直線電機(jī)基礎(chǔ)

關(guān)于直線電機(jī)基礎(chǔ)一、特點(diǎn)及應(yīng)用1.特點(diǎn)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動機(jī)械能而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的裝置；結(jié)構(gòu)多樣，可以根據(jù)需要制成扁平型、圓筒型或盤型等各種形式；可以采用交流電源、直流電源或脈沖電源等各種電源進(jìn)行工作；不同種類具有截然不同的工作特點(diǎn)，可以根據(jù)需要選擇。能滿足高速、大推力的驅(qū)動要求，也能滿足低速、精細(xì)的要求，如步進(jìn)直線電動機(jī)。第2頁,共22頁，2024年2月25日，星期天2.應(yīng)用

應(yīng)用領(lǐng)域：軍事領(lǐng)域。利用直線電機(jī)制成各種電磁炮，并試圖將它用于導(dǎo)彈、火箭的發(fā)射；交通運(yùn)輸業(yè)。利用直線電機(jī)制成時速達(dá)500km以上的磁懸浮列車；工業(yè)領(lǐng)域。用于生產(chǎn)輸送線，以及各種橫向或垂直運(yùn)動的機(jī)械設(shè)備中；精密儀器設(shè)備。例如計(jì)算機(jī)的磁頭驅(qū)動裝置、照相機(jī)的快門、自動繪圖儀、醫(yī)療儀器、航天航空儀器、各種自動化儀器設(shè)備等；民用裝置。如門、窗、桌、椅的移動，門鎖、電動窗簾的開、閉等。第3頁,共22頁，2024年2月25日，星期天

應(yīng)用實(shí)例：直線電機(jī)驅(qū)動的X-Y工作臺

圖1使用直線直流電動機(jī)的X-Y工作臺第4頁,共22頁，2024年2月25日，星期天二、基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.基本結(jié)構(gòu)（1）扁平型結(jié)構(gòu)圖2旋轉(zhuǎn)電動機(jī)和扁平型直線電動機(jī)示意圖第5頁,共22頁，2024年2月25日，星期天扁平型直線電機(jī)可以認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種演變，它可看作是將一臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開，然后將電機(jī)的周圍展成直線。圖3由感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變?yōu)楸馄叫椭本€電機(jī)的過程a)沿徑向剖開b)把圓周展成直線第6頁,共22頁，2024年2月25日，星期天定子演變來的一側(cè)稱為初級，轉(zhuǎn)子演變來的一側(cè)稱為次級。由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來的最原始的直線電機(jī)初級和次級長度相等，運(yùn)行中初級與次級的耦合不定，不能正常工作。為了保證在所需行程范圍內(nèi)初級與次級之間的耦合保持不變，實(shí)際應(yīng)用時，將初級與次級制造成不同的長度。既可做成短初級長次級型，也可做成長初級短次級型。但短初級在制造成本上、運(yùn)行費(fèi)用上均比短次級低得多，因此目前除特殊場合外，一般采用短初級。演變而來的原始直線電機(jī)僅一邊安放初級，稱為單邊型直線電機(jī)。單邊型電機(jī)的初級與次級之間存在著很大的法向吸力，在鋼次級時約為推力的10倍左右，大多數(shù)場合下，這個力是不希望存在的。因此在次級兩邊都裝上初級，做成雙邊型結(jié)構(gòu)，以抵消法向吸力。第7頁,共22頁，2024年2月25日，星期天圖4單邊型直線電機(jī)a)短初級b)短次級第8頁,共22頁，2024年2月25日，星期天圖5雙邊型直線電機(jī)a)短初級b)短次級第9頁,共22頁，2024年2月25日，星期天1.基本結(jié)構(gòu) 一臺典型的單邊扁平型短初級直線感應(yīng)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖所示。圖6單邊扁平型短初級直線感應(yīng)電動機(jī)1－次級鐵心2－次級導(dǎo)電板3－三相繞組4－初級鐵心5－支架6－固定用角鐵7－繞組端部8－環(huán)氧樹脂第10頁,共22頁，2024年2月25日，星期天可以認(rèn)為是將扁平型直線電機(jī)沿著和直線運(yùn)動相垂直的方向卷接成筒形而來的。如圖6所示。（2）圓筒型（管型）結(jié)構(gòu)圖7圓筒型直線電機(jī)的演變過程第11頁,共22頁，2024年2月25日，星期天（3）弧型和盤型結(jié)構(gòu)弧型是將扁平型直線電機(jī)的初級沿運(yùn)動方向改成弧型， 并安放于圓柱形次級的柱面外側(cè)。如圖7所示。圖7弧型直線電動機(jī)第12頁,共22頁，2024年2月25日，星期天盤型結(jié)構(gòu)是把次級做成一片圓盤，將初級放在次級圓 盤靠近外緣的平面上，次級可以是雙面的也可以是單 面的。如圖8所示。圖8盤型直線電機(jī)第13頁,共22頁，2024年2月25日，星期天弧型和盤型直線電機(jī)的運(yùn)動實(shí)際上是一個圓周運(yùn)動，然而由于它們的運(yùn)行原理和設(shè)計(jì)方法與扁平型直線電機(jī)相似，所以也歸入直線電機(jī)范疇。2.工作原理

與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似。在直線電機(jī)的三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，也會產(chǎn)生氣隙磁場。當(dāng)不考慮由于鐵心兩端開斷而引起的縱向邊端效應(yīng)時，這個氣隙磁場的分布情況與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，即可看成沿展開的直線方向呈正弦形分布。如圖9所示。第14頁,共22頁，2024年2月25日，星期天三相電流隨時間變化時，氣隙磁場將按A、B、C相序沿直線移動。這個原理與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的相似。差異是：這個磁場平移，而不是旋轉(zhuǎn)，因此稱為行波磁場。行波磁場的移動速度與旋轉(zhuǎn)磁場在定子內(nèi)圓表面上的線速度一樣。稱為同步速度(m/s)，且，為極距(m)，為電流的頻率(Hz)。圖10直線電機(jī)基本工作原理行波磁場次級初級NSF力磁場電流BI運(yùn)動力磁場電動勢右手定則反電動勢E=vBLvSSN第15頁,共22頁，2024年2月25日，星期天假定次級為柵形次級，次級導(dǎo)條在行波磁場切割下，將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢并產(chǎn)生電流。所有導(dǎo)條的電流和氣隙磁場相互作用便產(chǎn)生電磁推力。直線電機(jī)的次級大多采用整塊金屬板或復(fù)合金屬板，并不存在明顯導(dǎo)條?？煽闯蔁o限多導(dǎo)條并列安置進(jìn)行分析。圖10為假想導(dǎo)條中的感應(yīng)電流及金屬板內(nèi)電流的分布情況。圖10次級導(dǎo)體板中的電流

假想導(dǎo)條中的感應(yīng)電流金屬板內(nèi)電流分布SSFFv第16頁,共22頁，2024年2月25日，星期天次級的兩種結(jié)構(gòu)類型：柵型結(jié)構(gòu)和實(shí)心結(jié)構(gòu)。 柵型結(jié)構(gòu)（圖4），相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電動機(jī)的籠型結(jié)構(gòu)。次級鐵心上開槽，槽中放置導(dǎo)條，并在兩端用端部導(dǎo)條連接所有槽中導(dǎo)條。 實(shí)心結(jié)構(gòu)，采用整塊均勻的金屬材料。又可分為非磁性次級和鋼次級。從電動機(jī)的性能來說，采用柵型結(jié)構(gòu)時，效率和功率因數(shù)最高，非磁性次級次之，鋼次級最差。從成本來說，相反。端部導(dǎo)條槽內(nèi)導(dǎo)條圖4柵型結(jié)構(gòu)次級第17頁,共22頁，2024年2月25日，星期天旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過對換任意兩相的電源線，可以實(shí)現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)。直線電機(jī)也可以通過同樣的方法實(shí)現(xiàn)反向運(yùn)動。根據(jù)這一原理，可使直線電機(jī)做往復(fù)直線運(yùn)動。第18頁,共22頁，2024年2月25日，星期天三、分類1.分類按結(jié)構(gòu)型式分圓筒型直線電機(jī)—外形如旋轉(zhuǎn)電機(jī)的圓柱形直線電機(jī)，需要時可做成既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動又有直線運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)直線電機(jī)。圓盤型直線電機(jī)雖也做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，但與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比有兩個突出優(yōu)點(diǎn)：力矩與旋轉(zhuǎn)速度可以通過多臺初級組合的方法或通過初級在圓盤上的徑向位置來調(diào)節(jié)；無需通過齒輪減速箱就能得到較低的轉(zhuǎn)速，電機(jī)噪聲和振動很小。圓弧型直線電機(jī)也具有圓盤型的特點(diǎn)，兩者的主要區(qū)別在于次級的形式和初級對次級的驅(qū)動點(diǎn)有所不同。長初級短初級短初級單邊型雙邊型扁平型圓盤型圓弧型圓筒型第19頁,共22頁，2024年2月25日，星期天按功能用途分按工作原理分

每種旋轉(zhuǎn)電機(jī)都有與之相對應(yīng)的直線電機(jī)。按工作原理可以分兩大方面：直線電動機(jī)和直線驅(qū)動器。具體分類見圖11。第20頁,共22頁，2024年2月25日，星期天直線電動機(jī)直線驅(qū)動器交流直線感應(yīng)電動機(jī)（LIM）交流直線同步電動機(jī)（LSM）電磁式（EM）LSM永磁式（PM）LSM可變阻抗（VR）LSM混合式（HB）LSM超導(dǎo)體（SC）LSM直線直流電動機(jī)（LDM）電磁式LDM永磁式LDM無刷LDMVR形LPMPM形LPM直線步進(jìn)電動機(jī)（LPM）混合式直線電動機(jī)（L