第9章 直线电机

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。
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
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。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
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。
当不考虑由于铁心两端开断而引起的ห้องสมุดไป่ตู้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
转子的转速用 n 表示。在电动机运行状态下，
转子转速 总要n 比同步转速 小一ns 些，因为一 旦 n ，ns 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n 同步转速 n的s 差
值经常用转差率来表示，即
s ns n ns
(9-3)
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。
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 做往复直线运动。在实际应用中，也可以将次级固定不动， 而让初级运动。因此，通常又把静止的一方称为定子，而运 动的一方称为动子。
9.3 直线直流电动机
与直线感应电动机相比，直线直流电动机运 行效率高，控制方便、灵活。若与闭环控制系统 结合在一起，则可以精密地控制直线位移，其速 度和加速度控制范围广，调速平滑性好。直线直 流电动机的主要缺点还是电刷和换向器之间的机 械磨损，虽然在短行程系统中，直线直流电动机 可以采用无刷结构，但在长行程系统中，就很难 实现无刷无接触运行。
按照励磁方式的不同，直线直流电动机可分 为永磁式和电磁式两种，前者多用于功率较小的 自动记录仪表中，如记录仪中笔的纵横走向驱动， 摄影机中快门和光圈的操作等；后者主要用于较 大功率的驱动。下面分别予以简要介绍。
9.3.1 永磁式直线直流电动机
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。
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。
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。
级移动的速度用 v 表示，转差率 用 s 表示，则有
s vs v
(9-5)
vs
在电动机运行状态下， s 的大小在0与1之间。
上述就是直线电机的基本工作原理。
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。
的线速度是一样的，即为vs ，称为同步速度，且
vs 2 f (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s 运动。若次
(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。
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。
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。
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、地铁车。
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。
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。
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
(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。
第9章 直线电机
【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 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。
如用
60 f ns p (rad/min)
(9-1)
v s表示在定子内圆表面上磁场运动的线速度
则有：
vs
ns 2 p
60
2
f
(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。
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：
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。