直线电动机解读

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1、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

2、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、图1直线感应电动机的演变过程g旋转式感应电动机 2直线感应电动机二次侧短，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

3、。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 是在一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。二次侧飞门一次偶a)二次侧一一次侧nonQnQnQnQnQnQnQnQFionQnQrb)图小3双边型直线感应电动机图12扁平型直线慝应电动机al短一次储tn长一次侧扁平型直线感应电动机的一次侧铁心由硅钢片叠成，与二次侧相对的一面开有

4、梢，梢中放置绕组。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，铁心上开梢，梢中放置导条；并用端部导条 连接所有梢中导条；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

5、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：九 一。“I l IU J1F- I-I一（ 力nt z图y4圆筒型直线感应电动机的形成门|扁平型M圆筒型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，

6、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itD 2穴如 D 27r 60力 .“- 2 60 - 2 60 口一,力丁式中D-旋转电动机定手内圆周的直径;r-极距，？=兀d/2Pp-极对数fi 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

7、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，则有图中6直线感应电动机的工作原理Ij亍波磁场 工一二次侧3次侧在电动状态时，S在0和1之间。二次侧的移动速度为。=（1 - 2 T / （1 s）可见，改变极距或电源频率,.均可改变二次侧移动的速度；一妆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一一转 差率特性和旋转感应电动机的转矩一一转差率特性。 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

8、。因此，直线感应电动机的起动推力 大，在高速区推力小。它的推力一一速度特性近似为 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：F = （&-几）（1 一工）（四）、直线感应电动机的边缘效应9-7直线感应电动机推力一转差率特性和 旋转感应电动机转矩一转差率特性的比较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，两端开断形图9-9直线感应电动机动态纵向边缘效应成两个纵向边缘，又因为铁心及梢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

9、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

10、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

11、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r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 要大一些。图小I。直线感应电动机横向边绦效应 江）二次电流分布m气隙磁通密

12、度分布二、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

13、-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F = LN图小M 动圈式直线直流电动机结构示意图 卜一移动坡组2永久磁铁3软铁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

14、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。带平面矩形磁铁的动圈型直线永磁式直流电动机1移动绕组2永久磁铁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

15、流电动机。1图113带环柩碳铁的动襄型直线永褴式直流电动机I一环盘磁铁2将谕烧组3圆筒型导磁体4-围柱形铁心图914动铁型直线永磁式直流电动机1-固定缆组2移动磁铁3电刷4-SCtt（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