機(jī)電傳動(dòng)直線電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)

1、第5部分直線電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)一、特點(diǎn)及應(yīng)用一、特點(diǎn)及應(yīng)用二、基本結(jié)構(gòu)與工作原理二、基本結(jié)構(gòu)與工作原理三、分類及優(yōu)、缺點(diǎn)三、分類及優(yōu)、缺點(diǎn)一、特點(diǎn)及應(yīng)用1.特點(diǎn)特點(diǎn)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能而不需要任是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的裝置；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；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；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)需要選不同種類具有截然不同的工作特點(diǎn)，可

2、以根據(jù)需要選擇。能滿足高速、大推力的驅(qū)動(dòng)要求，也能滿足低速、擇。能滿足高速、大推力的驅(qū)動(dòng)要求，也能滿足低速、精細(xì)的要求，如步進(jìn)直線電動(dòng)機(jī)。精細(xì)的要求，如步進(jìn)直線電動(dòng)機(jī)。2.應(yīng)用應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域：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；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(shí)速達(dá)交通運(yùn)輸業(yè)。利用直線電機(jī)制成時(shí)速達(dá)500km以上的以上的磁懸浮列車；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)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(dòng)的機(jī)械設(shè)備中；動(dòng)的機(jī)械設(shè)備中；精密儀器設(shè)備。例如計(jì)算

3、機(jī)的磁頭驅(qū)動(dòng)裝置、照相機(jī)精密儀器設(shè)備。例如計(jì)算機(jī)的磁頭驅(qū)動(dòng)裝置、照相機(jī)的快門、自動(dòng)繪圖儀、醫(yī)療儀器、航天航空儀器、各的快門、自動(dòng)繪圖儀、醫(yī)療儀器、航天航空儀器、各種自動(dòng)化儀器設(shè)備等；種自動(dòng)化儀器設(shè)備等；民用裝置。如門、窗、桌、椅的移動(dòng)，門鎖、電動(dòng)窗民用裝置。如門、窗、桌、椅的移動(dòng)，門鎖、電動(dòng)窗簾的開、閉等。簾的開、閉等。應(yīng)用實(shí)例：應(yīng)用實(shí)例：直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的X-Y工作臺(tái)工作臺(tái)圖1 使用直線直流電動(dòng)機(jī)的X-Y工作臺(tái)二、基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)（1）扁平型結(jié)構(gòu)）扁平型結(jié)構(gòu)圖2 旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)和扁平型直線電動(dòng)機(jī)示意圖 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)方面扁平型直線電機(jī)可以認(rèn)

4、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(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向的一種演變，它可看作是將一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開，然后將電機(jī)的周圍展成直線。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(guò)程a)沿徑向剖開 b)把圓周展成直線定子演變來(lái)的一側(cè)稱為初級(jí)，轉(zhuǎn)子演變來(lái)的一側(cè)定子演變來(lái)的一側(cè)稱為初級(jí)，轉(zhuǎn)子演變來(lái)的一側(cè)稱為次級(jí)。稱為次級(jí)。由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來(lái)的最原始的直線電機(jī)初級(jí)和由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來(lái)的最原始的直線電機(jī)初級(jí)和次級(jí)長(zhǎng)度相等，運(yùn)行中初級(jí)與次級(jí)的耦合不定，次級(jí)長(zhǎng)度相等，運(yùn)行中初級(jí)與次級(jí)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(jí)不能正常工作。為了保證在所需行程范

5、圍內(nèi)初級(jí)與次級(jí)之間的耦合保持不變，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將初與次級(jí)之間的耦合保持不變，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將初級(jí)與次級(jí)制造成不同的長(zhǎng)度。級(jí)與次級(jí)制造成不同的長(zhǎng)度。既可做成短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)型，也可做成長(zhǎng)初級(jí)短次既可做成短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)型，也可做成長(zhǎng)初級(jí)短次級(jí)型。但短初級(jí)在制造成本上、運(yùn)行費(fèi)用上均比級(jí)型。但短初級(jí)在制造成本上、運(yùn)行費(fèi)用上均比短次級(jí)低得多，因此目前除特殊場(chǎng)合外，一般采短次級(jí)低得多，因此目前除特殊場(chǎng)合外，一般采用短初級(jí)。用短初級(jí)。演變而來(lái)的原始直線電機(jī)僅一邊安放初級(jí)，稱為演變而來(lái)的原始直線電機(jī)僅一邊安放初級(jí)，稱為單邊型直線電機(jī)。單邊型電機(jī)的初級(jí)與次級(jí)之間單邊型直線電機(jī)。單邊型電機(jī)的初級(jí)與次級(jí)之間存在著很大的法向

6、吸力，在鋼次級(jí)時(shí)約為推力的存在著很大的法向吸力，在鋼次級(jí)時(shí)約為推力的10倍左右，大多數(shù)場(chǎng)合下，這個(gè)力是不希望存在倍左右，大多數(shù)場(chǎng)合下，這個(gè)力是不希望存在的。因此在次級(jí)兩邊都裝上初級(jí)，做成雙邊型結(jié)的。因此在次級(jí)兩邊都裝上初級(jí)，做成雙邊型結(jié)構(gòu)，以抵消法向吸力。構(gòu)，以抵消法向吸力。圖4 單邊型直線電機(jī)a)短初級(jí) b)短次級(jí)圖5 雙邊型直線電機(jī)a)短初級(jí) b)短次級(jí)1.基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)一臺(tái)典型的單邊扁平型短初級(jí)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如一臺(tái)典型的單邊扁平型短初級(jí)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖所示。圖所示。圖圖6 單邊扁平型短初級(jí)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)單邊扁平型短初級(jí)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)1次級(jí)鐵心次級(jí)鐵心 2次級(jí)導(dǎo)電板次級(jí)導(dǎo)電

7、板 3三相繞組三相繞組 4初初級(jí)鐵心級(jí)鐵心 5支架支架6固定用角鐵固定用角鐵 7繞組端部繞組端部 8環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂 可以認(rèn)為是可以認(rèn)為是將扁平型直將扁平型直線電機(jī)沿著線電機(jī)沿著和直線運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)相垂直的方相垂直的方向卷接成筒向卷接成筒形而來(lái)的。形而來(lái)的。如圖如圖6所示。所示。（2）圓筒型（管型）結(jié)構(gòu)）圓筒型（管型）結(jié)構(gòu)圖7 圓筒型直線電機(jī)的演變過(guò)程（3）弧型和盤型結(jié)構(gòu)）弧型和盤型結(jié)構(gòu)弧型是將扁平型直線電機(jī)的初級(jí)沿運(yùn)動(dòng)方向改成弧型，弧型是將扁平型直線電機(jī)的初級(jí)沿運(yùn)動(dòng)方向改成弧型，并安放于圓柱形次級(jí)的柱面外側(cè)。如圖并安放于圓柱形次級(jí)的柱面外側(cè)。如圖7所示。所示。圖7 弧型直線電動(dòng)機(jī)盤型結(jié)構(gòu)是把

8、次級(jí)做成一片圓盤，將初級(jí)放在次級(jí)圓盤型結(jié)構(gòu)是把次級(jí)做成一片圓盤，將初級(jí)放在次級(jí)圓盤靠近外緣的平面上，次級(jí)可以是雙面的也可以是單盤靠近外緣的平面上，次級(jí)可以是雙面的也可以是單面的。如圖面的。如圖8所示。所示。圖8 盤型直線電機(jī)弧型和盤型直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是一個(gè)圓周運(yùn)弧型和盤型直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是一個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)，然而由于它們的運(yùn)行原理和設(shè)計(jì)方法與扁平動(dòng)，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。型直線電機(jī)相似，所以也歸入直線電機(jī)范疇。2.工作原理工作原理與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似。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(duì)稱正弦電流在直線電機(jī)的三相繞組中通入三相對(duì)稱

9、正弦電流后，也會(huì)產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。當(dāng)不考慮由于鐵心兩端后，也會(huì)產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。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(shí)，這個(gè)氣隙磁場(chǎng)的開斷而引起的縱向邊端效應(yīng)時(shí)，這個(gè)氣隙磁場(chǎng)的分布情況與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，即可看成沿展開的直分布情況與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，即可看成沿展開的直線方向呈正弦形分布。如圖線方向呈正弦形分布。如圖9所示。所示。三相電流隨時(shí)間變化時(shí)，氣隙磁場(chǎng)將按三相電流隨時(shí)間變化時(shí)，氣隙磁場(chǎng)將按A、B、C相相序沿直線移動(dòng)。這個(gè)原理與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的相似。差異是：序沿直線移動(dòng)。這個(gè)原理與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的相似。差異是：這個(gè)磁場(chǎng)平移，而不是旋轉(zhuǎn)，因此稱為行波磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)平移，而不是旋轉(zhuǎn)，因此稱為行波磁場(chǎng)。行波磁場(chǎng)的移

10、動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子內(nèi)圓表面上的行波磁場(chǎng)的移動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子內(nèi)圓表面上的線速度一樣。稱為同步速度線速度一樣。稱為同步速度 (m/s)，且，且 ，為極距為極距(m)， 為電流的頻率為電流的頻率(Hz)。圖10直線電機(jī)基本工作原理svfsv2f行波磁場(chǎng)次級(jí)初級(jí)NSF力磁場(chǎng)電流BI運(yùn)動(dòng)力磁場(chǎng)電動(dòng)勢(shì)右手定則右手定則反電動(dòng)勢(shì)反電動(dòng)勢(shì)E=vBLvSSN假定次級(jí)為柵形次級(jí)，次級(jí)導(dǎo)條在行波磁場(chǎng)切割假定次級(jí)為柵形次級(jí)，次級(jí)導(dǎo)條在行波磁場(chǎng)切割下，將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生電流。所有導(dǎo)條的下，將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生電流。所有導(dǎo)條的電流和氣隙磁場(chǎng)相互作用便產(chǎn)生電磁推力。電流和氣隙磁場(chǎng)相互作用便產(chǎn)生電磁推力。直線電

11、機(jī)的次級(jí)大多采用整塊金屬板或復(fù)合金屬直線電機(jī)的次級(jí)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(wú)限多導(dǎo)條并列板，并不存在明顯導(dǎo)條?？煽闯蔁o(wú)限多導(dǎo)條并列安置進(jìn)行分析。圖安置進(jìn)行分析。圖10為假想導(dǎo)條中的感應(yīng)電流及為假想導(dǎo)條中的感應(yīng)電流及金屬板內(nèi)電流的分布情況。金屬板內(nèi)電流的分布情況。圖10 次級(jí)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)電流分布金屬板內(nèi)電流分布SSFFv次級(jí)的兩種結(jié)構(gòu)類型：柵型結(jié)構(gòu)和實(shí)心結(jié)構(gòu)。次級(jí)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)（圖柵型結(jié)構(gòu)（圖4），相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的籠型結(jié)構(gòu)。次級(jí)鐵心上開槽，），相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的籠型結(jié)構(gòu)。次級(jí)鐵心上開槽，槽中放置導(dǎo)條，

12、并在兩端用端部導(dǎo)條連接所有槽中導(dǎo)條。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(jí)和鋼次實(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(jí)和鋼次級(jí)。級(jí)。從電動(dòng)機(jī)的性能來(lái)說(shuō)，采用柵型結(jié)構(gòu)時(shí)，效率和功率因數(shù)最高，非從電動(dòng)機(jī)的性能來(lái)說(shuō)，采用柵型結(jié)構(gòu)時(shí)，效率和功率因數(shù)最高，非磁性次級(jí)次之，鋼次級(jí)最差。磁性次級(jí)次之，鋼次級(jí)最差。從成本來(lái)說(shuō)，相反。從成本來(lái)說(shuō)，相反。端部導(dǎo)條端部導(dǎo)條槽內(nèi)導(dǎo)條槽內(nèi)導(dǎo)條圖4 柵型結(jié)構(gòu)次級(jí)旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)對(duì)換任意兩相的電源線，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)對(duì)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(guò)同樣的方法實(shí)現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)。

13、直線電機(jī)也可以通過(guò)同樣的方法實(shí)現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)這一原理，可使直線電機(jī)做往復(fù)反向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)這一原理，可使直線電機(jī)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)。三、分類1.分類分類按結(jié)構(gòu)型式分按結(jié)構(gòu)型式分圓筒型直線電機(jī)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)，需要外形如旋轉(zhuǎn)電機(jī)的圓柱形直線電機(jī)，需要時(shí)可做成既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又有直線運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)直線電機(jī)。時(shí)可做成既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又有直線運(yùn)動(dòng)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(dòng)，但與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比有圓盤型直線電機(jī)雖也做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比有兩個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：力矩與旋轉(zhuǎn)速度可以通過(guò)多臺(tái)初級(jí)組合的方兩個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：力矩與旋轉(zhuǎn)速度可以通過(guò)多臺(tái)初級(jí)組合的方法或通過(guò)初級(jí)在圓

14、盤上的徑向位置來(lái)調(diào)節(jié)；無(wú)需通過(guò)齒輪減法或通過(guò)初級(jí)在圓盤上的徑向位置來(lái)調(diào)節(jié)；無(wú)需通過(guò)齒輪減速箱就能得到較低的轉(zhuǎn)速，電機(jī)噪聲和振動(dòng)很小。速箱就能得到較低的轉(zhuǎn)速，電機(jī)噪聲和振動(dòng)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(jí)的形式和初級(jí)對(duì)次級(jí)的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)有所不同。次級(jí)的形式和初級(jí)對(duì)次級(jí)的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)有所不同。長(zhǎng)初級(jí)長(zhǎng)初級(jí)短初級(jí)短初級(jí)短初級(jí)短初級(jí)單邊型單邊型雙邊型雙邊型扁平型扁平型圓盤型圓盤型圓弧型圓弧型圓筒型圓筒型按功能用途分按功能用途分按工作原理分按工作原理分每種旋轉(zhuǎn)電機(jī)都有與之相對(duì)應(yīng)的直線電機(jī)。按工作原每種旋轉(zhuǎn)電機(jī)都有與之相對(duì)應(yīng)的直線電機(jī)。

15、按工作原理可以分兩大方面：直線電動(dòng)機(jī)和直線驅(qū)動(dòng)器。具體理可以分兩大方面：直線電動(dòng)機(jī)和直線驅(qū)動(dòng)器。具體分類見(jiàn)圖分類見(jiàn)圖11。種類種類衡量指標(biāo)衡量指標(biāo)應(yīng)用應(yīng)用力電機(jī)力電機(jī)推力推力/功率比功率比閥門開閉，門窗移動(dòng)，機(jī)械手操作，推車閥門開閉，門窗移動(dòng)，機(jī)械手操作，推車等等功電機(jī)功電機(jī)效率、功率因數(shù)效率、功率因數(shù)高速磁懸浮列車，高速運(yùn)行的輸送線高速磁懸浮列車，高速運(yùn)行的輸送線能電機(jī)能電機(jī)能效率（輸出動(dòng)能能效率（輸出動(dòng)能/電源電源提供的電能）提供的電能）導(dǎo)彈、魚雷的發(fā)射，飛機(jī)的起飛，沖擊、導(dǎo)彈、魚雷的發(fā)射，飛機(jī)的起飛，沖擊、碰撞等試驗(yàn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)碰撞等試驗(yàn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)直線電動(dòng)機(jī)直線電動(dòng)機(jī)直線驅(qū)動(dòng)器直線驅(qū)動(dòng)器交流直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（交流直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（LIM）交流直線同步電動(dòng)機(jī)（交流直線同步電動(dòng)機(jī)（LSM）電磁式（電磁式（EM）LSM永磁式（永磁式（PM）LSM可變阻抗（可變阻抗（VR）LSM混合式