第七章直线电机.doc

第7章 直线电动机 本章主要介绍直线电动机的结构、原理及应用,主要内容为： ?直线感应电动机的结构与原理 ?直线感应电动机的分析 ?其它直线电动机 ?直线电机的应用 本章重点为直线感应电动机结构、原理与应用；纵向和横向边缘效应；还应掌握与普通旋转电机的区别，直线感应电动机的特点及应用场合；了解其它直线电机的原理与应用。 直线电机是近年来国内外积极研究发展的新型电机之一。长期以来，在各种工程技术中需要直线型驱动力时，主要是采用旋转电机并通过曲柄连杆或蜗轮蜗杆等传动机构来获得的。但是，这种传动形式往往会带来结构复杂，重量重，体积大，啮合精度差，且工作不可靠等缺点。而采用直线电机不需要中间转换装置，能够直接产生直线运动。 各种新技术和需求的出现和拓展推动了直线电机的研究和生产，目前在交通运输、机械工业和仪器仪表工业中，直线电机已得到推广和应用。在自动控制系统中，采用直线电机作为驱动、指示和信号元件也更加广泛，例如在快速记录仪中，伺服电动机改用直线电机后，可以提高仪器的精度和频带宽度；在雷达系统中，用直线自整角机代替电位器进行直线测量可提高精度，简化结构；在电磁流速计中，可用直线测速机来量测导电液体在磁场中的流速；在高速加工技术中，采用直线电机可获得比传统驱动方式高几倍的定位精度和快速响应速度。另外，在录音磁头和各种记录装置中，也常用直线电机传动。 与旋转电机传动相比，直线电机传动主要具有下列优点： (1)直线电机由于没有中间转换环节，因而使整个传动机构得到简化，提高了精度，减少了振动和噪音； (2)快速响应：用直线电机驱动时，不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响，因而加速和减速时间短，可实现快速启动和正反向运行； (3)仪表用的直线电机，可以省去电刷和换向器等易损零件，提高可靠性，延长使用寿命； (4)直线电机由于散热面积较大，容易冷却，所以允许较高的电磁负荷，可提高电机的容量定额； (5)装配灵活性大，往往可将电机和其它机件合成一体。 直线电机有多种型式。一般来讲，对每一种旋转电机都有其相应的直线电机型式。如直线感应电机、直线直流电机和直线同步电机(包括直线步进电机。在伺服系统中，和传统元件相应，也可制成直线运动形式的信号和执行元件。 由于直线电机与旋转电机在原理上基本相同，所以本章只介绍其中典型的几种，使读者对这类电机有个基本的了解。 7．1 直线感应电动机的结构与原理 7．1．1 直线电动机的原理 与旋转电动机不同，直线电动机是能够直接产生直线运动的电动机，但它却可以看成是从旋转电动机演化而来，如图7-1所示。设想把旋转电动机沿径向剖开，并将圆周展开成直线，就得到了直线电动机。旋转电动机的径向、周向和轴向，在直线电动机中对应地称为法向、纵向和横向；旋转电机的定子、转子在直线电机中称为初级和次级。 当直线电机初级的多相绕组中通入多相电流后，同旋转电机一样，也会产生一个气隙基波磁场，只不过这个磁场的磁通密度波Bδ是沿直线运动的，故称之为行波磁场，如图7 - 2所示。显然，行波的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，我们用Vs表示，称之为同步速度。 Vs=2fτ cm/s (7- 1) 式中，τ——为极距(cm)； f——为电源频率(Hz)。 在行波磁场切割下，次级导条将产生感应电势和电流，所有导条的电流和气隙磁场相互作用，便产生切向电磁力。如果初级是固定不动的，那么次级就顺着行波磁场运动的方向作直线运动。若次级移动的速度用V表示，则滑差率s为： （7-2） （7-3） 从式(7-3)可以看出，直线感应电动机的速度与电机极距及电源频率成正比，因此改变极距或电源频率都可改变电机的速度。 与旋转电机一样，改变直线电机初级绕组的通电相序，可改变电机运动的方向，因而可使直线电机作往复直线运动。 直线电机的其它特性，如机械特性、调节特性等都与交流伺服电动机相似，通常也是通过改变电源电压或频率来实现对速度的连续调节，这里不再重复。 7．1．2 直线电动机的结构与分类 如前所述，直线电动机由相应旋转电机转化而来，因此与旋转电动机对应，直线电动机可分为直线感应电动机、直线同步电动机、直线直流电动机和其他直线电动机（如直线步进电动机）。旋转电动机的定子和转子，在直线电动机中称为初级和次级。直线电动机初级和次级的长短不同，这是为了保障在运动过程中初级和次级始终处于耦合状态。 在直线电动机中，直线感应电动机应用最广，因为它的次级可以是整块均匀的金属材料