齿条电动机及在弹射器上的应用＊

史 炎

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室 成都 610031）

1 引言

齿条电动机是一项创新设计，借助齿轮齿条机构既能做旋转运动又能做直线运动，能实现旋转运动与直线运动互换。目前同步电机不论是有刷电机还是无刷电机都需要控制器完成电流换向，而齿条电动机的转子和齿轮同轴心安装、固定，转子随齿轮边旋转边平移，转子作直线旋转运动能同时兼顾磁场翻转和电流换向。

2.5.4 术后LUTS/OAB 推荐意见：①对可疑不稳定性膀胱患者术前应行尿动力学检查；②术前服用α受体阻滞剂和抗胆碱药物，减少术后膀胱痉挛和急迫性尿失禁的发生；③拔除导尿管后，如患者仍存在尿频、尿急或者急迫性尿失禁，可服用α受体阻滞剂和抗胆碱药物治疗。

2 齿条电机原理

依电磁感应定律，可推论出电流方向与磁极同步变化，则电磁力矩方向保持不变，以永磁直流齿条电机阐述的原理同样适用于交流齿条电机。用一个实例阐述本电机的工作原理，图1中齿轮齿数为20，转子为永磁体4极，转子每极占5个齿。定子绕组通直流电，分成2极，将定子划分成两个区域A、B。图1中示出转子运行的两个瞬时位置，后续运动方式相同。

在图1（1）初始位置，转子S极对应定子绕组的电流流向纸内，S极对应整个A区，转子受到电磁力矩作用有顺时针转动的趋势，同时在齿轮齿条啮合处受到齿条给齿轮的一个反作用力，于是齿轮与转子在此反作用力的推动下旋转并沿齿条方向移动。磁场随转子旋转而翻转，S极逐渐远离定子绕组，N极逐渐接近定子绕组，转子及齿轮旋转5个齿90°、平移5个齿距后，转子跨过A、B区域分界线进入B区，此时转子N极对应定子绕组的电流流出纸外，电磁力矩方向保持不变，到图1（2）位置，N极中心位置对应B区中心。重复上述过程，转子旋转了一圈，转子及齿轮回到初始位置准备下次循环。

母亲逝世后,父亲已迈入老年(父亲大母亲12岁),养儿防老的道德观念和靠体力生存的农村，再次使二哥挺身而出独撑家业，把走出农村的机会留给妹妹弟弟，并帮助他们成立家庭。同时还当上了村干部，他组织力量发展了村里的林业和水利，赢得民心，自筹资金打深水井，率先解决全村人吃水难的问题，因此受到地级党报的示范宣传，从而也使父亲的晚年生活十分快乐和幸福。

图1 齿条电机原理

由此引入单极齿数的概念，既转子每极对应的齿数。齿条电机的工作特点为：转子及齿轮作直线旋转运动，既一边绕齿轮中心旋转，一边沿齿条长度方向移动，每转过1个单极齿数，转子磁极极性改变一次，每平移1个单极齿数的距离，对应定子绕组电流方向改变一次。转子旋转实现磁场翻转，平移选择电流方向。定子磁极分界点是电机启动死点。

3 多转子永磁直流齿条电机结构

图2是三转子永磁直流齿条电机基本结构示意图，理论上三转子电机输出功率是单转子电机的三倍。

转子是齿轮的轴向延伸部分，其运行规律受控于齿条机构，齿轮齿条机构主要由齿轮、齿条及构架组成。设置上下二个定子及绕组，二个定子绕组采用串联方式连接，视为同一组绕组。单转子齿条电机存在启动死点，而多转子齿条电机在结构设计上能保证任意时刻至少有一个转子不在启动死点上。

阳光从仓库大门的铁锁上反射出一道耀眼的光芒，甲洛洛用背挡住这刺眼的光芒，眯缝起眼，看着昨天丁主任交给他的失物清单：

图2 多转子永磁直流齿条电机

4 直流励磁齿条电机弹射器

图2永磁直流齿条电机可视做弹射器的基础结构，通过增加转子数量增大输出功率，但是靠这种方法增加功率有限，而且永磁体对温度比较敏感，存在退磁临界温度，一般在100～200℃之间，弹射器在工作时会产生高温，因此只适合中、小负荷工况。设计要求弹射器在很短时间内起飞更多架次的飞机，电磁弹射器的电源容量在5～8万KVA左右，这么大的功率对直线感应电机不是问题，但如果是永磁直线电机则必须是无刷直流电机，否则滑环的强大电流会灼伤换向器。直线感应电机因发热量大，功率损失可能会超过永磁直线电机，对电能的利用率不如直流电机高，此外直流电机调速性能好。这是一个两难的选择，而用直流励磁齿条电机则能很好地解决这个难题。电力机车通过受电弓由接触网引入电流，再经钢轨接地，受此启发，引入二根电缆与各转子构成回路，图3所示为多转子直流励磁齿条电机弹射器基本构造，各转子与电网并联连接，串联电路结构要复杂些，本文不作探讨。直流励磁齿条电机主要由构架、齿轮、齿条、转子、上、下定子及绕组、电缆、电刷、车轮等组成，为图示清晰隐藏了上定子及绕组。构架是一个搭载平台，车轮支承整机全部重量，齿轮、齿条之间只传递啮合力不受重力干扰，电网由左右二条电缆组成，转子励磁电流通过电刷上网获取。上述齿条电机弹射器只是一个内核结构，离实用还有一段距离，尚需借鉴现有成熟的技术加以完善。

图3 齿条电机弹射器内核结构

5 结语

齿条电机属于同步电机，无专门的换相控制器，转子依附在齿轮上，利用一套机构同时完成二个毫不相干的任务，齿轮齿条机构既是电磁换向控制者又是目的执行者。齿条电机操控简单，通电即能运行，非常适用于大电流、高电压、强干扰的场合，弹射器只是其一种应用。

[1]张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2004：6－22.

[2]夏长亮.无刷直流电机控制系统[M].北京：科学出版社，2009：1－12.

[3]张磊，瞿文龙，陆海峰，等.非理想反电势无刷直流电机转矩直接控制方法[J].清华大学学报：自然科学版，2007，47（10）：1570－1573.

[4]高瑾，胡育文，黄文新，等.超空间矢量下无刷直流电机的直接转矩控制[J].中国电机工程学报，2007，27（24）：97－101.

[5]夏长亮，张茂华，王迎发，等.永磁无刷直流电机直接转矩控制[J].中国电机工程学报，2008，28（6）：104－109.

[6]Gao Jin，Hu Yuwen.Direct self－control for BLDC motor drives based on three－dimensional coordinate system[J].IEEE Trans.on Industrial Electronics，2010，57（8）：2836－2844.

[7]Kang S J，Sul S K.Direct torque control of brushless DC motor with nonideal trapezoidal back EMF[J].IEEE Trans.on Power Electronics，1995，10（6）：796－802.

[8]Liu Y，Zhu Z Q，Howe D.Direct torque control of brushless DC drives with reduced torque ripple[J].IEEE Trans.on Industry Applications，2005，41（2）：599－608.

[9]徐正.3K 型轮系传动研究[J].机械设计与制造，1994（6）：48－50.

[10]段钦华，杨实如.具有公共行星轮的3K型行星传动的设计方法[J].煤矿机械，2005（5）：19－21.

[11]饶振纲.微型行星齿轮传动的设计研究[J].传动技术，2003，12（2）：18－24.

[12]LIN J，PARKER R G.Analytical characterization of the unique properties of planetary gear free vibration[J].ASME Journal of Vibration and Acoustics，1999，121（7）：316－321.

[13]LIN J，PARKER R G.Planetary gear parametric instability caused by mesh stiffness vibration[J].Journal of Sound and Vibration，2002，249（1）：129－145.