基于直线电机系统的再探索

基于直线电机系统的再探索一、摘要:直线电机是电磁飞机弹射系统的关键组成部分。本文综合该领域最新的研究成果，讲述了直线电机的工作原理，并且对电机设计参数和基本机械结构进行了详细介绍;重点阐述了模块化定子结构，不同动子可以与之集成构成不同电机。该结构可以提高系统的集成和维护性能，但会对电机性能产生轻微影响;对永磁电机、直线感应电机与绕线磁极式电机三种常用电机设计进行了分析比较，介绍了三种电机各自的优缺点.着重考虑了对电力电子驱动设计的影响。在目前的技术条件下，永磁电机是最佳的选择。关键词:直线电机;电磁飞机弹射系统;永磁电机;电机机械结构;模块化定子结构二、直线电机的发展历史：直线电机的历史，据有关文献最早可追溯到1840年惠斯登（Wheatstone）开始提出和制作了略具雏形但并不成功的直线电机，从那时至今，已有160多年的历史了，在这不算短的历史过程当中，直线电机经历了探索实验、开发应用和实用商品化三个时代：1840～1955年为探索实验时期：从1840年到1955年的116年期间，直线电机从设想到实验到部分实验性应用，经历了一个不断探索，屡遭失败的过程。自从Wheatsone提出和试制了直线电机以后，1890年，美国匹兹堡市的市长最早明确地提到直线电机，在他的一篇文章中，首先明确地提到了直线电机以及它的专利。然而，由于当时的制造技术、工程材料以及控制技术的水平，之后近二十年未能成功。至1905年，曾有两人分别建议将直线电动机作为火车的推进机构，一种建议是将初级放在轨道上，另一种建议是将初级放在车辆底部。这些建议无疑是给当时直线电机研究领域注入了一剂兴奋剂。1917年出现了第一台圆筒形直线电动机，事实上那是一种具有换接初级线圈的直流磁阻电动机，人们试图把它作为导弹发射装置，但其发展并没有超出模型阶段。至此，从1930~1940年期间，直线电机进入了实验研究阶段，在这个阶段中，科研人员获驭了大量的实验数据，从而对已有理论有了更深一层的认识，奠定了直线电机在今后的应用基础。从1940～1955年期间世界一些发达国家科研人员，在实验的基础上，又进行了一些实验应用工作。1945年，美国西屋电气公司首先研制成功的电力牵引飞机弹射器，它的试验成功，使直线电动机可靠性好等优点受到了应有的重视，随后，美国利用直线电机制成用作抽汲钾、钠等液态金属的电磁泵，以满足核动力中的需要。1954年，英国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直流直线电机制成了发射导弹的装置，其速度可达1600km/h。在这个阶段中，尤需值得一提的是，直线电机作为高速列车的驱动装置得到了各国的高度重视并计划予以实施。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。三、直线电机的基本部件构成：电磁弹射器的部件很多，而在航空母舰上面，真正起弹射战机作用的，就是直线电机，直线电机是什么？这对于我们不少人来说，是个陌生的概念。通常，我们日常所见的电动机都是旋转型的。它是由定子包围着圆筒形的转子，当通过三相交流电的时候，定子形成旋转磁场，旋转磁场会因感应在转子中流过电流，而转子产生的电流与定子磁场作用从而使转子产生旋转力矩。而直线电机可以看成是将旋转电机的定子和转子两个圆筒形部件剖开，并展开成平板状，面对面，定子固定在相应于动子移动的长度方向上延长，动子通过一定的方式被支承起来，并保持稳定，形成动子和定子之间的空隙。当定子通过三相交流电子，产生的是直线移动的磁场，而不是旋转磁场，与三相异步电动机同理，动子也会随着定子的移动磁场移动，这就是直线电机的原理。直线电机虽然应用不算广泛，但是也并非见不到它的身影，目前在车床上面，特别是磁悬浮列车上面，可以看到直线电机的影子。但是电磁弹射器与这些常用的直线电机还是有区别的。以磁悬浮列车的直线电机对比来说吧，电磁弹射器的感应动子比较短，只有7米多长，而含有线圈的定子却超过100米长，磁悬浮列车的直线电机恰恰相反，带线圈定子（这里所说的定子实际上是运动的）很短，而动子（实际上是固定在轨道之间不动的）却象轨道一样无限长。磁悬浮列车的直线电机加速并不快，大部分时间为匀速工作，而电磁弹射器却是加速度工作。为了更深层次了解电磁弹射器，下面对直线电机进行详细介绍。美国福特级航母上的电磁弹射器定子定际上有288块直线电机模块构成，按左右对称布置，也就是动子两边各有144块直线电机模块单元。之所以称为直线电机模块单元，是因为这288块直线电机模块单元完全相同，可以任意对调或更换，维修人员只需把电源及仪表监测线路接上就行了，这是为了便于维护及检修。由于航母上备有配件及备品（每个电磁弹射器备10个直线电机模块单元做为检修更换用，因此每个电磁弹射器在航母上实际上配298块模块单元），因此即便不是专业人员也可以根据反馈的信号上看出是哪个单元坏了，也可以自行更换，完全不用专业人员在场。与磁悬浮列车的直线电机的定子不同，磁悬浮列车的直线电机的定子在动子上面，而且只是单面耦合，因为动子是固定在轨道上的，轨道下面也不可能再放置一面定子的。而电磁弹射器是双面耦合，左右的定子线圈均可以对动子进行感应交拖动。电磁弹射器每个直线电机模块单元宽0.725米，那么144个模块单元加上缓冲及边端装置接近110米长左右（加两端缓冲装置），这个长度比蒸汽弹射器稍长一点点。每个模块单元都是采用特种硅钢做铁芯，以铜导线做线圈，之所以如此选择，传统上应该选择的超导体对低温要求太苛刻，而且过于娇贵，对维护十分不利，战时可靠性也受影响，一切为了维护方便出发，因此美国人和DDG1000一样，仍采用了磁通率较高的硅钢（饱和磁通率在25000以上）和日常最普及的纯铜做材料。这么做绝不是为了省钱，而更多的考虑了维护及可靠性能，由于硅钢的独特性能，可以在环境较差的条件下使用，同时可靠性及维护性能优异，铜导线就无须赘述了，本身的电阻率就低，而且产品成熟、可靠、性能稳定。关于动子部分，动子在原理上等同于三相异步电机的转子。日常我们所见的三相异步电动机的转子都是短路环及铁芯构成，但是电磁弹射器的动子却有很多匝线圈，铁芯采用质量很轻、导磁很优越的材料构成。我们知道，三相异步电动机的转子电阻越小越好，因为电阻越小，转差率也越小，效率也越高，但是转子电阻越小，启动电流也越大，启动转矩却并不高，因此我们日常使用的三相异步电动机启动电流是额定电流的5倍以上，但是启动转矩却不及额定工作时输出转矩。因此象船闸门的部分提升电动机就采用了高阻抗转子，为的就是能提供更大的启动力矩和较小的启动电流，这些高阻抗转子实际上就是在转子上绕很多匝线圈，使得其阻抗较大，因此启动电流小，而启动力矩却相对较高，适应于频繁启动且工作时间不长的场合。电磁弹射器的动子做法与这种船闸提升电动机的转子非常相同，这是因为电磁弹射器在弹射战机时是加速度做功，其实就相当于电机启动，这样做不仅限制启动电流，也提供了更大的启动转矩。在电磁弹射器中，动子的两面都是与定子线圈耦合的，因此定子与动子的相对应面超过了10平方米，而我们日常的旋转型电动机定子与转子只是单面耦合，因此电动个头虽然大，但是耦合面其实并不大，电磁弹射器之所以这么做，目的是为了减小动子的重量，因为动子的重量哪怕减小一点点，意义都非同凡响。上述所讲的是动子的感应线圈部分，但是动子绝不止感应线圈，虽然它是产生驱动力的核心部件，但是由于战机在甲板上面，必须有效的与上部采用合理的手段，就象蒸汽弹射器的驱动活塞一样，它必须有引出装置与战机相连。我们知道，蒸汽弹射器有小车和弹射梭装置，电磁弹射器也有它的相应设备，分别是强迫约束装置和弹射梭。强迫约束装置放置在轨道盒内，而轨道盒是固定在定子线圈上部的，长度与电磁弹射器相同，它采用左右对称并上下开口，上部开口是为了弹射梭的运行，弹射梭是挂战机弹射挂钩的。下部开口为了动子线圈。弹射梭和动子感应线圈均与强迫约束装置采用刚性连接。强迫约束装置在原理上差不多相同于蒸汽弹射器的小车，因为动子感应线圈与上部弹射梭虽然在驱动力方向上一致，但是高度不同，也就是受力点不在一个平面上，必须要有一个装置来平衡这种受力不在一个水平上的问题。强迫约装置在上部有4排轴承组，下部有2排轴承组，左上和左下有1排排轴承组，同理，右上和右下也有2排轴承组。上下的轴承组当然是平衡弹射战机时这种受力不在一个水平上的问题，而左上、左下及右上、右下则是平衡动子线圈左右倾斜的问题。如果在动子线圈下部设一排轴承组，这样来防止动子线圈左右倾斜效果应该更好，但是，这些轴承组是易损件，如果更换动子线圈下部的轴承组则要拆下定子线圈，维护量太大，因此采用了在强迫约束装置上进行工作，虽然在效果上比不上动子线圈下部设置，但是维护量大大降低了。需要指出的是，电磁弹射器的288块直线电机模块单元并非统一供电的，它们共分8个回路，并且分回路供电，按弹射战机方向进行排序，每段（也就是每个回路）中每个回路有36个模块单元，那么每边就是18个。由于电磁弹射器也是三相交流电，按照每相A、B、C顺序接入模块单元，采用星形接法，接入每个直线电机模块单元的铜导线的线截面为240平方毫米，每个回路长度为：18*0.725=13.05米长。而动子正好为每回路长度的一半，即长度为9*0.725=6.525米长。为了方便讲解，按弹射战机方向进行排序，我们把相关回路分别编号为1、2、3、4、5、6、7、8个回路。在弹射战机的时候，先给1号回路供电，然后给2号回路供电，依次进行。电磁弹射器供电原则是：当动子进入到这个线圈之前的0.2秒开始供电，当动子完全离开这个回路的线圈0.04秒断开这个回路的电源。这些全部由中央集中控制系统的PLC进行准确无误的进行控制。至于谁来控制这些分段的回路，其实就是真空断路器，电磁弹射器最高产生几万安培的电流，电压最高可达14千伏，而且控制通断时间如此精确，并且真空断路器是不能够采用串联和并联的方式进行工作的，那么，真空断路器能满足电磁弹射器的要求吗？答案是肯定的，请看以下解析：真空断路器是一种用真空作为灭弧介质和绝缘介质的断路器，由于这种断路器开断可靠性高，可频繁操作，寿命长，体积小，结构简单，维护工作量少等优点，目前在中压领域得到广泛应用。我们使用的是交流电，而不是直流电，电磁弹射器也是，交流电的一个特点就是电压和电流并不是固定的，它随着象正弦波一样变化，因此真空断路器就是依赖电压为零的时候进行灭弧，从而断开电路。目前民用的真空断路器电压已经做到近40千伏，远高于电磁弹射器的14千伏，防止过电压也采用了民用设备一样的同样设备，因此在电压上不存在任何问题。然后是电流，国产正常民用的真空断路器额定电流最大不超过几千安培，不过国外已经可以分断10万安培以上的电流了，极限分断电流可达30万安培以上的电流，这不能不说是个较大的差距。但是事实上在电磁弹射器上，分断电流及合闸电流也不过几千安培，这是因为电磁弹射器这8个回路在动子来到前0.2秒开始接受指令，由于断路器的合闸时间不到0.1秒，因此在动子来到的0.1秒前就已通电了，没有动子如果对于三相异步电动机来说就是相当于没有转子，这时只有空载电流，电流当然不大，而断开也一样，是动子经过后才断开，也相当于空载