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1、第第 4 章章 直线电动机直线电动机 Linear Motor4.1 直线电动机概述直线电动机概述从旋转电动机到直线电机的演化从旋转电动机到直线电机的演化 旋转电动机的定子和转子分旋转电动机的定子和转子分别对应直线电动机的初级和别对应直线电动机的初级和次级次级 4.1.1 4.1.1 直线电动机的原理与分类直线电动机的原理与分类 2单边型直线电动机单边型直线电动机 短短初初级级 短短次次级级 3 双边型直线电动机双边型直线电动机 短短次次级级短短初初级级4从旋转电动机到圆筒式直线电动机的演化从旋转电动机到圆筒式直线电动机的演化 圆筒式结构圆筒式结构 5圆弧式直线电动机圆弧式直线电动机 6圆盘式
2、直线电动机圆盘式直线电动机7(1) (1) 省省去去了了把把旋旋转转运运动动转转换换为为直直线线运运动动的的中中间间转转换换机构，节约了成本，缩小了体积。机构，节约了成本，缩小了体积。(2) (2) 不不存存在在中中间间传传动动机机构构的的惯惯量量和和阻阻力力的的影影响响，直直线线电电动动机机直直接接传传动动反反应应速速度度快快，灵灵敏敏度度高高，随随动动性性好，准确度高。好，准确度高。(3) (3) 直直线线电电动动机机容容易易密密封封，不不怕怕污污染染，适适应应性性强强。由由于于电电机机本本身身结结构构简简单单，又又可可做做到到无无接接触触运运行行，因因此此容容易易密密封封，可可在在有有毒
3、毒气气体体、核核辐辐射射和和液液态态物物质质中中使用。使用。4.1.2 4.1.2 直线电动机传动的特点直线电动机传动的特点8(4) (4) 直直线线电电机机散散热热条条件件好好，温温升升低低，因因此此线线负负荷荷和和电流密度可以取得较高，可提高电机的容量定额。电流密度可以取得较高，可提高电机的容量定额。(5) (5) 装装配配灵灵活活性性大大，往往往往可可以以将将电电机机与与其其他他机机件件合合成一体。成一体。(6) (6) 某某些些特特殊殊结结构构的的直直线线电电动动机机也也存存在在一一些些缺缺点点，如如大大气气隙隙导导致致功功率率因因数数和和效效率率降降低低，存存在在单单边边磁磁拉拉力等
4、等。力等等。4.1.2 4.1.2 直线电动机传动的特点直线电动机传动的特点94.2 4.2 直线感应电动机直线感应电动机 4.2.1 4.2.1 直线感应电动机的基本原理直线感应电动机的基本原理 行波磁场行波磁场 在初级的多相绕组中通入多相电流后，也会产生在初级的多相绕组中通入多相电流后，也会产生一个气隙基波磁场，但是这个磁场的磁通密度波一个气隙基波磁场，但是这个磁场的磁通密度波B B 是直线移动的，故称为行波磁场。是直线移动的，故称为行波磁场。 1011如电机极距为如电机极距为 ，电源频率为，电源频率为f，磁场移动速度为磁场移动速度为次级速度为次级速度为v ，则则滑差率为滑差率为 次级移动
5、速度次级移动速度124.2.2 4.2.2 直线感应电动机的结构特点直线感应电动机的结构特点 直线电机的初级相当于旋转电机的定子。初级铁心直线电机的初级相当于旋转电机的定子。初级铁心也是由硅钢片叠成的，也是由硅钢片叠成的，面开有槽，三相面开有槽，三相( (或单相或单相) )绕组嵌置于槽内。绕组嵌置于槽内。 1. 初级初级1)1)扁平式初级结构扁平式初级结构 132. 2. 次级次级 栅型次级：栅型次级：栅型次级：栅型次级：一般是在钢板上一般是在钢板上开槽，在槽中嵌入铜条开槽，在槽中嵌入铜条( (或或铸铝铸铝) )，然后用铜带在两端，然后用铜带在两端短接而成。短接而成。 钢次级或磁性次级：钢次级
6、或磁性次级：钢次级或磁性次级：钢次级或磁性次级：钢既起导磁作用，又起导电作用钢既起导磁作用，又起导电作用. .由于钢的电阻率较大，故钢次级直线电机的电磁性能由于钢的电阻率较大，故钢次级直线电机的电磁性能较差，且法向吸力也大较差，且法向吸力也大( (约为推力的约为推力的1010倍左右倍左右) )。1）扁平型直线电机）扁平型直线电机复合次级：复合次级：复合次级：复合次级：钢板上复合一层铜板钢板上复合一层铜板( (或铝板或铝板) )。铜铜铜铜( ( ( (铝铝铝铝) ) ) )次级或非磁性次级次级或非磁性次级次级或非磁性次级次级或非磁性次级: : : :用于双边型直线电机中用于双边型直线电机中用于双
7、边型直线电机中用于双边型直线电机中 14圆筒式直线电机，次级一般是厚壁钢管，为了提圆筒式直线电机，次级一般是厚壁钢管，为了提高单位体积所产生的起动推力，可以高单位体积所产生的起动推力，可以在钢管外圆在钢管外圆覆盖一层覆盖一层12mm2mm厚的铜管或铝管，成为复合次厚的铜管或铝管，成为复合次级级，或者，或者在钢管上嵌置铜环或浇铸铝环，成为类在钢管上嵌置铜环或浇铸铝环，成为类似于笼型的次级似于笼型的次级。 2）圆筒型直线电机）圆筒型直线电机嵌置铜环或铝环的圆筒式次级嵌置铜环或铝环的圆筒式次级 15直线感应电动机的缺点：直线感应电动机的缺点：直线感应电动机的缺点：直线感应电动机的缺点：气隙大，功率因
8、数低气隙大，功率因数低3. 气隙气隙 直直线线电电机机的的气气隙隙相相对对于于旋旋转转电电机机的的气气隙隙要要大大得得多多，主主要要是是为为了了保保证证在在长长距距离离运运动动中中，初初级级与与次次级级之之间间不不致致摩擦。摩擦。复复复复合合合合次次次次级级级级和和和和铜铜铜铜( ( ( (铝铝铝铝) ) ) )次次次次级级级级：因因为为铜铜或或铝铝均均属属非非磁磁性性材材料，其导磁性能和空气相同，故：料，其导磁性能和空气相同，故：电磁气隙电磁气隙= =机械气隙机械气隙( (单纯的空气隙单纯的空气隙) )+ +铜板或铝板厚度铜板或铝板厚度16磁磁悬浮列浮列车原理原理 磁磁悬浮列浮列车实际上是依
9、靠上是依靠电磁吸力磁吸力或或电动斥力斥力将列将列车悬浮浮于空中并于空中并进行行导向，向，实现列列车与地面与地面轨道道间的无机械接触，的无机械接触，再利用再利用直直线电机机驱动列列车运行。运行。17磁磁悬浮列浮列车分分为常常导型型和和超超导型型两大两大类。常常导型型德国高速常德国高速常导磁浮列磁浮列车为代表为代表利用普通利用普通直流直流电磁磁铁电磁吸力磁吸力的原理的原理将列将列车悬起，起，悬浮的气隙浮的气隙较小，一般小，一般为10毫米左右。常导型高速磁悬浮列毫米左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时车的速度可达每小时400500公里，公里，适合于城市间的长距离快速运输。适合于城市间的长距离快
10、速运输。上海上海磁浮列磁浮列车为为此类此类18超超导型型以日本为代表利用超利用超导磁体磁体产生的生的强强磁磁场，列，列车运运行行时与布置在地面上的与布置在地面上的线圈相互作用，圈相互作用，产生生电动斥力将列斥力将列车悬起，起，悬浮气隙浮气隙较大，一般大，一般为100毫米左右，速度可毫米左右，速度可达每小达每小时500公里以上公里以上。19磁磁悬浮列浮列车主要主要由由悬浮系浮系统、推推进系系统和和导向向系系统三大部分三大部分组成成20一、一、悬浮系浮系统：电磁磁悬浮系浮系统（EMS）电力力悬浮系浮系统（EDS）21电磁磁悬浮系浮系统（EMS） 是一种吸力悬浮系统，是结合在机车上的电磁是一种吸力悬
11、浮系统，是结合在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮。铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮。 常常导磁磁悬浮列浮列车工作工作时，首先，首先调整整车辆下部的下部的悬浮和浮和导向向电磁磁铁的的电磁吸力，与地面磁吸力，与地面轨道两道两侧的的绕组发生磁生磁铁反作用将列反作用将列车浮起。在浮起。在车辆下部下部的的导向向电磁磁铁与与轨道磁道磁铁的反作用下，使的反作用下，使车轮与与轨道保持一定的道保持一定的侧向距离，向距离，实现轮轨在水平方向在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。向。即使在停即使在停车状状态下列下列车仍然可以仍然可以进入入悬浮状浮状态。22电
12、力力悬浮系浮系统（EDS）将磁将磁铁使用在运使用在运动的机的机车上以在上以在导轨上上产生生电流。流。由于机由于机车和和导轨的的缝隙减少隙减少时电磁斥力会增大，从磁斥力会增大，从而而产生的生的电磁斥力提供了磁斥力提供了稳定的机定的机车的支撑和的支撑和导向。向。最主要特征就是其超最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下元件在相当低的温度下所具有的完全所具有的完全导电性和完全抗磁性性和完全抗磁性。机机车速度低于大速度低于大约25英里英里/小小时无法保无法保证悬浮浮23二、二、推推进系系统：磁磁悬浮列浮列车的的驱动运用同步直运用同步直线电动机的原理机的原理车辆下部支撑下部支撑电磁磁铁线圈的作用就像是同
13、步直圈的作用就像是同步直线电动机的励磁机的励磁线圈，地面圈，地面轨道内道内侧的三相移的三相移动磁磁场驱动绕组起到起到电枢的作用，它就像同步枢的作用，它就像同步直直线电动机的机的长定子定子绕组。从从电动机的工作原理可以知道，当作机的工作原理可以知道，当作为定子定子的的电枢枢线圈有圈有电时，由于，由于电磁感磁感应而推而推动电机的机的转子子转动。24当沿当沿线布置的布置的变电所向所向轨道内道内侧的的驱动绕组提提供三相供三相调频调幅幅电力力时，由于，由于电磁感磁感应作用承作用承载系系统连同列同列车一起就像一起就像电机的机的转子子一一样被被推推动做直做直线运运动。从而在。从而在悬浮状浮状态下，列下，列车
14、可可以完全以完全实现非接触的非接触的牵引和制引和制动。25在位于在位于轨道两道两侧的的线圈里流圈里流动的交流的交流电，能将，能将线圈圈变为电磁体。由于它与列磁体。由于它与列车上的超上的超导电磁磁体的相互作用，就使列体的相互作用，就使列车开开动起来。列起来。列车前前进是因是因为列列车头部的部的电磁体（磁体（N极）被安装在靠前极）被安装在靠前一点的轨道上的电磁体（一点的轨道上的电磁体（S极）所吸引，并且同极）所吸引，并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（N极）极）所排斥。当列车前进时，在线圈里流动的电流所排斥。当列车前进时，在线圈里流动的电流流向就反转过来了
15、。其结果就是原来那个流向就反转过来了。其结果就是原来那个S极线极线圈，现在变为圈，现在变为N极线圈了，反之亦然。极线圈了，反之亦然。根据根据车速，通速，通过电能能转换器器调整在整在线圈里流圈里流动的交流的交流电的的频率和率和电压。 26三、三、导向系向系统：一种一种测向力来保向力来保证悬浮的机浮的机车能能够沿着沿着导轨的方向运的方向运动。必要的推力与悬浮力相类似，也可以分必要的推力与悬浮力相类似，也可以分为引力和斥力。在机车底板上的同一块为引力和斥力。在机车底板上的同一块电磁铁可以同时为导向系统和悬浮系统电磁铁可以同时为导向系统和悬浮系统提供动力，也可以采用独立的导向系统提供动力，也可以采用独立的导向系统电磁铁。电磁铁。 27 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！
