机电传动直线电动机基础

1、第5部分 直线电动机基础 一、特点及应用一、特点及应用 二、基本结构与工作原理二、基本结构与工作原理 三、分类及优、缺点三、分类及优、缺点 一、特点及应用 1.特点特点 是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需要任是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需要任 何中间转换机构的装置；何中间转换机构的装置； 结构多样，可以根据需要制成扁平型、圆筒型或盘型结构多样，可以根据需要制成扁平型、圆筒型或盘型 等各种形式；等各种形式； 可以采用交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源可以采用交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源 进行工作；进行工作； 不同种类具有截然不同的工作特点，可以根据需要选不同种类

2、具有截然不同的工作特点，可以根据需要选 择。能满足高速、大推力的驱动要求，也能满足低速、择。能满足高速、大推力的驱动要求，也能满足低速、 精细的要求，如步进直线电动机。精细的要求，如步进直线电动机。 2.应用应用 应用领域：应用领域： 军事领域。利用直线电机制成各种电磁炮，并试图将军事领域。利用直线电机制成各种电磁炮，并试图将 它用于导弹、火箭的发射；它用于导弹、火箭的发射； 交通运输业。利用直线电机制成时速达交通运输业。利用直线电机制成时速达500km以上的以上的 磁悬浮列车；磁悬浮列车； 工业领域。用于生产输送线，以及各种横向或垂直运工业领域。用于生产输送线，以及各种横向或垂直运 动的机械

3、设备中；动的机械设备中； 精密仪器设备。例如计算机的磁头驱动装置、照相机精密仪器设备。例如计算机的磁头驱动装置、照相机 的快门、自动绘图仪、医疗仪器、航天航空仪器、各的快门、自动绘图仪、医疗仪器、航天航空仪器、各 种自动化仪器设备等；种自动化仪器设备等； 民用装置。如门、窗、桌、椅的移动，门锁、电动窗民用装置。如门、窗、桌、椅的移动，门锁、电动窗 帘的开、闭等。帘的开、闭等。 应用实例：应用实例： 直线电机驱动的直线电机驱动的X-Y工作台工作台 图1 使用直线直流电动机的X-Y工作台 二、基本结构与工作原理 1.基本结构基本结构 （1）扁平型结构）扁平型结构 图2 旋转电动机和扁平型直线电动机

4、示意图 扁平型直线电机可以认为是旋转电机在结构方面扁平型直线电机可以认为是旋转电机在结构方面 的一种演变，它可看作是将一台旋转电机沿径向的一种演变，它可看作是将一台旋转电机沿径向 剖开，然后将电机的周围展成直线。剖开，然后将电机的周围展成直线。 图3 由感应式旋转电机演变为扁平型直线电机的过程 a)沿径向剖开 b)把圆周展成直线 定子演变来的一侧称为初级，转子演变来的一侧定子演变来的一侧称为初级，转子演变来的一侧 称为次级。称为次级。 由旋转电机演变而来的最原始的直线电机初级和由旋转电机演变而来的最原始的直线电机初级和 次级长度相等，运行中初级与次级的耦合不定，次级长度相等，运行中初级与次级的

5、耦合不定， 不能正常工作。为了保证在所需行程范围内初级不能正常工作。为了保证在所需行程范围内初级 与次级之间的耦合保持不变，实际应用时，将初与次级之间的耦合保持不变，实际应用时，将初 级与次级制造成不同的长度。级与次级制造成不同的长度。 既可做成短初级长次级型，也可做成长初级短次既可做成短初级长次级型，也可做成长初级短次 级型。但短初级在制造成本上、运行费用上均比级型。但短初级在制造成本上、运行费用上均比 短次级低得多，因此目前除特殊场合外，一般采短次级低得多，因此目前除特殊场合外，一般采 用短初级。用短初级。 演变而来的原始直线电机仅一边安放初级，称为演变而来的原始直线电机仅一边安放初级，称

6、为 单边型直线电机。单边型电机的初级与次级之间单边型直线电机。单边型电机的初级与次级之间 存在着很大的法向吸力，在钢次级时约为推力的存在着很大的法向吸力，在钢次级时约为推力的 10倍左右，大多数场合下，这个力是不希望存在倍左右，大多数场合下，这个力是不希望存在 的。因此在次级两边都装上初级，做成双边型结的。因此在次级两边都装上初级，做成双边型结 构，以抵消法向吸力。构，以抵消法向吸力。 图4 单边型直线电机 a)短初级 b)短次级 图5 双边型直线电机 a)短初级 b)短次级 1.基本结构基本结构 一台典型的单边扁平型短初级直线感应电动机的结构如一台典型的单边扁平型短初级直线感应电动机的结构如

7、 图所示。图所示。 图图6 单边扁平型短初级直线感应电动机单边扁平型短初级直线感应电动机 1次级铁心次级铁心 2次级导电板次级导电板 3三相绕组三相绕组 4初初 级铁心级铁心 5支架支架 6固定用角铁固定用角铁 7绕组端部绕组端部 8环氧树脂环氧树脂 可以认为是可以认为是 将扁平型直将扁平型直 线电机沿着线电机沿着 和直线运动和直线运动 相垂直的方相垂直的方 向卷接成筒向卷接成筒 形而来的。形而来的。 如图如图6所示。所示。 （2）圆筒型（管型）结构）圆筒型（管型）结构 图7 圆筒型直线电机的演变过程 （3）弧型和盘型结构）弧型和盘型结构 弧型是将扁平型直线电机的初级沿运动方向改成弧型，弧型是

8、将扁平型直线电机的初级沿运动方向改成弧型， 并安放于圆柱形次级的柱面外侧。如图并安放于圆柱形次级的柱面外侧。如图7所示。所示。 图7 弧型直线电动机 盘型结构是把次级做成一片圆盘，将初级放在次级圆盘型结构是把次级做成一片圆盘，将初级放在次级圆 盘靠近外缘的平面上，次级可以是双面的也可以是单盘靠近外缘的平面上，次级可以是双面的也可以是单 面的。如图面的。如图8所示。所示。 图8 盘型直线电机 弧型和盘型直线电机的运动实际上是一个圆周运弧型和盘型直线电机的运动实际上是一个圆周运 动，然而由于它们的运行原理和设计方法与扁平动，然而由于它们的运行原理和设计方法与扁平 型直线电机相似，所以也归入直线电机

9、范畴。型直线电机相似，所以也归入直线电机范畴。 2.工作原理工作原理 与旋转电机相似。与旋转电机相似。 在直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流在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后，也会产生气隙磁场。当不考虑由于铁心两端 开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场的开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场的 分布情况与旋转电机相似，即可看成沿展开的直分布情况与旋转电机相似，即可看成沿展开的直 线方向呈正弦形分布。如图线方向呈正弦形分布。如图9所示。所示。 三相电流随时间变化时，气隙磁场将按三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A、B、C相相 序沿

10、直线移动。这个原理与旋转电机的相似。差异是：序沿直线移动。这个原理与旋转电机的相似。差异是： 这个磁场平移，而不是旋转，因此称为行波磁场。这个磁场平移，而不是旋转，因此称为行波磁场。 行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的 线速度一样。称为同步速度线速度一样。称为同步速度 (m/s)，且，且 ， 为极距为极距(m)， 为电流的频率为电流的频率(Hz)。 图10直线电机基本工作原理 svfsv2 f 行波磁场 次级 初级 N S F力 磁 场 电 流 B I 运 动 力 磁 场 电 动 势 右手定则右手定则 反电动势反电动势 E=vBL v

11、S S N 假定次级为栅形次级，次级导条在行波磁场切割假定次级为栅形次级，次级导条在行波磁场切割 下，将产生感应电动势并产生电流。所有导条的下，将产生感应电动势并产生电流。所有导条的 电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力。电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力。 直线电机的次级大多采用整块金属板或复合金属直线电机的次级大多采用整块金属板或复合金属 板，并不存在明显导条。可看成无限多导条并列板，并不存在明显导条。可看成无限多导条并列 安置进行分析。图安置进行分析。图10为假想导条中的感应电流及为假想导条中的感应电流及 金属板内电流的分布情况。金属板内电流的分布情况。 图10 次级导体板中的电流 假

12、想导条中的感应电流 金属板内电流分布金属板内电流分布 SS F Fv 次级的两种结构类型：栅型结构和实心结构。次级的两种结构类型：栅型结构和实心结构。 栅型结构（图栅型结构（图4），相当于旋转电动机的笼型结构。次级铁心上开槽，），相当于旋转电动机的笼型结构。次级铁心上开槽， 槽中放置导条，并在两端用端部导条连接所有槽中导条。槽中放置导条，并在两端用端部导条连接所有槽中导条。 实心结构，采用整块均匀的金属材料。又可分为非磁性次级和钢次实心结构，采用整块均匀的金属材料。又可分为非磁性次级和钢次 级。级。 从电动机的性能来说，采用栅型结构时，效率和功率因数最高，非从电动机的性能来说，采用栅型结构时，

13、效率和功率因数最高，非 磁性次级次之，钢次级最差。磁性次级次之，钢次级最差。 从成本来说，相反。从成本来说，相反。 端部导条端部导条槽内导条槽内导条 图4 栅型结构次级 旋转电机通过对换任意两相的电源线，可以实现旋转电机通过对换任意两相的电源线，可以实现 反向旋转。直线电机也可以通过同样的方法实现反向旋转。直线电机也可以通过同样的方法实现 反向运动。根据这一原理，可使直线电机做往复反向运动。根据这一原理，可使直线电机做往复 直线运动。直线运动。 三、分类 1.分类分类 按结构型式分按结构型式分 圆筒型直线电机圆筒型直线电机外形如旋转电机的圆柱形直线电机，需要外形如旋转电机的圆柱形直线电机，需要

14、 时可做成既有旋转运动又有直线运动的旋转直线电机。时可做成既有旋转运动又有直线运动的旋转直线电机。 圆盘型直线电机虽也做旋转运动，但与普通旋转电机相比有圆盘型直线电机虽也做旋转运动，但与普通旋转电机相比有 两个突出优点：力矩与旋转速度可以通过多台初级组合的方两个突出优点：力矩与旋转速度可以通过多台初级组合的方 法或通过初级在圆盘上的径向位置来调节；无需通过齿轮减法或通过初级在圆盘上的径向位置来调节；无需通过齿轮减 速箱就能得到较低的转速，电机噪声和振动很小。速箱就能得到较低的转速，电机噪声和振动很小。 圆弧型直线电机也具有圆盘型的特点，两者的主要区别在于圆弧型直线电机也具有圆盘型的特点，两者的

15、主要区别在于 次级的形式和初级对次级的驱动点有所不同。次级的形式和初级对次级的驱动点有所不同。 长初级长初级 短初级短初级 短初级短初级 单边型单边型 双边型双边型 扁平型扁平型 圆盘型圆盘型 圆弧型圆弧型 圆筒型圆筒型 按功能用途分按功能用途分 按工作原理分按工作原理分 每种旋转电机都有与之相对应的直线电机。按工作原每种旋转电机都有与之相对应的直线电机。按工作原 理可以分两大方面：直线电动机和直线驱动器。具体理可以分两大方面：直线电动机和直线驱动器。具体 分类见图分类见图11。 种类种类衡量指标衡量指标应用应用 力电机力电机推力推力/功率比功率比 阀门开闭，门窗移动，机械手操作，推车阀门开闭，门窗移动，机械手操作，推车 等等 功电机功电机效率、功率因数效率、功率因数高速磁悬浮列车，高速运行的输送线高速磁悬浮列车，高速运行的输送线 能电机能电机 能效率（输出动能能效率（输出动能/电源电源 提供的电能）提供的电能） 导弹、鱼雷的发射，飞机的起飞，冲击、导弹、鱼雷的发射，飞机的起飞，冲击、 碰撞等试验机的驱动碰撞等试验机的驱动 直线电动机直线电动机 直线驱动器直线驱动器 交流直线感应电动机（交流直线感应电动机（LIM） 交流直线同步电动机（交流直线同步电动机（LSM） 电磁式（电磁式（EM）LSM 永磁式（永磁式（PM）LSM 可变阻抗（可变阻抗（VR）LSM 混合式（混合式（