直线电机基础

关于直线电机基础一、特点及应用1.特点是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构的装置；结构多样，可以根据需要制成扁平型、圆筒型或盘型等各种形式；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；不同种类具有截然不同的工作特点，可以根据需要选择。能满足高速、大推力的驱动要求，也能满足低速、精细的要求，如步进直线电动机。第2页,共22页，2024年2月25日，星期天2.应用

应用领域：军事领域。利用直线电机制成各种电磁炮，并试图将它用于导弹、火箭的发射；交通运输业。利用直线电机制成时速达500km以上的磁悬浮列车；工业领域。用于生产输送线，以及各种横向或垂直运动的机械设备中；精密仪器设备。例如计算机的磁头驱动装置、照相机的快门、自动绘图仪、医疗仪器、航天航空仪器、各种自动化仪器设备等；民用装置。如门、窗、桌、椅的移动，门锁、电动窗帘的开、闭等。第3页,共22页，2024年2月25日，星期天

应用实例：直线电机驱动的X-Y工作台

图1使用直线直流电动机的X-Y工作台第4页,共22页，2024年2月25日，星期天二、基本结构与工作原理1.基本结构（1）扁平型结构图2旋转电动机和扁平型直线电动机示意图第5页,共22页，2024年2月25日，星期天扁平型直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的周围展成直线。图3由感应式旋转电机演变为扁平型直线电机的过程a)沿径向剖开b)把圆周展成直线第6页,共22页，2024年2月25日，星期天定子演变来的一侧称为初级，转子演变来的一侧称为次级。由旋转电机演变而来的最原始的直线电机初级和次级长度相等，运行中初级与次级的耦合不定，不能正常工作。为了保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变，实际应用时，将初级与次级制造成不同的长度。既可做成短初级长次级型，也可做成长初级短次级型。但短初级在制造成本上、运行费用上均比短次级低得多，因此目前除特殊场合外，一般采用短初级。演变而来的原始直线电机仅一边安放初级，称为单边型直线电机。单边型电机的初级与次级之间存在着很大的法向吸力，在钢次级时约为推力的10倍左右，大多数场合下，这个力是不希望存在的。因此在次级两边都装上初级，做成双边型结构，以抵消法向吸力。第7页,共22页，2024年2月25日，星期天图4单边型直线电机a)短初级b)短次级第8页,共22页，2024年2月25日，星期天图5双边型直线电机a)短初级b)短次级第9页,共22页，2024年2月25日，星期天1.基本结构 一台典型的单边扁平型短初级直线感应电动机的结构如图所示。图6单边扁平型短初级直线感应电动机1－次级铁心2－次级导电板3－三相绕组4－初级铁心5－支架6－固定用角铁7－绕组端部8－环氧树脂第10页,共22页，2024年2月25日，星期天可以认为是将扁平型直线电机沿着和直线运动相垂直的方向卷接成筒形而来的。如图6所示。（2）圆筒型（管型）结构图7圆筒型直线电机的演变过程第11页,共22页，2024年2月25日，星期天（3）弧型和盘型结构弧型是将扁平型直线电机的初级沿运动方向改成弧型， 并安放于圆柱形次级的柱面外侧。如图7所示。图7弧型直线电动机第12页,共22页，2024年2月25日，星期天盘型结构是把次级做成一片圆盘，将初级放在次级圆 盘靠近外缘的平面上，次级可以是双面的也可以是单 面的。如图8所示。图8盘型直线电机第13页,共22页，2024年2月25日，星期天弧型和盘型直线电机的运动实际上是一个圆周运动，然而由于它们的运行原理和设计方法与扁平型直线电机相似，所以也归入直线电机范畴。2.工作原理

与旋转电机相似。在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。当不考虑由于铁心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。如图9所示。第14页,共22页，2024年2月25日，星期天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。差异是：这个磁场平移，而不是旋转，因此称为行波磁场。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一样。称为同步速度(m/s)，且，为极距(m)，为电流的频率(Hz)。图10直线电机基本工作原理行波磁场次级初级NSF力磁场电流BI运动力磁场电动势右手定则反电动势E=vBLvSSN第15页,共22页，2024年2月25日，星期天假定次级为栅形次级，次级导条在行波磁场切割下，将产生感应电动势并产生电流。所有导条的电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力。直线电机的次级大多采用整块金属板或复合金属板，并不存在明显导条。可看成无限多导条并列安置进行分析。图10为假想导条中的感应电流及金属板内电流的分布情况。图10次级导体板中的电流

假想导条中的感应电流金属板内电流分布SSFFv第16页,共22页，2024年2月25日，星期天次级的两种结构类型：栅型结构和实心结构。 栅型结构（图4），相当于旋转电动机的笼型结构。次级铁心上开槽，槽中放置导条，并在两端用端部导条连接所有槽中导条。 实心结构，采用整块均匀的金属材料。又可分为非磁性次级和钢次级。从电动机的性能来说，采用栅型结构时，效率和功率因数最高，非磁性次级次之，钢次级最差。从成本来说，相反。端部导条槽内导条图4栅型结构次级第17页,共22页，2024年2月25日，星期天旋转电机通过对换任意两相的电源线，可以实现反向旋转。直线电机也可以通过同样的方法实现反向运动。根据这一原理，可使直线电机做往复直线运动。第18页,共22页，2024年2月25日，星期天三、分类1.分类按结构型式分圆筒型直线电机—外形如旋转电机的圆柱形直线电机，需要时可做成既有旋转运动又有直线运动的旋转直线电机。圆盘型直线电机虽也做旋转运动，但与普通旋转电机相比有两个突出优点：力矩与旋转速度可以通过多台初级组合的方法或通过初级在圆盘上的径向位置来调节；无需通过齿轮减速箱就能得到较低的转速，电机噪声和振动很小。圆弧型直线电机也具有圆盘型的特点，两者的主要区别在于次级的形式和初级对次级的驱动点有所不同。长初级短初级短初级单边型双边型扁平型圆盘型圆弧型圆筒型第19页,共22页，2024年2月25日，星期天按功能用途分按工作原理分

每种旋转电机都有与之相对应的直线电机。按工作原理可以分两大方面：直线电动机和直线驱动器。具体分类见图11。第20页,共22页，2024年2月25日，星期天直线电动机直线驱动器交流直线感应电动机（LIM）交流直线同步电动机（LSM）电磁式（EM）LSM永磁式（PM）LSM可变阻抗（VR）LSM混合式（HB）LSM超导体（SC）LSM直线直流电动机（LDM）电磁式LDM永磁式LDM无刷LDMVR形LPMPM形LPM直线步进电动机（LPM）混合式直线电动机（L