行速度，且试验行程累计已达数十万千米。

在这个时期，直线电机领域的研究人员通过对直线电机在历史发展中多次起落的分析，终于选择了一条适合直线电机自身发展的独特思路，它不再与旋转电机直接对抗，不以单机的形式与旋转电机竞争，而以直线电机系统与旋转电机系统相比，从而找到适合于自己的系统与旋转电机展开竞争，在旋转电机无能为力的地方寻找自己的位置。

例如，直线电机应用于磁悬浮列车，液态金属的输送和搅拌，电子缝纫机和磁头定位装置，直线电机冲压机等等。

直线电机走自己的道路，在满足人类需求的过程中求得自身的发展。

在世界上一些发达国家，许多人和不少著名电气企业均在研究和开发直线电机产品，例如美国的西屋(Westinghouse)公司、德国的西门子(SIEMENS)公司、英国、法国、瑞典，特别是日本，其人员之多和范围之广是世界首屈的。

我国直线电机的研究和应用发展是从20世纪70年代初开始的。

主要成果有工厂行车、电磁锤、冲压机、摩擦压力机、磁分选机、玻璃搅拌、拉伸机、送料机、粒子加速器、邮政分拣机、矿山运输系统、计算机磁盘定位系统、自动绘图仪、直线电机驱动遥控(电动)窗帘机、直线电机驱动门、炒茶机等，我国直线电机研究虽然也取得了一些成绩，但也国外相比，其推广应用方面尚存在很大差距。

二 直线电动机的原理与旋转电动机不同，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。

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B δ是沿直线运动的，故称之为行波磁场，如图所示。

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V s 表示，称之为同步速度。

V s =2f τ cm/s式中，τ——为极距(cm)；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 s V -V s V = s (1)2(1)V -s V f s τ==-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。

三 直线电机的应用直线电机是一种新型电机，近年来应用日益广泛。

磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的。

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。

3： 其他应用直线电机除了用于高速列车外，还广泛地用于其他方面，例如用于传送系统、电气锤、电磁搅拌器等。

在我国，直线电机也逐步得到推广和应用。

直线电机的原理虽不复杂，但在设计、制造方面有它自己的特点，产品尚不如旋转电机那样成熟，有待进一步研究和改进。

直线电机主要应用于三个方面：一是应用于自动控制系统，这类应用场合比较多；其次是作为长期连续运行的驱动电机；三是应用在需要短时间、短距离内提供巨大的直线运动能的装置中。

——高速磁悬浮列车 磁悬浮列车是直线电机实际应用的最典型的例子，目前，美、英、日、法、德、加拿大等国都在研制直线悬浮列车，其中日本进展最快。

——直线电机驱动电梯，世界上第一台使用直线电机驱动的电梯是1990年4月安装于日本东京都关岛区万世大楼，该电梯载重600kg ，速度为105m/min ，提升高度为22.9m 。

由于直线电机驱动的电梯没有曳引机组，因而建筑物顶的机房可省略。

如果建筑物的高度增至1000米左右，就必须使用无钢丝绳电梯，这种电梯采用高温超导技术的直线电机驱动，线圈装在井道中，轿厢外装有高性能永磁材料，就如磁悬浮列车一样，采用无线电波或光控技术控制。

——超高速电动机 在旋转超过某一极限时，采用滚动轴承的电动机就会产生烧结、损坏现象。

为此近年来，国外研制了一种直线悬浮电动机（电磁轴承），采用悬浮技术使电机的动子悬浮在空中，消除了动子和定子之间的机械接触和摩擦阻力，其转速可达25000～100000r/min 以上，因而在高速电动机和高速主轴部件上得到广泛的应用。

如日本安川公司新近研制空间传送线的直线感应电动机 １－盒箱 ２－次级导电板 ３－初级 ４－光栅的多工序自动数控车床用5轴可控式电磁高速主轴采用两个经向电磁轴承和一个轴向推力电磁轴承，可在任意方向上承受机床的负载。

在轴的中间，除配有高速电动机以外，还配有与多工序自动数控车床相适应的工具自动交换机构。

总结直线电机具有机构简单，无接触，无磨损，噪声低，速度快，精度高等优点。

各种相关产品的推广成功充分说明了再科学飞速发展的今天，直线电机直接驱动模式必将替代传统驱动模式，直线永磁电机也将成为高铁发展的主流趋势。

国外在研究应用方面已有想当的成果，因而我们要借鉴其成功之处，结合国内实际，你离发展国内直线电机驱动技术，从而促进社会经济和科学技术的发展。

参考文献：[1]李发海,王岩.[M]电机与拖动,北京，清华大学出版社，2011[2]刘晓娟,张雁朋.城市轨道交通智能控制系统[M].北京.中国铁道出版社.2012[3]胡之光.直线电机的发展及应用[J] 电工技术杂志1982.01期[4]任良抒丁菊霞电力牵引控制系统[M]峨眉.西南交通大学出版社。