直线电机实际应用开发设计

直线电机实际应用开发设计

1 绪论

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：

图1-1 直线电机的转变过程

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。