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直線電機分為哪幾個類型(含組成結構圖及參數特點)

更新時間:2022-04-01    瀏覽次數:7135

直線電機的分類及結構

直線感應電機主要有扁平型、圓筒型和圈盤型3種類型,其中扁平型應用最為廣泛。

1.扁平型

扁平型電機可以看作是由普通的旋轉異步電動機直接演變而來的。圖1左圖表示一臺旋轉的感應電動機,設想將它沿徑向剖開,并將定、轉子圓周展成直線,如圖1右圖,這就得到了最簡單的平板型直線感應電機。 在旋轉電機中轉子是繞軸做旋轉運動的,見綠色箭頭線;在直線電機中動子是做直線移動的,見綠色箭頭線。 

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圖1—旋轉電動機與直線電動機

對應于旋轉電動機定子的一邊嵌有三相繞組,稱為初級(定子);對應于旋轉電動機轉子的一邊稱為次級(動子或滑子)。直線電機的運動方式可以是固定初級,讓次級運動,此稱為動次級;相反,也可以固定次級而讓初級運動,則稱為動初級。

顯然初級與次級長度相同是不能正常運行的,實際扁平型直線感應電動機初級長度和滑子長度并不相等,在圖2上圖是短初級長次級結構;圖2下圖是長初級短次級結構。

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圖2—扁平型直線電動機

為了抵消定子磁場對動子的單邊磁吸力,平板型直線感應電動機通常采用雙邊結構,即用兩個定子將動子夾在中間的結構型式。 

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圖3--雙邊扁平型直線電動機

扁平型直線感應電機的—次側鐵芯由硅鋼片疊成,與二次側相對的一面開有槽,槽中放置繞組。繞組可以是單相、兩相、三相或多相的。二次側有兩種結構類型:一種是柵型結構,鐵芯上開槽,槽中放置導條;并用端部導條連接所有槽中導條;另一種是實心結構,采用整塊均勻的金屬材料,可分為非磁性二次側和鋼二次側。非磁性二次側的導電性能好,一般為銅或鋁。

2.圓筒型

圓筒型直線電機也稱為管型直線電機,把平板型直線電動機沿著直線運動相垂直的的方向卷成筒形,就形成了圓筒型直線電動機,見下圖。

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圓筒式直線電機

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將上圖中a所示的扁平型直線感應電動機沿著和直線運動相垂直的的方向卷成筒形,就形成了圓筒型直線感應電動機(如圖4所示圓筒型直線感應電機的演變)。在特殊場合,這種電動機還可以制成既有旋轉運動又有直線運動的旋轉直線電動機。旋轉直線的運動體可以是一次側,也可以是二次側。

直線感應電動機的動子一般是低碳鋼板敷銅板或鑲銅條,也可以用導電良好的金屬板(銅板或鋁板);圓筒型直線電機動子多采用厚壁鋼管,在管外壁覆蓋1至mm厚的銅管或鋁管。
如果動子由永磁材料制作就組成直線同步電動機。

3.圓盤型

圓盤型直線電機的次級(轉子)做成扁平的圓盤形狀,能繞通過圓心的軸自由轉動:將兩個初級放在圓盤靠外邊緣的平面上,使圓盤受切向力作旋轉運動。由于其運行原理和設計方法與平板型直線感應電動機相同,故仍屬直線電動機。 

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圓盤型直線電機

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圓盤型直線感應電機如上圖所示,它的二次側做成扁平的圓盤形狀,能繞通過圓心的軸自由轉動:將一次側放在二次側圓盤靠外邊緣的平面上,使圓盤受切向力作旋轉運動。但其運行原理和設計方法與扁平型直線感應電機相同,故仍屬直線電機范疇。與普通旋轉電機相比,它具有以下優點:

a) 轉矩與旋轉速度可以通過多臺一次側組合或者通過一次側在圓盤上的徑向位置來調節。

b) 無需經過齒輪減速箱就能得到較低的轉速,因而電動機的振動和噪聲很小。

    

直線電機的發展

1840年Wheatsone開始提出和制作了略具雛形的直線電機。

1905年曾有兩人分別建議將直線電動機作為火車的推進機構,一種建議是將初級放在軌道上,另一種建議是將初級放在車輛底部。這些建議無疑是給當時直線電機研究領域的科研人員的一劑興奮劑,以致許多國家的科研人員都投入了這些研究工作。1917年出現了第一臺圓筒形直線電動機,事實上那是一種具有換接初級線圈的直流磁阻電動機,人們試圖把它作為導彈發射裝置,但其發展并沒有超出模型階段。

1940年-1955年世界一些發達國家科研人員,在實驗的基礎上,又進行了一些實驗應用工作。1945年,美國西屋電氣公司首先研制成功的電力牽引飛機彈射器,它以7400kW的直線電動機為動力,成功地用4.1s的時間將一架重4535kg,的噴氣式飛機在165m的行程內由靜止加速的188km/h的速度,它的試驗成功,使直線電動機可靠性好等優點受到了應有的重視,隨后,美國利用直線電機制成的、用作抽汲鉀、鈉等液態金屬的電磁泵,為的是核動力中的需要。1954年,英國皇家飛機制造公司利用雙邊扁平型直流直線電機制成了發射導彈的裝置,其速度可達1600km/h。在這個階段中,尤需值得一提的是,直線電機作為高速列車的驅動裝置得到了各國的高度重視并計劃予以實施。

1965年隨著控制技術和材料性能的顯著提高,應用直線電機的實用設備被逐步開發出來,例如采用直線電機的MHD泵、自動繪圖儀、磁頭定位驅動裝置、電唱機、縫紉機、空氣壓縮機、輸送裝置等。

從1971年開始到目前的這個階段,直線電機終于進入了獨立的應用時代,在這個時代,各類直線電機的應用得到了迅速的推廣,制成了許多具有實用價值的裝置和產品,例如直線電機驅動的鋼管輸送機、運煤機、起重機、空壓機、沖壓機、拉伸機、各種電動門、電動窗、電動紡織機等等。特別可喜的是利用直線電機驅動的磁懸浮列車,其速度已超500km/h,接近了航空的飛行速度,且試驗行程累計已達數十萬千米。

直線電機的主要參數及特點

直線電機參數:

1.最大電壓( max. voltage ) ———最大供電電壓或持續供電峰值電壓,主要與電機漆包線、電機絕緣材料選型及工藝有關;

2.峰值推力(Peak Force) ———電機的最大推力,在短時間內(幾秒),取決于電機電磁結構的安全極限能力(與電機的漆包線材料息息相關);單位:N

3.峰值電流(Peak Current) ———最大工作電流,與最大推力想對應,低于電機的退磁電流(長時間工作在電機的峰值理論電流下會導致電機發熱,對電機壽命有很大的損傷,更嚴重將導致電機內部磁鋼退磁。);

4.連續功率(Peak power) — — —在持續溫升條件和散熱條件下,電機連續運行的發熱損耗,反映電機的熱設計水準;

5.最大連續消耗功率(Max. Continuous Power Loss) ———確定溫升條件和散熱條件下,電機可連續運行的上限發熱損耗,反映電機的熱設計水準;

7.最大速度(Maximum speed) ———在確定供電電壓下的最高運行速度,取決于電機的反電勢線數,反映電機電磁設計的結果;

6.馬達力常數(Motor Force Constant) ———電機的推力電流比,單位N/A或KN/A, 反映電機電磁設計的結果,在某種意義上也可以反映電磁設計水平;

7.反向電動勢(Back EMF) ———電機反電勢(系數),單位Vs/m, 反映電機電磁設計的結果,影響電機在確定供電電壓下的最高運行速度;(反映電機的設計參數)

8.馬達常數(Motor Constant) ———電機推力與功耗的平方根的比值,單位N/√W,是電機電磁設計和熱設計水平的綜合體現;

9.磁極 節距NN(Magnet Pitch) ————電機次級永磁體的磁極間隔距離,基本不反映電機設計水平,驅動器需據此由反饋系統分辨率解算矢量控制所需的電機電角度;

10.繞組電阻/每相(Resistance per phase)———電機的相電阻,下給出的往往是線電阻,即Ph-Ph,與電機發熱關系較大,在意義下可以反映電磁設計水平;

11.繞組電感/每相(Induction per phase) ———電機的相電感,下給出的往往是線電感,即Ph-Ph,與電機反電勢有關系,在意義下可以反映電磁設計水平;

12.電氣時間常數(Electrical time constant) ———電機電感與電阻的比值,L/R;

13.熱阻抗(Thermal Resistance) ———與電機的散熱能力有關,反映電機的散熱設計水平;

14.馬達引力(Motor Attraction Force) ———平板式有鐵心結構直線電機,尤其是永磁式電機,次極永磁體對初級鐵心的法向吸引力,高于電機額定推力一個數量級,直接決定采用直線電機的直線運動軸的支撐導軌的承載能力和選型。

直線電機的特點

在實用的和買得起的直線電機出現以前,所有直線運動不得不從旋轉機械通過使用滾珠或滾柱絲杠或帶或滑輪轉換而來。對許多應用,如遇到大負載而且驅動軸是豎直面的。這些方法仍然是最好的。然而,直線電機比機械系統比有很多獨特的優勢,如非常高速和非常低速,高加速度,幾乎零維護(無接觸零件),高精度,無空回。完成直線運動只需電機無需齒輪,聯軸器或滑輪,對很多應用來說很有意義的,把那些不必要的,減低性能和縮短機械壽命的零件去掉了。

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1)結構簡單。管型直線電機不需要經過中間轉換機構而直接產生直線運動,使結構大大簡化,運動慣量減少,動態響應性能和定位精度大大提高;同時也提高了可靠性,節約了成本,使制造和維護更加簡便。它的初次級可以直接成為機構的一部分,這種獨特的結合使得這種優勢進一步體現出來。

2)適合高速直線運動。因為不存在離心力的約束,普通材料亦可以達到較高的速度。而且如果初、次級間用氣墊或磁墊保存間隙,運動時無機械接觸,因而運動部分也就無摩擦和噪聲。這樣,傳動零部件沒有磨損,可大大減小機械損耗,避免拖纜、鋼索、齒輪與皮帶輪等所造成的噪聲,從而提高整體效率。

3)初級繞組利用率高。在管型直線感應電機中,初級繞組是餅式的,沒有端部繞組,因而繞組利用率高。

4)無橫向邊緣效應。橫向效應是指由于橫向開斷造成的邊界處磁場的削弱,而圓筒型直線電機橫向無開斷,所以磁場沿周向均勻分布。

5)容易克服單邊磁拉力問題。徑向拉力互相抵消,基本不存在單邊磁拉力的問題。

6)易于調節和控制。通過調節電壓或頻率,或更換次級材料,可以得到不同的速度、電磁推力,適用于低速往復運行場合。

高速加工中心替代高速銑床加工

美國CincinnatiMilacron公司為航空工業生產了一臺HyperMach大型高速加工中心,主軸轉速為60000r/min,主電機功率為80kW。直線進給采用了直線電機,其軸行程長達46m,工作臺快速行程為100m/min,加速度達2g。

在這種機床上加工一個大型薄壁飛機零件只需30min;而同樣的零件在一般高速銑床上加工,費時3h;在普通數控銑床上加工,則需8h,優勢相當明顯。

7)適應性強。直線電機的初級鐵芯可以用環氧樹脂封成整體,具有較好的防腐、防潮性能,便于在潮濕、粉塵和有害氣體的環境中使用;而且可以設計成多種結構形式,滿足不同情況的需要。

8)高加速度。這是直線電機驅動,相比其他絲杠、同步帶和齒輪齒條驅動的一個顯著優勢。

9)精度方面:直線電機因傳動機構簡單,定位精度、重復精度,通過位置檢測反饋控制都會較“旋轉伺服電機滾珠絲杠”高,且容易實現。直線電機定位精度可達±2μm,甚至更高。而“旋轉伺服電機滾珠絲杠”最高只能達到10μm。

10)速度方面:直線電機具有相當大的優勢,直線電機速度達到5m/s時,加速度達到10g;而滾珠絲杠速度為2m/s時,加速度為僅為1.5g。從速度上和加速度的對比上,直線電機具有相當大的優勢,而且直線電機在成功解決發熱問題后速度還會進一步提高,而“旋轉伺服電機滾珠絲杠”在速度上卻受到限制很難再提高較多。

11)壽命方面:直線電機因運動部件和固定部件間有安裝間隙,無接觸,不會因動子的高速往復運動而磨損,長時間使用對運動定位精度無變化,適合高精度的場合。滾珠絲杠則無法在高速往復運動中保證精度,因高速摩擦,會造成絲杠螺母的磨損,影響運動的精度要求。對高精度的需求場合無法滿足。

結語:

直線電機是一種新型電機,近年來應用日益廣泛。其主要應用于三個方面:一是應用于自動控制系統,這類應用場合比較多;其次是作為長期連續運行的驅動電機;三是應用在需要短時間、短距離內提供巨大的直線運動能的裝置中。

高速磁懸浮列車磁懸浮列車是直線電機實際應用的最典型的例子,目前,美、英、日、法、德、加拿大等國都在研制直線懸浮列車,其中日本進展最快。
直線電機驅動的電梯世界上第一臺使用直線電機驅動的電梯是1990年4月安裝于日本東京都關島區萬世大樓,該電梯載重600kg,速度為105m/min,提升高度為22.9m。由于直線電機驅動的電梯沒有曳引機組,因而建筑物頂的機房可省略。

如果建筑物的高度增至1000米左右,就必須使用無鋼絲繩電梯,這種電梯采用高溫超導技術的直線電機驅動,線圈裝在井道中,轎廂外裝有高性能永磁材料,就如磁懸浮列車一樣,采用無線電波或光控技術控制。
超高速電動機在旋轉超過某一極限時,采用滾動軸承的電動機就會產生燒結、損壞現象。為此近年來,國外研制了一種直線懸浮電動機(電磁軸承),采用懸浮技術使電機的動子懸浮在空中,消除了動子和定子之間的機械接觸和摩擦阻力,其轉速可達25000~100000r/min以上,因而在高速電動機和高速主軸部件上得到廣泛的應用。

在我國,直線電機也逐步得到推廣和應用。直線電機的原理雖不復雜,但在設計、制造方面有它自己的特點,產品尚不如旋轉電機那樣成熟,有待進一步研究和改進。

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