淺談直線電動機

漆曉軍

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司哈爾濱150040)

0 引言

1845年，發明雙臂電橋的C.Wheatstone制造出首臺直線電機并獲得專利。1895年，美國生產了驅動織布梭的直線電機。上世紀50年代，德國Zehden將直線感應電機應用于鐵路運輸。1914年，法國Emile Bachlet提出，單邊的扁平型直線電機結構，除副邊能產生作直線運動的推力外，原邊與副邊之間還同時有一種相吸或相斥之力。現在美、英、法、德、日等多個國家，將直線電機應用于高速鐵路上。美國西屋公司1946年研制了一種飛機加速用直線電機，最高速度達360 km/h，起動推力近5 000 kgf，可使飛機在4.2秒內由靜止加速達到飛行速度之半。改革開放以來，我國直線電機也發展迅速，如窗簾啟閉，拉門操作，機場行李運送，材料運輸，油田立式柱塞抽油泵驅動及加速器驅動等。上海浦東機場至上海市內建成磁懸浮高速鐵路以后，兼有懸浮功能的直線電機也正在引進或研制之中。

1 直線異步電機工作原理

要說清這個道理，需要從旋轉電機談起［1］。圖1是一臺普通的4極異步電機，定子繞組接通三相交流電源后，產生一個旋轉磁場，其轉速為：

式中，ns為磁場同步轉速，rpm;f為電源頻率，Hz;p為極數。

圖1示出了旋轉磁場主磁通路徑，在N極中心位置的轉子導條內，按右手定則感生電流方向是向里的，再按左手定則，載流導體在磁場里受力的方向與ns相同，于是轉子跟隨主磁場以轉速n旋轉。這里n＜ns是旋轉的必要條件。

或：n=ns(1-s)rpm，

磁場在氣隙里旋轉線速度

轉子表面的線速度

(2)～(5)式中：s為轉差;n為轉子轉速，rpm;D為定子鐵心內徑，m;τ為極距m;us為旋轉磁場在氣隙中的線速度，m/s;u為轉子表面線速度，m/s。

上述旋轉電機的工作原理，可以全部用于直線電機。現在假定把圖1這臺繞組定子沿著最高點的鐵心槽鋸開，然后拉直如圖2，那么定子繞組接電源后產生的磁場將以Us直線運動。如果氣隙中有一導電帶，導電帶將感生電流，磁場推力推著導電帶(相當于旋轉電機的轉子導條)跟著磁場以(1-s)us的速度作直線運動。這就是直線異步電機工作的原理。

2 扁平型直線異步電機

直線電機按其結構主要分為扁平型與圓筒型兩類，按其性能又可分為異步直線電機和同步直線電機。

這里，把嵌有三相交流繞組產生主磁場部分稱為原邊，它必須與電源相接。而把另一邊稱為副邊。圖2所示即為扁平型異步電動機。意指原邊鐵心是扁平型的。用矩型沖片疊成，槽內嵌三相分布繞組，像普通異步旋轉電機一樣，可以是單層的，也可以是雙層的，端接部分伸在鐵心兩端，鐵心的總長度為4～5τ。副邊為鋁金屬帶，圖2示出主磁場路徑，由于空氣中路徑長，磁密低，為了改善磁導，副邊也可采用低炭鋼帶背復一層鋁薄板，鋁板作導電體，鋼帶作磁軛，使磁密增加。原邊是固定的，主磁場以us同步速運動，副邊則以(1-s)us即u的速度運動。

圖3的原邊有兩個，完全對稱地置于副邊的上下方。叫做雙邊扁平型異步電動機。與圖2單邊的比較，磁阻小，磁密增加，直線運動的推力也增加。受磁場力的影響，圖2的原邊與副邊之間有吸力。圖3是雙邊布置的，因副邊在磁場的中心位置，上下方氣隙長度相同，磁場力相互抵消。雙邊扁平型直線電機應用于原料運輸見圖4。

3 扁平型直線同步電機

圖4

直線同步電機與直線異步電機的原邊是一樣的，都是從電源吸取能量產生以同步線速度運動的主磁場。副邊則與異步電動機不同，圖5示出同步直線電動機的原理，原邊是運動的，裝在車上。副邊是非導磁體懸掛式軌道，軌道體內嵌有鐵磁體極心，極距與原邊相同，在主磁場作用下，副邊因為磁阻不同，產生與原邊相同極距的磁場，推著原邊以同步速us運動。

同步直線電機的副邊，有的采用直流激磁線圈，有的卻又把這個激磁線圈放在原邊上，其結構見圖6。由直流線圈激磁產生的磁通路徑，示于圖上。副邊鐵心極頂有渦流，可采用迭片鐵心。

鐵路運輸中，超過250 km/h的超高速動車，采用單邊直線同步電機驅動。除直線推力外，還有一個磁懸浮系統，利用原副邊之間的磁場力，使動車與導軌之間保持15 mm的間隙，每噸重的浮力，消耗功率2 kW。

4 磁場力的計算

扁平型直線電機的原邊與副邊之間，除直線推力外，還有一種磁場力。其方向是使氣隙中貯存的磁能減至最小。按照磁場理論［2］。均勻磁場能量體積密度為：

式中：wm—均勻磁場能量的體密度(J/m3);H—磁場強度(A/m);B—磁通密度(Tesla)(Wb/m2)，μ—材料的導磁系數(H/m)，空氣和非導磁體的導磁系數相似，μo=4π×10-7H/m。

如圖7所示的電磁鐵磁路中［3］，設鐵心導磁系數μ=∞，激磁電流產生的磁能全部貯存在氣隙里，電磁鐵固定，其截面都是A/2，產生的磁通密度為B，試求鐵板所受上舉力。

由式(8)知氣隙貯存的總磁能

令鐵板向上移Δx，所受之力為Fe，則Fe·Δx=-ΔWm，所以，Fe=-ΔWm/(ΔX)=B2A/(2μ0)N，電磁力的密度fe=Fe/A=B2/(2μ0)N/m2。當磁密為1Tesla時，每m2能產生浮力4×105N即4×104kgf，可以舉起40 t重的物體，這個上浮力是很大的。利用此力，可以起吊重物，或上浮動車。

5 圓筒型直線電機

將圖2所示的扁平型直線電機的原邊繞組鐵心以圖8方式卷成筒，同一槽的兩端接在一起，槽內的線圈有效部分，組成一個餅式線圈，端部的連接線就可以去掉，三相分布繞組變成了三相分布餅式繞組，它們產生的磁場和圖2一樣，也是沿著中心線作直線運動的。這就是筒式直線電機的原理。

它的副邊作成如圖9所示的鐵圓外包有鋁皮或銅皮時，就是筒式異步電機。如果副邊作成如圖10所示帶有永磁鋼的磁極，便是筒式同步直線電機。

筒式直線電機由于氣隙是對稱的，不存在垂直于軸心線的磁場力。為保證氣隙均勻，副邊最外層可包0.1～0.2 mm抗磨塑料，在原邊內孔裝設的導向軸套里滑動。

與扁平型直線電機比較，圓筒式直線電機節省材料，體積小，重量輕，氣隙小。效率指標高。適于驅動行程較小的往復運動機械，副邊伸出原邊的長度一般小于1.5 m。

6 采用直線電機的優點

(1)要求作直線運動的機械，采用直線電機驅動，可以省卻機械傳動裝置如：齒輪箱、偏心拐軸、拉桿等。自然也就避免了由它們產生的噪音和運行故障，例如：轉運金屬帶，可以把金屬帶當作圖4所示的副邊，特別簡單。

(2)具有高加速和快減速，從而減小了對車輪、剎車片的磨損。

(3)機械和電氣都可以屏蔽起來，可以在惡劣的環境中使用。

(4)采用變頻控制系統時，利用低頻起動，可減少起動電流對電網的沖擊，可解決變頻調速、快速制動、反向運動全過程的自動控制。

(5)便于維護、修理和更換。

(6)單邊扁平型直線電機，存在單向磁拉力。此力有利于裝卸機械上舉荷重、或上浮動車。

［1］ 章名濤.電機學，1977，科學出版社.

［2］ 鄒繼斌，等.磁路與磁場，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.