直线电机在实际中应用

1.1直线电机的简介1.1.1直线电机一般电动机工作时都是转动的．但是用旋转的电机驱动的交通工具（比如电动机车和城市中的电车等）需要做直线运动，用旋转的电机驱动的机器的一些部件也要做直线运动．这就需要增加把旋转运动变为直线运动的一套装置．能不能直接运用直线运动的电机来驱动，从而省去这套装呢？几十年前人们就提出了这个问题．现在已制成了直线运动的电动机，即直线电机．把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直线感应电动机直线电机技术是一门新兴的专业技术，其应用涉及到机械制造及其自动化、控制工程、机电一体化、工业自动化、机器人等领域，而且随着直线电机技术的发展，直线电机将会应用于各种需要直线运动的场合。旋转电机所有的品种,直线电机技术几乎都有相对应的品种。其应用范围正在不断扩大。在一些它能独特发挥作用的地方,取得了非常令人满意得效果。随着微电子、电力电子技术、永磁材料技术和驱动技术的发展,直线电机系统有了长足的进步,国外著名电器(气)公司相继推出并不断完善、更新各自的直线电机系统。其应用十分广泛,如列车驱动、物料运送、机床工作、食品和轻工机械、自动绘图仪等1.1.2直线电机发展历史1840年Wheatsone开始提出和制作了略具雏形的直线电机。从那时至今，在160多年的历史中，直线电机经历了三个时期。1840～1955年为探索实验时期：在1840～1955年期间，是直线电机探索实验和部分实验应用时期，在直线电机与旋转电机的相互竞争中，由于直线电机的成本和效率方面没有能够战胜旋转电机，或者说，直线电机还没能找到唯独它能解决问题的领域，以及直线电机在设计方面也没有突破性的成功，所以直线电机在这一时期始终未能得到真正的应用。1956～1970年为开发应用时期：自1955年以来，直线电机进入了全面的开发阶段，特别是该时期的控制技术和材料的惊人发展，更加助长了这种势头。在这段时期，申请直线机的专利件数也开始急速增加，该时期直线电机专利的增长率超过了所有其他技术领域的平均增长率。到1965年以后，随着控制技术和材料性能的显著提高，应用直线电机的实用设备被逐步开发出来，例如采用直线电机的MHD泵、自动绘图仪、磁头定位驱动装置、电唱机、缝纫机、空气压缩机、输送装置等。1971年至今为实用商品时期从1971年开始到目前的这个阶段，直线电机终于进入了独立的应用时代，在这个时代，各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置和产品，例如直线电机驱动的钢管输送机、运煤机、起重机、空压机、冲压机、拉伸机、各种电动门、电动窗、电动纺织机等等。特别可喜的是利用直线电机驱动的磁悬浮列车，其速度已超500km/h，接近了航空的飞行速度，且试验行程累计已达数十万千米。在这个时期，我国直线电机的研究和应用发展是从20世纪70年代初开始的。主要成果有工厂行车、电磁锤、冲压机、摩擦压力机、磁分选机、玻璃搅拌、拉伸机、送料机、粒子加速器、邮政分拣机、矿山运输系统、计算机磁盘定位系统、自动绘图仪、直线电机驱动遥控(电动)窗帘机、直线电机驱动门、炒茶机等，我国直线电机研究虽然也取得了一些成绩，但和国外相比，其推广应用方面尚存在很大差距。1.2直线电机的原理1.2.1直线电机结构直线电机的原理并不复杂．设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直线感应电动机（图）．在直线电机中，相当于旋转电机定子的，叫初级；相当于旋转电机转子的，叫次级．初级中通以交流，次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动．这时初级要做得很长，延伸到运动所需要达到的位置，而次级则不需要那么长．实际上，直线电机既可以把初级做得很长，也可以把次级做得很长；既可以初级固定、次级移动，也可以次级固定、初级移动。如图1-1所示：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。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。1.2.2直线电机工作原理直线电机不仅在结构上相当于旋转电机演变而来，而且其工作原理也与旋转电机相似。故从旋转电机学的基本工作原理引出直线电机的基本工作原理。一旋转电机工作原理图1-2表示一台简单的两极旋转电机，图中线圈AX、BY、CZ有定子A、B、C三相绕组组成，挡在其中通入三相对称正弦电流后，便在气隙中产生了一个磁场，这个磁场可看成沿气隙圆周星正弦分布。当A相电流达到最大时，B和C相的电流都为负的最大值的1/2，这时磁场波幅处于A相绕组轴线上，如图所示：经过T=2π/（3ω）时间后。B相电流达到最大值，这时C和A相都为负的最大值的1/2，而磁场波幅转到B的轴线上。由此可见，电流随时间变化，磁场波幅就按A、B、C相序圆周旋转。电流变化一个周期，磁场转过一对极。这种磁场称为旋转磁场，它的需转速度称为同步转速，与电流的频率f(Hz)成正比，而与电机的极对数P成反比。通过如图可说明旋转磁场对转子的作用，为了简单起见，图中1-10笼型转子只画出了两根导条.当气隙中旋转磁场以同步速度n旋转时，该磁场就会切割转子导条，而在其中感应出电动势。电动势的方向可按右手定则确定，示于图中转子导条上。由于图1—2旋转电机的旋转磁场转子导条是通过断环短接的，因此在感应电动势的作用下，便在转子导条中产生电流。当不考虑电动势和电流的相位差时，电流的方向即为电动势饿方向。这个转子电流与气隙磁场相互作用便产生切向电磁力F。电磁力的方向可用左手定则确定。以上就是一般旋转电机的基本工作原理。二直线电机的基本工作原理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后而引起的纵向边效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机的相似。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。这个原理与直线的相似，两者的差异是“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，即为Vs，称为同步速度，且：Vs=2fτ再来看行波磁场对次级的作用。假定次级为栅极次级，图1-11中仅画出其中的一根导条。次级导条在行波磁场切割下，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，那末次级就顺着行波磁场运动的方向作直线运动。若次级移动的速度用V表示，转差率用S表示，则有公式在电机运行状态下，在0和1之间。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。在图1-3中，分别画出了假象导条中的感应带脑瘤及金属板内电流的分布，图中Iδ为初级铁心的叠片厚度，C为次级在Iδ长度方向伸出初级铁心的宽度，它用来作为次级感应电流的端部通路，C的大小就影响次级的电阻。图1-3金属板内电流的分布我们知道，旋转电机通过对换任意两相的电源线，可以实现反向旋转。这是因为三相绕组的相序反了，旋转磁场的转向也随之反了，使转子转向跟着反过来，根据这一原理。可以使直线电机做往复直线运动。1.3直线电机的优缺点1.3.1直线电机的优点直线电机广泛的应用于工业、民用、军事及其它各种直线运动场合，采用直线电机驱动的装置和其他非直线电机驱动的装置相比，它具有以下一些优点：（1）采用直线电机驱动的传动装置，不需要任何转换装置而直接产生推力，因此，它可以省去中间转换机构，简化了整个装置或系统，保证了运行的可靠性，曾经有台直线电机驱动的洗衣机，每天24h连续不停的工作了7年，而没有做任何维修。（2）普通旋转电机由于受到离心力的作用，其圆周速度受到限制，而直线电机运行时，它的零部件和传动装置不像旋转电机那样会受到离心力的作用，因而它的直线速度可以不受限制。（3）直线电机是通过电能直接产生直线电磁推力的，它在驱动装置中，其运动可以无机械接触，使传动零部件无磨损，从而大大减少了机械损耗，例如直线电机驱动的磁悬浮列车就是如此。（4）旋转电机通过钢绳、齿条、传动带等转换机构转换成直线于东，这些转换机构在运行中，其噪声是不可避免的；而直线电机是靠电磁推力驱动装置运行的，故整个装置或系统的噪声很小或无噪声，运行环境好。（5）由于直线电机结构简单，且他的初级铁心在嵌线后可以用环氧树脂等密封成整体，所以可以再一些特殊场合中应用，例如可在潮湿甚至水中使用，可在有腐蚀性气体或有毒、有害气体中应用，亦可在几千度的高温下或零下几百度的低温下使用。（6）由于直线电机结构简单，其散热效果也比较好，特别是常用的扁平型短初级直线电机，初级的铁心和绕组端部，直接暴露在空气中，所以这一类直线电机的热负荷可以取得较高，并且不需要附加冷却装置。1.3.2直线电机的缺点当然，任何事物都是一分为二的，直线电机也不例外，它也存在着一些不足之处，主要表现在以下两个方面：（1）与同容量旋转电机相比，直线电机的效率和功率因数要低，尤其在低速时比较明显。其原因主要是由两个方面引起的：一是直线电机的初次级气隙一般比旋转电机的气隙大，因此所需的磁化电流比较大，使损耗增加；二是由于直线电机初级铁心两端开端，产生了所谓的边端效应，从而引起波形畸变等问题，其结果也导致损耗增加。但从整个装置或系统来看，由于采用直线电机后可省去中间传动装置，因此，系统的效率有时还是比采用旋转电机的高。（2）直线电机特别是直线感应电动机的启动推力受电源电压的影响较大，故需要采取有关措施保证电源的稳定或改变电机的有关特性来减少活消除这种影响。通过以上关于直线电机驱动装置所具有的优缺点的论述，我们可以说，在所有直线运动的装置或系统中，是否采用直线电机驱动，还需要进行综合考虑，在权衡了直线电机驱动与旋转电机驱动的利弊得失之后，才能做出是否采用直线电机的决定。换句话说，直线电机在一些合适的直线运动装置或系统中，是很有发展前途的，也是能发挥很大作用的。1.4发展直线电机的必然性随着高精密技术的发展，直线电机这个名词已逐渐被人熟悉，时至今日，直线电机也已广泛应用于各种直线运动的场合。将电能直接转化为直线运动的电磁装置，是一种高效率的新型电机。直线电机技术是一门新兴的专业技术，其应用涉及到机械制造及其自动化、控制工程、机电一体化、工业自动化、机器人等领域，而且随着直线电机技术的发展，直线电机将会应用于各种需要直线运动的场合。旋转电机所有的品种,直线电机技术几乎都有相对应的品种。其应用范围正在不断扩大。在一些它能独特发挥作用的地方,取得了非常令人满意得效果。随着微电子、电力电子技术、永磁材料技术和驱动技术的发展,直线电机系统有了长足的进步,国外著名电器(气)公司相继推出并不断完善、更新各自的直线电机系统。其应用十分广泛,如列车驱动、物料运送、机床工作、食品和轻工机械、自动绘图仪等直线电机技术的发展，经历了不短的历史和几起几落的波浪式发展，采用直线电机驱动的新型装置与非直线电机驱动相比，它所具有的结构简单、无接触、无磨损、噪声低、速度快、精度高、组合灵活等优点是明显的，但由于直线电机本身所具有的磁路开断所引起的边端效应以及安装气隙较大等问题，故在一些直线运动的装置或系统中，是否采用新型的直线电机来驱动，要权衡利弊得失，选择能充分发挥直线电机自身优势的直线运动装置或系统中发展应用。在科学技术飞速发展的今天，在一些旋转电机或其它驱动装置无能为力或勉强应付的地方，寻找直线电机能充分发挥优势的位置，在满足人类需求和完善人类美好愿望的进程中求得自身的发展，前景是广阔的，但选择是要谨慎的。