北航电机及拖动技术基础模块其他微特电机

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1、电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 专题11.1 直线电动机 教学目标： 1）掌握直线电动机的类型、结构和原理； 2）学会直线电动机的使用。 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 直线电动机是利用电能直接产生直线运动的电动机。直线 电动机与普通旋转电动机都是实现能量转换的机械，普通 旋转电动机将电能转换成旋转运动的机械能，直线电动机 将电能转换成直线运动的机械能。直线电动机应用于要求 直线运动的某些场合时，可以简化中间传动机构，使运动 系统的响应速度、稳定性、精度得以提高。直线电动机在 工业、交通运输等行业中的应用日益广泛。 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 11.1.

2、1直线电动机的结构 图11-1(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。 (a)旋转电动机 (b)直线电动机 图11-1旋转电动机和直线电动机示意图 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它 可看做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，如图11-2所示。图11-2为感应式直线电机的演 变过程，这样就得到了由旋转电机演变而来的最原始的直 线电机。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而 来的一侧称为次级。 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 (a)沿径向剖开级 (b)把圆周展成直线 图11-2

3、 由感应式旋转电机演变为直线电机的过程 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 图11-2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，是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，如图11-3所示。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，

4、因此，目前 除特殊场合外，一般均采用短初级。 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 (a) 短初级 (b) 短次级 图11-3 单边形直线电机 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 在图11-3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形直线电机。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，在钢次级时约为推力的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形，如图11-4所示。 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电

5、机 (a)短初级 (b)短次级 图11-4双边形直线电机 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 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，它也可以看做是由 旋转电机演变过来的，其演变的过程如图11-5所示。 图11-5(a)中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11-5(b)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，然后将扁平 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11-5(c)所示的圆筒形直线电机。 电机与拖动技术基础

6、模块11 其他微特电机 （a）旋转电机 (b)扁平形单边直线电机 (c)圆筒形(管形)直线电机 图11-5旋转电机演变为圆筒形直线电机的过程 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 此外，直线电机还有弧形和盘形结构。所谓弧形结构，就 是将平板形直线电机的初级沿运动方向改成弧形，并安放 于圆柱形次级的柱面外侧，如图11-6所示。图11-7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。 弧形和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，然而由于它们的运行原理和设计

7、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。 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 图11-6弧形直线电动机 图11-7圆盘形直线电动机 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 11.1.2直线电动机的工作原理 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。 将图11-8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11-9所示的直线电机。 1一定子 2一转子 3一磁场方向 1一初级 2一次级 3一行波磁场 图11-8旋转电机的基本工作原理 图11-9直线电机的基本工作原理 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 在这台

8、直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后， 也会产生气隙磁场。当不考虑由于铁芯两端开断而引起的 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，称为同步速度(ms)。 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 再来看行波磁场对次级的作用。假定次级为栅形次级，图 11-9中仅画出其中的一根导条。次级导条在行波磁场切割 下

9、，将感应电动势并产生电流。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，那么次级就顺着行波磁场运动 的方向作直线运动。 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，不妨把整块看成是无限多的导 条并列安置，这样仍可以应用上述原理进行讨论。 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 11.1.3直线电动机的应用举例 目前,直线电机技术在世界各国的应用大致可分为以下几 个方面： 在交通运输业中,可用于直线电机驱动的磁悬浮列车、地 铁等，具有高速、舒适、安全、无污

10、染等特点，将在实现 新的交通输送工具中发挥重要作用。磁悬浮列车是一种采 用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的高速列车系统， 时速可达500KM以上，是当今最快的地面客运系统。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。我国已于2001年建成了第一条磁悬 浮列车。 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 在工业中,直线电机在直线传动和物料输送等方面具有独 特的优势，如分拣输送线、升降机等。在各种工业机床中 也可广泛使用直线电机代替旋转电机，主要是利用其速度 快、精度高的特点（如直线电机驱动的冲压机、压铸机、 电火花成形机等）。在一些新颖的立体化仓库的搬运系

11、统 和新型的自动化车库，也开始采用了直线电机。其中，采 用直线电机的自动化车库是在车库地上安装一系列纵向和 横向的直线电机初级，而载车板为次级。通过计算机，利 用直线电机初次级作用移动汽车进或出，效率和利用率都 很高。 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 在民用方面,直线电机可驱动电梯。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

12、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。 一些生活用品（如家电空调、冰箱等）、驱动门、办公设 备等都可用上直线电机。 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 在军事方面,由于直线电机的速度极高，利用这点可将其 应用于导弹、火箭和大炮潜艇中。电磁炮就是利用电磁场 加速度加速弹丸的原理、实现军事用途的动能武器系统。 此外，在一些军事设施上（如军用靶场、军用仿真系统、 军用战斗武器等）也利用了直线电机。 此外，直线电机还可用于天文观测系统中驱动摆镜和反观 镜；直线电机驱动人工心脏；直线电机驱动的盲人触觉模 拟器；直线电机在医

13、院设备、电动工具、玩具以及建筑用 打桩机等方面也得到了应用。 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 专题11.2 超声波电动机 教学目标: 1）了解超声波电动机的结构； 2）了解超声波电动机的工作原理； 3）了解超声波电动机的应用。 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 超声波电动机(Ultrasonic Motor，简称USM)是近年来发 展起来的一种全新概念的驱动装置。具有如下特点： (1)低速大转矩。在超声波电机中，超声振动的振幅一般 不超过几微米，振动速度只有几厘米每秒到几米每秒。无 滑动时转子的速度由振动速度决定，因此电机的转速一般 很低，每分钟只有十几转到几百转。由于定

14、子和转子间靠 摩擦力传动，若两者之间的压力足够大，转矩就很大。 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 (2)体积小、重量轻。超声波电机不用线圈，也没有磁铁 ，结构相对简单，与普通电机相比，在输出转矩相同的情 况下，可以做得更小、更轻、更薄。 (3)反应速度快，控制特性好。超声波电动机靠摩擦力驱 动，移动体的质量较轻，惯性小，响应速度快，起动和停 止时间为毫秒量级。因此它可以实现高精度的速度控制和 位置控制。 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 （4)无电磁干扰。超声波电动机没有磁极，因此不受电磁 感应影响。同时，它对外界也不产生电磁干扰，特别适合 强磁场下的工作环境。在对EMI(

15、电磁干扰)要求严格的环 境下，采用超声波电机也很合适。 （5)停止时具有保持力矩。超声波电动机的转子和定子总 是紧密接触，切断电源后，由于静摩擦力的作用，不采用 刹车装置仍有很大保持力矩，尤其适合宇航工业中失重环 境下的运行。 （6)形式灵活，设计自由度大。超声波电动机驱动力发生 部分的结构可以根据需要灵活设计。 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 11.2.1超声波电动机的结构 超声波电动机由定子(振动体)和转子(移动体)两部分组成 。 但电机中既没有线圈也没有永磁体，其定子由弹性体 (Elastic body)和压电陶瓷(Piezoelectric ceramic)构 成。 转子为

16、一个金属板。定子和转子在压力作用下紧密接触， 为了减少定、转子之间相对运动产生的磨损，通常在二者 之间(在转子上)加一层摩擦材料。详见图11-10。 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 图11-10超声波电动机的结构 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 11.2.2超声波电动机的工作原理 超声波电机利用压电材料的逆压电效应产生超声波振动， 把电能转换为弹性体的超声波振动，并把这种振动通过摩 擦传动的方式驱使运动体回转或直线运动。超声波电机没 有磁极和绕组，它一般由振动体和移动体组成，为了减少 振动体和移动体之间相对运动产生的磨损，通常在二者间 加一层摩擦材料。 电机与拖动技术基础 模块11 其他微特电机 当在振动体的压电陶瓷(PZT)上施加20KHz以上超声波频率 的交