浅谈直线电动机

漆晓军

(哈尔滨电气动力装备有限公司哈尔滨150040)

0 引言

1845年，发明双臂电桥的C.Wheatstone制造出首台直线电机并获得专利。1895年，美国生产了驱动织布梭的直线电机。上世纪50年代，德国Zehden将直线感应电机应用于铁路运输。1914年，法国Emile Bachlet提出，单边的扁平型直线电机结构，除副边能产生作直线运动的推力外，原边与副边之间还同时有一种相吸或相斥之力。现在美、英、法、德、日等多个国家，将直线电机应用于高速铁路上。美国西屋公司1946年研制了一种飞机加速用直线电机，最高速度达360 km/h，起动推力近5 000 kgf，可使飞机在4.2秒内由静止加速达到飞行速度之半。改革开放以来，我国直线电机也发展迅速，如窗帘启闭，拉门操作，机场行李运送，材料运输，油田立式柱塞抽油泵驱动及加速器驱动等。上海浦东机场至上海市内建成磁悬浮高速铁路以后，兼有悬浮功能的直线电机也正在引进或研制之中。

1 直线异步电机工作原理

要说清这个道理，需要从旋转电机谈起［1］。图1是一台普通的4极异步电机，定子绕组接通三相交流电源后，产生一个旋转磁场，其转速为：

式中，ns为磁场同步转速，rpm;f为电源频率，Hz;p为极数。

图1示出了旋转磁场主磁通路径，在N极中心位置的转子导条内，按右手定则感生电流方向是向里的，再按左手定则，载流导体在磁场里受力的方向与ns相同，于是转子跟随主磁场以转速n旋转。这里n＜ns是旋转的必要条件。

或：n=ns(1-s)rpm，

磁场在气隙里旋转线速度

转子表面的线速度

(2)～(5)式中：s为转差;n为转子转速，rpm;D为定子铁心内径，m;τ为极距m;us为旋转磁场在气隙中的线速度，m/s;u为转子表面线速度，m/s。

上述旋转电机的工作原理，可以全部用于直线电机。现在假定把图1这台绕组定子沿着最高点的铁心槽锯开，然后拉直如图2，那么定子绕组接电源后产生的磁场将以Us直线运动。如果气隙中有一导电带，导电带将感生电流，磁场推力推着导电带(相当于旋转电机的转子导条)跟着磁场以(1-s)us的速度作直线运动。这就是直线异步电机工作的原理。

2 扁平型直线异步电机

直线电机按其结构主要分为扁平型与圆筒型两类，按其性能又可分为异步直线电机和同步直线电机。

这里，把嵌有三相交流绕组产生主磁场部分称为原边，它必须与电源相接。而把另一边称为副边。图2所示即为扁平型异步电动机。意指原边铁心是扁平型的。用矩型冲片叠成，槽内嵌三相分布绕组，像普通异步旋转电机一样，可以是单层的，也可以是双层的，端接部分伸在铁心两端，铁心的总长度为4～5τ。副边为铝金属带，图2示出主磁场路径，由于空气中路径长，磁密低，为了改善磁导，副边也可采用低炭钢带背复一层铝薄板，铝板作导电体，钢带作磁轭，使磁密增加。原边是固定的，主磁场以us同步速运动，副边则以(1-s)us即u的速度运动。

图3的原边有两个，完全对称地置于副边的上下方。叫做双边扁平型异步电动机。与图2单边的比较，磁阻小，磁密增加，直线运动的推力也增加。受磁场力的影响，图2的原边与副边之间有吸力。图3是双边布置的，因副边在磁场的中心位置，上下方气隙长度相同，磁场力相互抵消。双边扁平型直线电机应用于原料运输见图4。

3 扁平型直线同步电机

图4

直线同步电机与直线异步电机的原边是一样的，都是从电源吸取能量产生以同步线速度运动的主磁场。副边则与异步电动机不同，图5示出同步直线电动机的原理，原边是运动的，装在车上。副边是非导磁体悬挂式轨道，轨道体内嵌有铁磁体极心，极距与原边相同，在主磁场作用下，副边因为磁阻不同，产生与原边相同极距的磁场，推着原边以同步速us运动。

同步直线电机的副边，有的采用直流激磁线圈，有的却又把这个激磁线圈放在原边上，其结构见图6。由直流线圈激磁产生的磁通路径，示于图上。副边铁心极顶有涡流，可采用迭片铁心。

铁路运输中，超过250 km/h的超高速动车，采用单边直线同步电机驱动。除直线推力外，还有一个磁悬浮系统，利用原副边之间的磁场力，使动车与导轨之间保持15 mm的间隙，每吨重的浮力，消耗功率2 kW。

4 磁场力的计算

扁平型直线电机的原边与副边之间，除直线推力外，还有一种磁场力。其方向是使气隙中贮存的磁能减至最小。按照磁场理论［2］。均匀磁场能量体积密度为：

式中：wm—均匀磁场能量的体密度(J/m3);H—磁场强度(A/m);B—磁通密度(Tesla)(Wb/m2)，μ—材料的导磁系数(H/m)，空气和非导磁体的导磁系数相似，μo=4π×10-7H/m。

如图7所示的电磁铁磁路中［3］，设铁心导磁系数μ=∞，激磁电流产生的磁能全部贮存在气隙里，电磁铁固定，其截面都是A/2，产生的磁通密度为B，试求铁板所受上举力。

由式(8)知气隙贮存的总磁能

令铁板向上移Δx，所受之力为Fe，则Fe·Δx=-ΔWm，所以，Fe=-ΔWm/(ΔX)=B2A/(2μ0)N，电磁力的密度fe=Fe/A=B2/(2μ0)N/m2。当磁密为1Tesla时，每m2能产生浮力4×105N即4×104kgf，可以举起40 t重的物体，这个上浮力是很大的。利用此力，可以起吊重物，或上浮动车。

5 圆筒型直线电机

将图2所示的扁平型直线电机的原边绕组铁心以图8方式卷成筒，同一槽的两端接在一起，槽内的线圈有效部分，组成一个饼式线圈，端部的连接线就可以去掉，三相分布绕组变成了三相分布饼式绕组，它们产生的磁场和图2一样，也是沿着中心线作直线运动的。这就是筒式直线电机的原理。

它的副边作成如图9所示的铁圆外包有铝皮或铜皮时，就是筒式异步电机。如果副边作成如图10所示带有永磁钢的磁极，便是筒式同步直线电机。

筒式直线电机由于气隙是对称的，不存在垂直于轴心线的磁场力。为保证气隙均匀，副边最外层可包0.1～0.2 mm抗磨塑料，在原边内孔装设的导向轴套里滑动。

与扁平型直线电机比较，圆筒式直线电机节省材料，体积小，重量轻，气隙小。效率指标高。适于驱动行程较小的往复运动机械，副边伸出原边的长度一般小于1.5 m。

6 采用直线电机的优点

(1)要求作直线运动的机械，采用直线电机驱动，可以省却机械传动装置如：齿轮箱、偏心拐轴、拉杆等。自然也就避免了由它们产生的噪音和运行故障，例如：转运金属带，可以把金属带当作图4所示的副边，特别简单。

(2)具有高加速和快减速，从而减小了对车轮、刹车片的磨损。

(3)机械和电气都可以屏蔽起来，可以在恶劣的环境中使用。

(4)采用变频控制系统时，利用低频起动，可减少起动电流对电网的冲击，可解决变频调速、快速制动、反向运动全过程的自动控制。

(5)便于维护、修理和更换。

(6)单边扁平型直线电机，存在单向磁拉力。此力有利于装卸机械上举荷重、或上浮动车。

［1］ 章名涛.电机学，1977，科学出版社.

［2］ 邹继斌，等.磁路与磁场，1998，哈工大出版社.

［3］ S.A Narsa and I.Bolder.Linear Electric Motor，1987.

［4］ E.H.Werninck.Electric Motor Handbook，McGraw-Hill Book Com(U.K).1978.