直線感應(yīng)電機及其應(yīng)用課件

直線感應(yīng)電機及其應(yīng)用2.直線感應(yīng)電動機的結(jié)構(gòu)和基本原理3.直線感應(yīng)電動機的邊端效應(yīng)4.直線感應(yīng)電動機的等效電路和基本特性5.直線感應(yīng)電動機的應(yīng)用及發(fā)展趨勢主要內(nèi)容6.本人在直線電機方面開展的工作1.直線電機的發(fā)展歷史1.直線電機的發(fā)展歷史

直線電動機的動子為往復(fù)直線運動，它將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動的機械能。

在許多裝置中需要直線運動，若采用旋轉(zhuǎn)電動機驅(qū)動，需要通過中間轉(zhuǎn)換裝置。中間轉(zhuǎn)換傳動機構(gòu)的存在，使整機存在著體積大、效率低、精度差、噪聲大等問題。1.直線電機的發(fā)展歷史國內(nèi)從事直線電機研究的單位：浙江大學(xué)；中科院電工所；河南理工大學(xué)；東南大學(xué)；山東大學(xué)；西安交通大學(xué)；沈陽工業(yè)大學(xué)；太原理工大學(xué)；上海電機廠；哈爾濱泰富電氣有限公司等。國內(nèi)從事直線電機研究的人員：早期：龍遐令；胡之光；陳世坤；顧積棟；凌金福；蔡廷錫；陳永校；熊光煜；喬忠壽；袁世鷹；程樹前等當(dāng)前：葉云岳；金能強；郭慶鼎；盧琴芬；焦留成；汪旭東；胡敏強等。電機旋轉(zhuǎn)電機直線電機直線感應(yīng)電機直線同步電機直線直流電機直線步進電機直線特種電機變壓器2.直線感應(yīng)電動機的結(jié)構(gòu)和基本原理2.1直線電機的分類2.直線感應(yīng)電動機的結(jié)構(gòu)和基本原理2.2直線感應(yīng)電動機的結(jié)構(gòu)圖1旋轉(zhuǎn)電機和直線電機示意圖a）旋轉(zhuǎn)電機b)直線電機

饋電的一側(cè)稱為初級，無饋電的一側(cè)稱為次級。靜止的一側(cè)稱為定子，運動的一側(cè)稱為動子。

初級和次級長度相等的直線電機不能正常運行，根據(jù)其長度的不同，可分為短初級型和短次級型。圖3單邊型直線感應(yīng)電機a)短初級b)短次級2.直線感應(yīng)電機的結(jié)構(gòu)和基本原理圖4雙邊型直線感應(yīng)電機a)短初級b）短次級2.直線感應(yīng)電機的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電機的次級，分為磁性次級、非磁性次級和復(fù)合次級三種。磁性次級的材料為低碳鋼板，非磁性次級的材料為銅或鋁，復(fù)合次級是二者的復(fù)合，如圖5所示。由于低碳鋼板的導(dǎo)電性能不好，所以磁性次級的直線感應(yīng)電動機效率較低。非磁性次級的直線電動機，由于次級材料的導(dǎo)磁性能差，因此功率因數(shù)較低。復(fù)合次級的直線感應(yīng)電動機具有較好的性能指標。2.直線感應(yīng)電機的結(jié)構(gòu)和基本原理a)磁性次級b)非磁性次級c)復(fù)合次級圖5直線感應(yīng)電機的次級橫截面圖

由于直線感應(yīng)電動機的電磁氣隙（2~10mm）較旋轉(zhuǎn)電機的（0.2~1mm）大得多，加之邊端效應(yīng)的影響，直線感應(yīng)電動機的功率因數(shù)和效率較同容量旋轉(zhuǎn)電機低。3）圓弧型和圓盤形直線感應(yīng)電機圖7圓弧型直線電動機圖8圓盤型直線電機2.直線感應(yīng)電機的結(jié)構(gòu)和基本原理2.3直線感應(yīng)電機的工作原理圖9直線電機的基本工作原理

1—初級2—次級3—行波磁場

三相繞組中通入三相對稱正弦電流，產(chǎn)生行波氣隙磁場。其磁場移動速度用vs（m/s）表示，稱為同步速度，且式中，τ為極距；f為電源頻率。

行波磁場切割次級導(dǎo)體，感應(yīng)電動勢并產(chǎn)生電流。電流與氣隙磁場相互作用產(chǎn)生電磁推力。次級在推力作用下順著行波磁場運動的方向作直線運動，動子移動速度用v表示，轉(zhuǎn)差率用s表示，則有

電動機運行狀態(tài)下，s在0和1之間。2.直線感應(yīng)電機的結(jié)構(gòu)和基本原理3.直線感應(yīng)電機的邊端效應(yīng)3.1縱向邊端效應(yīng)及其改善1）三相繞組不對稱引起的負序和零序磁場

與旋轉(zhuǎn)電機不同，由于直線電機的鐵心兩端是開斷的，鐵心及安置在其槽中的繞組在兩端不連續(xù)，所以各相之間的互感就不相等，即使在初級繞組加三相對稱的電壓，各相繞組中的電流也不對稱。利用對稱分量法可以把不對稱的電流分解成正序、負序和零序分量。對應(yīng)這三種電流將產(chǎn)生正向行波磁場、反向行波磁場和脈振磁場。后兩類磁場在次級運行過程中將產(chǎn)生阻力并產(chǎn)生附加損耗。

隨著時間的變化，磁動勢曲線相對于初級鐵心是移動的，因此在上、下鐵心的端面之間所作用的磁動勢將隨時間做正弦變化。與此相對應(yīng)，分路磁通Φsh和磁通密度Bsh隨時間按正弦規(guī)律脈振。這種磁場在有效區(qū)域內(nèi)與空間位置無關(guān)，因此，它與通常的行波磁場不同，常被稱為脈振磁場。3）靜態(tài)縱向邊端效應(yīng)

鐵心開斷所產(chǎn)生的脈振磁場、反向磁場存在的現(xiàn)象，稱為直線感應(yīng)電機的靜態(tài)縱向邊端效應(yīng)。3.直線感應(yīng)電機的邊端效應(yīng)4）動態(tài)縱向邊端效應(yīng)圖11直線感應(yīng)電機的縱向邊端效應(yīng)

對于旋轉(zhuǎn)電機，轉(zhuǎn)子以同步速旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動勢和電流等于0。而對于直線電動機，次級以同步速移動，當(dāng)時間為t0、t1、t2、t3和t4時，次級導(dǎo)體上電路C的相應(yīng)位置是C0，C1，C2，C3和C4。當(dāng)C在C0、C2和C4位置時，電路中沒有感應(yīng)電動勢；但是當(dāng)C在C1和C3位置時，在電路C中就有感應(yīng)電動勢和電流產(chǎn)生。這種感生電流稱為動態(tài)縱向邊端效應(yīng)電流，它會產(chǎn)生附加損耗和附加力。3.直線感應(yīng)電機的邊端效應(yīng)5）削弱縱向邊端效應(yīng)的方法方法1：三相繞組換位接法圖12消除負序和零序電流的一種方法a)第一臺電機；b)第二臺電機；c)第三臺電機；c）三相繞組換位的Y接；e)三相繞組換位的Δ接3.直線感應(yīng)電機的邊端效應(yīng)

圖13補償原件安裝位置示意圖3.直線感應(yīng)電機的邊端效應(yīng)3.2橫向邊端效應(yīng)及其改善1）橫向邊端效應(yīng)圖14次級電流路徑

一般直線感應(yīng)電機的次級是導(dǎo)電板，而不是鼠籠條，電機運行時，次級板中的電流如圖14所示，電流不但有橫向分量，還有縱向分量?？v向分量的存在，產(chǎn)生橫向邊端效應(yīng)。橫向邊端效應(yīng)使次級的等效電阻增大。3.直線感應(yīng)電機的邊端效應(yīng)2）削弱橫向邊端效應(yīng)的措施

適當(dāng)加大次級板的寬度，如圖15所示。圖15次級伸出的雙邊直線感應(yīng)電機的橫截面圖3.直線感應(yīng)電機的邊端效應(yīng)1）推力-速度特性4.2基本特性圖17直線感應(yīng)電動機與旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動機的推力-速度特性的比較圖18近似直線的推力-速度特性Fst為起動推力，Vs為同步速度，F(xiàn)u為摩擦力，Vf為空載速度4.直線感應(yīng)電動機的等效電路和基本特性2）推力-氣隙特性3）電流-氣隙特性圖19推力-氣隙特性圖20電流-氣隙特性4.直線感應(yīng)電動機的等效電路和基本特性隨著氣隙的增加，電流增加，推力減小。直線感應(yīng)電機輪軌交通

我國的直線電機地鐵已建成的有北京國際機場線、廣州4、5、6號地鐵線。采用直線感應(yīng)電動機驅(qū)動，長次級短初級結(jié)構(gòu)。短初級裝在車上，長次級（感應(yīng)板）鋪設(shè)在軌道中間，初、次級相互作用產(chǎn)生推力。依靠鋼輪-鋼軌系統(tǒng)進行支撐和導(dǎo)向。世界上大部分直線電機輪軌交通采用這種方式。圖25北京國際機場線線路圖圖24北京國際機場線5.直線感應(yīng)電動機應(yīng)用及發(fā)展趨勢圖26長次級感應(yīng)板圖27分段長初級5.直線感應(yīng)電動機應(yīng)用及發(fā)展趨勢直線電機輪軌交通系統(tǒng)的特點1)爬坡能力強

由于車輛的運動是依靠直線電機所產(chǎn)生的電磁力來推進，而車輛車輪僅起支撐承載作用，不傳遞力，不再受到輪軌黏著因素的制約。因此，車輛可以獲得很強的起動、加速和減速動力性能，尤其具有突出的爬坡能力，線路最大坡度可以允許在8%以上，傳統(tǒng)的地鐵車輛最大允許3%，并能在惡劣的環(huán)境和軌面條件下保持良好的性能。圖28爬坡能力的比較5.直線感應(yīng)電動機應(yīng)用及發(fā)展趨勢2)轉(zhuǎn)彎半徑小

由于直線電機驅(qū)動方式，車輪不再傳遞牽引/制動力，所以軸箱定位結(jié)構(gòu)可以大大簡化，這樣就很容易實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單的徑向轉(zhuǎn)向架，提高了車輛的曲線通過性能和運行平穩(wěn)性。由于轉(zhuǎn)向架具有徑向功能且軸距小，使地鐵運營線路的最小曲線半徑可低到80m左右，傳統(tǒng)的地鐵車輛要250m以上。圖29轉(zhuǎn)彎半徑的比較5.直線感應(yīng)電動機應(yīng)用及發(fā)展趨勢3)橫斷面結(jié)構(gòu)的小型化

由于直線電機驅(qū)動方式不需要中間傳動裝置，因此可以采用小的車輪直徑610mm，傳統(tǒng)地鐵車輛為860mm。再者，由于不需要旋轉(zhuǎn)電機的懸掛安裝空間，車輛地板面可降至距軌面700mm，傳統(tǒng)地鐵車輛為1100mm以上。綜合各項小型化措施，使該型地鐵車輛的橫斷面面積大大減小，與傳統(tǒng)地鐵車輛相比大約減少40%。圖30普通地鐵與直線電機地鐵隧道斷面比較5.直線感應(yīng)電動機應(yīng)用及發(fā)展趨勢4)降低振動和噪聲

直線電機驅(qū)動的地鐵車輛，沒有齒輪傳動機構(gòu)的齒合振動和噪聲；車輪也不是驅(qū)動輪，沒有動力輪對與鋼軌蠕滑滾動產(chǎn)生的振動和噪聲；徑向轉(zhuǎn)向架良好的曲線通過性能，避免了過曲線時輪軌沖角帶來的振動和噪聲。所以該型地鐵車輛具有振動小，噪聲低的優(yōu)點，有利于環(huán)境保護。5.直線感應(yīng)電動機應(yīng)用及發(fā)展趨勢5)良好的安全性和可靠性

直線電機驅(qū)動地鐵車輛是典型的非黏著驅(qū)動方式，牽引/制動性能發(fā)揮不依賴于環(huán)境，是一種全天候的運載工具。直線電機驅(qū)動的電磁力的分力是輪軌間產(chǎn)生一定的附加壓力，有利于提高輪軌運動的穩(wěn)定性，因此其安全性指標高。取消了旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動所必需的滾動軸承、傳動齒輪，磨損小，大大提高了車輛運行的可靠性和可維護性，維修工作量較小，維護成本較低。5.直線感應(yīng)電動機應(yīng)用及發(fā)展趨勢6)良好的編組靈活性和運營適應(yīng)性

直線電機驅(qū)動的地鐵車輛具有比傳統(tǒng)車輛更強的加減速性能，有更高的停車位置控制精度，因此更容易實現(xiàn)小編組，高密度，自動駕駛的運行模式?？梢砸?~6輛靈活編組，適應(yīng)不同的客流量需要。采用鋼車輪和鋼軌來支撐和引導(dǎo)車輛運行，所以仍可采用長期運用成熟的、安全可靠的軌道電路信號系統(tǒng)來實行對列車的信號傳輸，運行監(jiān)控和集中調(diào)度，運營適應(yīng)性較好。5.直線感應(yīng)電動機應(yīng)用及發(fā)展趨勢7)低效率、低功率因數(shù)

地鐵車輛上工程應(yīng)用的直線電機，由于車載定子與地面轉(zhuǎn)子是處在一個相對直線運動的彈性(軸箱垂向彈性定位)系統(tǒng)間，不可避免地會造成相互間隙變化，因此氣隙設(shè)計的不能太小，否則會導(dǎo)致不安全因素，一般定在12mm左右。再加上直線電機是有端部的，因此漏磁場較大，機電能量轉(zhuǎn)化率低，所以直線電機效率較低，一般在70%~80%之間，功率因數(shù)也較低，一般在0.5~0.6之間。5.直線感應(yīng)電動機應(yīng)用及發(fā)展趨勢項目MKⅡ型車輛東京大江戶線廣州地鐵4號線極數(shù)688電壓/V57011001100持續(xù)電流/A400170162峰值電流/A550210最大推力/kN18.613.2最大功率/kW187120155吸力/kN2526重量/kg64014001550長度/m2.23鐵心長度/m1.952.476寬度/m0.67鐵心寬度/m0.3660.3冷卻方式強迫風(fēng)冷自然冷卻自然冷卻氣隙/mm1212105.2其他應(yīng)用直線電機推車機直線電機沖床直線電機電梯直線電機驅(qū)動的壓縮機數(shù)控機床電磁炮5.3直線電機的發(fā)展趨勢1）電機本體高精度、大容量永磁直線電機直線振蕩電機2）控制技術(shù)矢量控制技術(shù)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)無位置傳感技術(shù)6.本人在直線電機方面進行的工作1）直線電機推車機電機磁性次級，功率因數(shù)0.4左右；復(fù)合次級功率因數(shù)0.6左右。Holmse直線感應(yīng)電機可提高功率因數(shù)。6.本人在直線電機方面進行的工作副繞組串電容的直線感應(yīng)電機可提高功率因數(shù)、推力、削弱諧波。6.本人在直線電機方面進行的工作2）對定、動子極距不等的同步直線電機進行分析上海磁懸浮線，采用同步直線電機驅(qū)動，定子為三相單層集中繞組。定子極距258mm，動子極距266.5mm。定、動子極距不等，可以削弱齒槽力、削弱諧波