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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
2、具雏形但并不成功的直线电机。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
3、校；熊光煜；乔忠寿；袁世鹰；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
4、同可分为扁平型、圆筒型、圆弧型和圆盘型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
5、差，因此功率因数较低。复合次级的直线感应电动机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,
6、图9 直线电机的基本工作原理 1初级 2次级 3行波磁场,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
7、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
8、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、
9、C2和C4位置时，电路中没有感应电动势；但是当C在C1和C3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
10、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
11、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
12、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）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
13、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
14、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%，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
15、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
16、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
17、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7
18、0%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
19、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！,