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1、直线感应电机及其应用山东大学电气工程学院李光友,2.直线感应电动机的结构和基本原理,3.直线感应电动机的边端效应,4.直线感应电动机的等效电路和基本特性,5.直线感应电动机的应用及发展趋势,主要内容,6.本人在直线电机方面开展的工作,1.直线电机的发展历史,1.直线电机的发展历史,直线电动机的动子为往复直线运动，它将电能直接转换成直线运动的机械能。,在许多装置中需要直线运动，若采用旋转电动机驱动，需要通过中间转换装置。中间转换传动机构的存在，使整机存在着体积大、效率低、精度差、噪声大等问题。,直线电机的历史，可追溯到1840 年惠斯登（Wheatstone）开始提出和制作了略具雏形但并不成功的
2、直线电机。至今，已有170多年的历史，直线电机经历了探索实验、开发应用和实用商品化三个阶段。探索实验：18401955 开发应用：19561970 实用商品化：1971至今 我国的直线电机，起始于20世纪70年代，目前处于开发应用和实用商品化阶段，但与世界先进水平还有差距。,1.直线电机的发展历史,1.直线电机的发展历史,国内从事直线电机研究的单位：浙江大学；中科院电工所；河南理工大学；东南大学；山东大学；西安交通大学；沈阳工业大学；太原理工大学；上海电机厂；哈尔滨泰富电气有限公司等。国内从事直线电机研究的人员：早期：龙遐令；胡之光；陈世坤；顾积栋；凌金福；蔡廷锡；陈永校；熊光煜；乔忠寿；袁世
3、鹰；程树前等当前：叶云岳；金能强；郭庆鼎；卢琴芬；焦留成；汪旭东；胡敏强等。,电机,旋转电机,直线电机,直线感应电机直线同步电机直线直流电机直线步进电机 直线特种电机,变压器,2.直线感应电动机的结构和基本原理,2.1 直线电机的分类,2.直线感应电动机的结构和基本原理,2.2 直线感应电动机的结构,图1 旋转电机和直线电机示意图a）旋转电机 b)直线电机,馈电的一侧称为初级，无馈电的一侧称为次级。静止的一侧称为定子，运动的一侧称为动子。,1）扁平型直线感应电机,图2 由旋转电机演变为直线电机的过程a）沿径向剖开 b）把圆周展成直线,直线感应电机根据其形状不同可分为扁平型、圆筒型、圆弧型和圆盘
4、型4类。,2.直线感应电机的结构和基本原理,初级和次级长度相等的直线电机不能正常运行，根据其长度的不同，可分为短初级型和短次级型。,图3 单边型直线感应电机a)短初级 b)短次级,2.直线感应电机的结构和基本原理,图4 双边型直线感应电机a)短初级 b）短次级,2.直线感应电机的结构和基本原理,直线感应电机的次级，分为磁性次级、非磁性次级和复合次级三种。磁性次级的材料为低碳钢板，非磁性次级的材料为铜或铝，复合次级是二者的复合，如图5所示。由于低碳钢板的导电性能不好，所以磁性次级的直线感应电动机效率较低。非磁性次级的直线电动机，由于次级材料的导磁性能差，因此功率因数较低。复合次级的直线感应电动机
5、具有较好的性能指标。,2.直线感应电机的结构和基本原理,图5 直线感应电机的次级横截面图,由于直线感应电动机的电磁气隙（210mm）较旋转电机的（0.21mm）大得多，加之边端效应的影响，直线感应电动机的功率因数和效率较同容量旋转电机低。,图6 旋转电机演变为圆筒型直线电机的过程a)旋转电机 b)扁平型单边直线电机 c)圆筒型(管型)直线电机,2）圆筒型直线感应电机,2.直线感应电机的结构和基本原理,3）圆弧型和圆盘形直线感应电机,图7 圆弧型直线电动机 图8 圆盘型直线电机,2.直线感应电机的结构和基本原理,2.3 直线感应电机的工作原理,图9 直线电机的基本工作原理 1初级 2次级 3行波
6、磁场,三相绕组中通入三相对称正弦电流，产生行波气隙磁场。其磁场移动速度用vs（m/s）表示，称为同步速度，且,式中，为极距；f为电源频率。,行波磁场切割次级导体，感应电动势并产生电流。电流与气隙磁场相互作用产生电磁推力。次级在推力作用下顺着行波磁场运动的方向作直线运动，动子移动速度用v表示，转差率用s表示，则有,电动机运行状态下，s在0和1之间。,2.直线感应电机的结构和基本原理,3.直线感应电机的边端效应,3.1 纵向边端效应及其改善,1）三相绕组不对称引起的负序和零序磁场,与旋转电机不同，由于直线电机的铁心两端是开断的，铁心及安置在其槽中的绕组在两端不连续，所以各相之间的互感就不相等，即使
7、在初级绕组加三相对称的电压，各相绕组中的电流也不对称。利用对称分量法可以把不对称的电流分解成正序、负序和零序分量。对应这三种电流将产生正向行波磁场、反向行波磁场和脉振磁场。后两类磁场在次级运行过程中将产生阻力并产生附加损耗。,2）铁心开断引起的脉振磁场,即使三相电流对称，而直线电机由于铁心开断仍然会产生相对于初级不移动的脉振磁场。,图10 直线电机中脉振磁场的形成,t=0时电密和磁动势的分布,t=0时磁密的分布,t=T/4时磁动势和磁密的分布,3.直线感应电机的边端效应,随着时间的变化，磁动势曲线相对于初级铁心是移动的，因此在上、下铁心的端面之间所作用的磁动势将随时间做正弦变化。与此相对应，分
8、路磁通sh和磁通密度Bsh随时间按正弦规律脉振。这种磁场在有效区域内与空间位置无关，因此，它与通常的行波磁场不同，常被称为脉振磁场。,3）静态纵向边端效应,铁心开断所产生的脉振磁场、反向磁场存在的现象，称为直线感应电机的静态纵向边端效应。,3.直线感应电机的边端效应,4）动态纵向边端效应,图11 直线感应电机的纵向边端效应,对于旋转电机，转子以同步速旋转时，转子绕组的感应电动势和电流等于0。而对于直线电动机，次级以同步速移动，当时间为t0、t1、t2、t3和t4时，次级导体上电路C的相应位置是C0，C1，C2，C3和C4。当C在C0、C2和C4位置时，电路中没有感应电动势；但是当C在C1和C3
9、位置时，在电路C中就有感应电动势和电流产生。,这种感生电流称为动态纵向边端效应电流，它会产生附加损耗和附加力。,3.直线感应电机的边端效应,5）削弱纵向边端效应的方法方法1：三相绕组换位接法,图12 消除负序和零序电流的一种方法,a)第一台电机；b)第二台电机；c)第三台电机；c）三相绕组换位的Y接；e)三相绕组换位的接,3.直线感应电机的边端效应,方法2：增加极数,当电机的极数大于6时，脉振磁通可忽略不计。与旋转电机不同，直线电机的极数可以是奇数。方法3：装补偿元件 由于直线电机两端是断开的，实际槽数必须大于极数要求的槽数，对于双层绕组，边端有单层的槽，为减小边端效应的影响，可在相应的半槽中
10、安放补偿元件。,3.直线感应电机的边端效应,图13 补偿原件安装位置示意图,3.直线感应电机的边端效应,3.2 横向边端效应及其改善,1）横向边端效应,图14 次级电流路径,一般直线感应电机的次级是导电板，而不是鼠笼条，电机运行时，次级板中的电流如图14所示，电流不但有横向分量，还有纵向分量。纵向分量的存在，产生横向边端效应。横向边端效应使次级的等效电阻增大。,3.直线感应电机的边端效应,2）削弱横向边端效应的措施,适当加大次级板的宽度，如图15所示。,图15 次级伸出的双边直线感应电机的横截面图,3.直线感应电机的边端效应,4.直线感应电动机的等效电路和基本特性,图16 直线感应电动机的等效
11、电路,Rf为边端作用有效部分功率等效电阻初级换算值；RL为边端效应无效部分功率等效电阻初级换算值。由该等效电路可进行各种定量计算。,与旋转电机类似，直线感应电动机的等效电路如图16所示。由于直线感应电动机铁心中磁密一般较低，铁耗可忽略不计，次级板的漏电抗较小也可忽略不计。Re为边端效应消耗功率的等效电阻初级换算值；,4.1 等效电路,1）推力-速度特性,4.2 基本特性,图17 直线感应电动机与旋转感应 电动机的推力-速度特性的比较,图18 近似直线的推力-速度特性,Fst为起动推力，Vs为同步速度，Fu为摩擦力，Vf为空载速度,4.直线感应电动机的等效电路和基本特性,2）推力-气隙特性,3）
12、电流-气隙特性,图19 推力-气隙特性,图20 电流-气隙特性,4.直线感应电动机的等效电路和基本特性,随着气隙的增加，电流增加，推力减小。,4）推力-电压特性,图22 推力-线电压特性,5）推力-功率特性,图23 推力-输入功率特性,4.直线感应电动机的等效电路和基本特性,5.直线感应电动机应用及发展趋势,5.1 轨道交通,由直线电机驱动的轨道交通称为直线电机轨道交通。,直线电机轨道交通,磁悬浮轨道交通直线电机轮轨交通直线电机单轨交通直线电机气浮轨道交通,直线感应电机轮轨交通,我国的直线电机地铁已建成的有北京国际机场线、广州4、5、6号地铁线。采用直线感应电动机驱动，长次级短初级结构。短初级
13、装在车上，长次级（感应板）铺设在轨道中间，初、次级相互作用产生推力。依靠钢轮-钢轨系统进行支撑和导向。世界上大部分直线电机轮轨交通采用这种方式。,图25 北京国际机场线线路图,图24 北京国际机场线,5.直线感应电动机应用及发展趋势,图26 长次级感应板,图27 分段长初级,5.直线感应电动机应用及发展趋势,直线电机轮轨交通系统的特点,1)爬坡能力强,由于车辆的运动是依靠直线电机所产生的电磁力来推进，而车辆车轮仅起支撑承载作用，不传递力，不再受到轮轨黏着因素的制约。因此，车辆可以获得很强的起动、加速和减速动力性能，尤其具有突出的爬坡能力，线路最大坡度可以允许在8%以上，传统的地铁车辆最大允许3
14、%，并能在恶劣的环境和轨面条件下保持良好的性能。,图28 爬坡能力的比较,5.直线感应电动机应用及发展趋势,2)转弯半径小,由于直线电机驱动方式，车轮不再传递牵引/制动力，所以轴箱定位结构可以大大简化，这样就很容易实现结构简单的径向转向架，提高了车辆的曲线通过性能和运行平稳性。由于转向架具有径向功能且轴距小，使地铁运营线路的最小曲线半径可低到80m左右，传统的地铁车辆要250m以上。,图29 转弯半径的比较,5.直线感应电动机应用及发展趋势,3)横断面结构的小型化,由于直线电机驱动方式不需要中间传动装置，因此可以采用小的车轮直径610mm，传统地铁车辆为860mm。再者，由于不需要旋转电机的悬
15、挂安装空间，车辆地板面可降至距轨面700mm，传统地铁车辆为1100mm以上。综合各项小型化措施，使该型地铁车辆的横断面面积大大减小，与传统地铁车辆相比大约减少40%。,图30 普通地铁与直线电机地铁隧道断面比较,5.直线感应电动机应用及发展趋势,4)降低振动和噪声,直线电机驱动的地铁车辆，没有齿轮传动机构的齿合振动和噪声；车轮也不是驱动轮，没有动力轮对与钢轨蠕滑滚动产生的振动和噪声；径向转向架良好的曲线通过性能，避免了过曲线时轮轨冲角带来的振动和噪声。所以该型地铁车辆具有振动小，噪声低的优点，有利于环境保护。,5.直线感应电动机应用及发展趋势,5)良好的安全性和可靠性,直线电机驱动地铁车辆是
16、典型的非黏着驱动方式，牵引/制动性能发挥不依赖于环境，是一种全天候的运载工具。直线电机驱动的电磁力的分力是轮轨间产生一定的附加压力，有利于提高轮轨运动的稳定性，因此其安全性指标高。取消了旋转电机驱动所必需的滚动轴承、传动齿轮，磨损小，大大提高了车辆运行的可靠性和可维护性，维修工作量较小，维护成本较低。,5.直线感应电动机应用及发展趋势,6)良好的编组灵活性和运营适应性,直线电机驱动的地铁车辆具有比传统车辆更强的加减速性能，有更高的停车位置控制精度，因此更容易实现小编组，高密度，自动驾驶的运行模式。可以以26辆灵活编组，适应不同的客流量需要。采用钢车轮和钢轨来支撑和引导车辆运行，所以仍可采用长期
17、运用成熟的、安全可靠的轨道电路信号系统来实行对列车的信号传输，运行监控和集中调度，运营适应性较好。,5.直线感应电动机应用及发展趋势,7)低效率、低功率因数,地铁车辆上工程应用的直线电机，由于车载定子与地面转子是处在一个相对直线运动的弹性(轴箱垂向弹性定位)系统间，不可避免地会造成相互间隙变化，因此气隙设计的不能太小，否则会导致不安全因素，一般定在12mm左右。再加上直线电机是有端部的，因此漏磁场较大，机电能量转化率低，所以直线电机效率较低，一般在70%80%之间，功率因数也较低，一般在0.50.6之间。,5.直线感应电动机应用及发展趋势,5.2 其他应用,直线电机推车机 直线电机冲床 直线电
18、机电梯 直线电机驱动的压缩机 数控机床 电磁炮,5.3 直线电机的发展趋势,1）电机本体 高精度、大容量 永磁直线电机 直线振荡电机2）控制技术 矢量控制技术 直接转矩控制技术 无位置传感技术,6.本人在直线电机方面进行的工作,1）直线电机推车机电机 磁性次级，功率因数0.4左右；复合次级功率因数0.6左右。,Holmse直线感应电机,可提高功率因数。,6.本人在直线电机方面进行的工作,副绕组串电容的直线感应电机,可提高功率因数、推力、削弱谐波。,6.本人在直线电机方面进行的工作,2）对定、动子极距不等的同步直线电机进行分析,上海磁悬浮线，采用同步直线电机驱动，定子为三相单层集中绕组。定子极距258mm，动子极距266.5mm。,定、动子极距不等，可以削弱齿槽力、削弱谐波电动势。,6.本人在直线电机方面进行的工作,等效绕组系数,3）潜油泵永磁直线电机,潜油圆筒形直线永磁同步电动机结构,额定电压660V，最大推力2400kg；最大速度0.7m/s，额定效率60%，外径135mm，圆筒式结构，采用9槽/10极配合，极距21.6mm，定子齿距24mm，单元电机长度216mm。,总体结构,6.本人在直线电机方面进行的工作,轴向磁体结构,工字形硅钢片定子铁心结构,转子结构,铁心结构,6.本人在直线电机方面进行的工作,样机电机实物图,6.本人在直线电机方面进行的工作,谢谢！,
