直線電機(jī)課件

1、直線電機(jī)直線電機(jī) 【本章知識(shí)架構(gòu)】 直 線 電 機(jī) 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 直線直流電動(dòng)機(jī) 基本結(jié)構(gòu) 直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 直線電機(jī)的應(yīng)用化工 圓盤形 永磁式 旋轉(zhuǎn)電機(jī)的工作原理 電磁式 直線電機(jī)的工作原理 扁平形 圓筒形 直線運(yùn)動(dòng)執(zhí)行元件 信息自動(dòng)化 直線傳輸裝置 直線同步電動(dòng)機(jī) 機(jī)械加工 機(jī)械手 電動(dòng)門 電磁錘 電磁打箔機(jī) 筆式記錄儀 平面繪圖儀 磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 運(yùn)煤車 新型電梯 高速磁懸浮列車 常導(dǎo)電磁懸浮記錄儀 超導(dǎo)電磁懸浮技術(shù) 永磁懸浮技術(shù) 【本章教學(xué)目標(biāo)與要求】 ?了解直線電機(jī)的發(fā)展歷史 ?掌握直線電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理 ?掌握各種類型直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理 ?了解直線電機(jī)的典型應(yīng)用 【引言】 直

2、線運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是世界上最主要的兩種運(yùn) 動(dòng)方式。至于許多曲線運(yùn)動(dòng)，從微觀上來(lái)看，也 還是一些直線運(yùn)動(dòng)。 目前，很多的直線運(yùn)動(dòng)往往都是通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 轉(zhuǎn)換而成的。例如，火車的直線運(yùn)動(dòng)通過蒸汽機(jī) 帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)換，空中飛機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)通過發(fā)動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋槳進(jìn)行轉(zhuǎn)換，海上的輪船、陸上的汽車 都是如此。許多直線驅(qū)動(dòng)裝置或系統(tǒng)都是采用旋 轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)通過中間轉(zhuǎn)換裝置，如鏈條、鋼絲繩、 皮帶、齒條或絲桿等機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。由于 這些裝置或系統(tǒng)有中間轉(zhuǎn)換傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所以整機(jī) 存在著體積大、效率低、精度差等問題。 能否在一個(gè)直線驅(qū)動(dòng)裝置或系統(tǒng)中不通過中 間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)而直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)呢 ?回答是肯定的。 隨著直線電機(jī)技術(shù)的

3、出現(xiàn)和不斷完善，用直 線電機(jī)驅(qū)動(dòng)一些直線運(yùn)動(dòng)裝置和系統(tǒng)，可以不需 要中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，通電后直接產(chǎn)生直線驅(qū)動(dòng)力， 從而使整個(gè)裝置和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)顯得非常簡(jiǎn)單，運(yùn) 行可靠，性能更好，控制更方便。在許多場(chǎng)合， 其裝置和系統(tǒng)的成本比原來(lái)的機(jī)構(gòu)更低，且在運(yùn) 行中有節(jié)能效果。 利用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的裝置或系統(tǒng)是一種新型的直 線驅(qū)動(dòng)裝置與系統(tǒng)。目前在世界上，這種新型的直線 驅(qū)動(dòng)裝置與系統(tǒng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，例如在交通 運(yùn)輸方面的磁懸浮列車，磁浮船，地鐵車，公路高速 車。 在物流輸送方面的各種流水生產(chǎn)線，各種郵政分 揀線，港口、車站、機(jī)場(chǎng)的各種搬運(yùn)線，物料輸送系 統(tǒng)等。在工業(yè)上，各種鍛壓設(shè)備的驅(qū)動(dòng)部分，如沖壓 機(jī)、壓

4、力機(jī)、電磁錘等；金屬加工設(shè)備中的車床進(jìn)刀 機(jī)構(gòu)，插床、送料機(jī)構(gòu)、工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)等。在信息與自 動(dòng)化方面，從計(jì)算機(jī)的磁盤讀取到繪圖儀、打印機(jī)、 掃描儀、復(fù)印機(jī)、照相機(jī)等。在民用方面，如民用自 動(dòng)門、自動(dòng)窗簾機(jī)、洗衣機(jī)、自動(dòng)床、電子縫紉機(jī)、 制茶機(jī)。在軍事方面亦有許多應(yīng)用，如軍用導(dǎo)彈、電 磁炮、魚雷、潛艇等裝置。此外，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置 在天文、醫(yī)療許多領(lǐng)域亦有不少應(yīng)用。以下為典型的 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 圖9.1 平板型直線電機(jī) 圖9.1為平板型直線電機(jī)，具有連續(xù)、峰值推 力大，行程可無(wú)限延長(zhǎng)，內(nèi)置水冷及過熱保護(hù)裝置， 壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。將完全取代傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī) +滾珠 絲杠運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。廣泛應(yīng)用于抽油、電動(dòng)門

5、業(yè)、采礦、 傳送、印刷、紡織、磁懸浮列車、機(jī)械裝備行業(yè)、 數(shù)控機(jī)床行業(yè)、半導(dǎo)體封裝行業(yè)、醫(yī)療設(shè)備行業(yè)及 家用電子設(shè)備行業(yè)等領(lǐng)域。 圖9.2 直線電機(jī)X-Y定位平臺(tái) 圖9.2為采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的 X-Y定位平臺(tái)，具 有高速度、高加速度、精確性高且定位快速、無(wú) 摩擦損耗、運(yùn)動(dòng)平順、可靠度高、耐久使用、維 護(hù)簡(jiǎn)單、小型化設(shè)計(jì)所需空間小、單軸上可有復(fù) 數(shù)動(dòng)子等特性。主要應(yīng)用于精密機(jī)床、半導(dǎo)體、 集成電路板、精密光電、生物科技、激光、精密 檢測(cè)儀器等行業(yè)。 圖9.3 磁懸浮列車 圖9.3為磁懸浮列車運(yùn)行圖。磁懸浮列車?yán)谩巴?相斥，異性相吸”的原理，讓磁鐵具有抗拒地心引力 的能力，使車體完全脫離軌道，

6、懸浮在距離軌道約 1厘 米處，騰空行駛，創(chuàng)造了近乎“零高度”空間飛行的 奇跡。懸浮列車有許多優(yōu)點(diǎn)：列車在鐵軌上方懸浮運(yùn) 行，鐵軌與車輛不接觸，不但運(yùn)行速度快，能超過 500 千米小時(shí)，而且運(yùn)行平穩(wěn)、舒適，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控 制；無(wú)噪音，不排出有害的廢氣，有利于環(huán)境保護(hù)； 可節(jié)省建設(shè)經(jīng)費(fèi)；運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和耗能費(fèi)用低。 采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的新型直線驅(qū)動(dòng)裝置與系統(tǒng)和其 他非直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的裝置與系統(tǒng)相比，具有如下一 些優(yōu)點(diǎn)： (1)采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)裝置，不需要任 何轉(zhuǎn)換裝置而直接產(chǎn)生推力，因此，它可以省去 中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了整個(gè)裝置或系統(tǒng)，保證了 運(yùn)行的可靠性，提高傳遞效率，降低制造成本， 易于維護(hù)。據(jù)

7、國(guó)外資料報(bào)道，曾經(jīng)有臺(tái)直線電機(jī) 驅(qū)動(dòng)的洗衣機(jī)，每天24小時(shí)連續(xù)不停地工作了 7 年，而沒有作任何維修。 (2)普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)由于受到離心力的作用，其 圓周速度受到限制，而直線電機(jī)運(yùn)行時(shí)，它的零 部件和傳動(dòng)裝置不像旋轉(zhuǎn)電機(jī)那樣會(huì)受到離心力 的作用，因而它的直線速度可以不受限制。 (3)直線電機(jī)是通過電能直接產(chǎn)生直線電磁推 力的，它在驅(qū)動(dòng)裝置當(dāng)中，其運(yùn)動(dòng)時(shí)可以無(wú)機(jī)械 接觸，故整個(gè)裝置或系統(tǒng)噪聲很小或無(wú)噪聲；并 且使傳動(dòng)零部件無(wú)磨損，從而大大減少了機(jī)械損 耗，例如直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的磁懸浮列車就是如此。 (4)由于直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且它的初級(jí)鐵心 在嵌線后可以用環(huán)氧樹脂等密封成整體，所以可 以在一些特殊場(chǎng)合

8、中應(yīng)用，例如可在潮濕環(huán)境甚 至水中使用，或在有腐蝕性氣體中使用。 (5)由于散熱面積大，容易冷卻，直線電機(jī)的 散熱效果比較好，直線電機(jī)可以承受較高的電磁 負(fù)荷，容量定額較高。 本章將對(duì)這種的新型驅(qū)動(dòng)裝置 直線電機(jī)進(jìn) 行詳細(xì)討論，從直線電機(jī)的工作原理，到各種直 線電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作特性，以及直線電機(jī)的發(fā)展 歷史與未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行討論。以期讓讀者在 直線電機(jī)領(lǐng)域得到全方位的認(rèn)識(shí)。 9.1直線電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直線電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 直線電機(jī)主要是直線電動(dòng)機(jī)，它是一種將電能 直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，而不需任何中間轉(zhuǎn) 換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。它是 20世紀(jì)下半葉電工領(lǐng)域 中產(chǎn)生的具有新原理、新理論的新技術(shù)。它所具

9、 有的特殊優(yōu)勢(shì)，已越來(lái)越引起了人們的重視，不 久的將來(lái)，它將像微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)一樣， 在人類的各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。 直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要制成扁平形、圓 筒形或盤形等各種形式，它可以采用交流電源， 直流電源或脈沖電源等各種電源進(jìn)行工作。 圖9.4 旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)和直線電動(dòng)機(jī)示意圖 a-旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)；b-直線電動(dòng)機(jī) 圖9.4所示的a和b分別表示了一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)和 一臺(tái)扁平形直線電動(dòng)機(jī)。 可以認(rèn)為，直線電機(jī)是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的 一種演變，它可以看作是將一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖 開，然后將電機(jī)的圓周展成直線，這樣就得到了由 旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來(lái)的最原始的直線電機(jī)，如圖 9.5所 示。由定子演變而

10、來(lái)的一側(cè)稱為初級(jí)或原邊，由轉(zhuǎn) 子演變而來(lái)的一側(cè)稱為次級(jí)或副邊。 圖9.5 由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變?yōu)橹本€電機(jī)的過程 a-沿徑向剖開； b-把圓周展成直線 圖9.5中演變而來(lái)的直線電機(jī)，其初級(jí)和次 級(jí)長(zhǎng)度是相等的，由于在運(yùn)行時(shí)初級(jí)與次級(jí)之 間要作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如果在運(yùn)動(dòng)開始時(shí)，初級(jí)與 次級(jí)正巧對(duì)齊，那么在運(yùn)動(dòng)中，初級(jí)與次級(jí)之 間互相耦合的部分越來(lái)越少，而不能正常運(yùn)動(dòng)。 為了保證在所需的行程范圍內(nèi)，初級(jí)與次級(jí)之 間的耦合能保持不變，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將初 級(jí)與次級(jí)制造成不同的長(zhǎng)度。 在直線電機(jī)制造時(shí)，既可以是初級(jí)短、次 級(jí)長(zhǎng)，也可以是初級(jí)長(zhǎng)、次級(jí)短，前者稱做短 初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)，后者稱為長(zhǎng)初級(jí)短次級(jí)。但是由 于短初級(jí)在

11、制造成本上、運(yùn)行的費(fèi)用上均比短 次級(jí)低得多， 因此，目前除特殊場(chǎng)合外，一般均采用短 初級(jí)，如圖9.6所示。 圖9.6單邊型直線電機(jī) a-短初級(jí)；b-短次級(jí) 在圖9.6中所示的直線電機(jī)僅在一邊安放初級(jí)，對(duì) 于這樣的結(jié)構(gòu)形式稱為單邊型直線電機(jī)。這種結(jié)構(gòu)的 電機(jī)，一個(gè)最大特點(diǎn)是在初級(jí)與次級(jí)之間存在著一個(gè) 很大的法向吸力。一般這個(gè)法向吸力，在鋼次級(jí)時(shí)為 推力的10倍左右，在大多數(shù)的場(chǎng)合下，這種法向吸力 是不希望存在的，如果在次級(jí)的兩邊都裝上初級(jí)，那 么這個(gè)法向吸力可以相互抵消，這種結(jié)構(gòu)形式稱為雙 邊型，如圖9.7所示。 圖9.7 雙邊型直線電機(jī) a-短初級(jí)；b-短次級(jí) 上述介紹的直線電機(jī)稱為扁平形直線

12、電機(jī)， 是目前應(yīng)用最廣泛的。除了上述扁平形直線電 機(jī)的結(jié)構(gòu)形式外，直線電機(jī)還可以做成圓筒形 (也稱管形)結(jié)構(gòu)，它也可以看作是由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演 變過來(lái)的，其演變的過程如圖 9.8所示 圖9.8 由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變?yōu)橹本€電機(jī)的過程 a-旋轉(zhuǎn)電機(jī)；b-扁平形單邊直線電機(jī)；c-圓筒形直線電機(jī) 圖9.8a表示一臺(tái)旋轉(zhuǎn)式電機(jī)以及定子繞組所構(gòu)成 的磁場(chǎng)極性分布情況；圖 9.8b表示轉(zhuǎn)變?yōu)楸馄叫沃?線電機(jī)后，初級(jí)繞組所構(gòu)成的磁場(chǎng)極性分布情況； 將扁平形直線電機(jī)沿著和直線運(yùn)動(dòng)相垂直的方向卷 接成筒形，這樣就構(gòu)成圖 9.8c所示的圓筒型直線電 機(jī)。 圖9.9是圓盤形直線電機(jī)。該電機(jī)把次級(jí)做成一 片圓盤(銅或鋁，或銅、鋁與

13、鐵復(fù)合 )，將初級(jí)放在 次級(jí)圓盤靠近外緣的平面上，盤形直線電機(jī)的初 級(jí)可以是雙面的，也可以是單面的。園盤形直線 電機(jī)的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是一個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)，如圖中的箭 頭所示，然而由于它的運(yùn)行原理和設(shè)計(jì)方法與扁 平形直線電機(jī)結(jié)構(gòu)相似，故仍歸入直線電機(jī)的范 疇。 圖9.9 圓盤形直線電機(jī) 9.2直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 直線電機(jī)不僅在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于是從旋轉(zhuǎn)電機(jī) 演變而來(lái)的，而且其工作原理也與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似。 本節(jié)將以直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為例，從旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基 本工作原理出發(fā)引申出直線電機(jī)的基本工作原理。 9.2.1 9.2.1 旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基本工作原理旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基本工作原理 旋轉(zhuǎn)電機(jī)的磁場(chǎng)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它的旋轉(zhuǎn)速度稱

14、為同步轉(zhuǎn)速，用表示，它與電流的頻率 (Hz)成正比， 而與電機(jī)的極對(duì)數(shù)成反比，如下式所示： 60 s f n p ?(rad/min) (9-1) 如用 s v表示在定子內(nèi)圓表面上磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的線速度 則有： 22 60 s s n vpf?(m/s) (9-2) 式中 ?極距，m。 圖9.10 旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基本工作原理 1-定子；2-轉(zhuǎn)子；3-磁場(chǎng)方向 圖9.10可以說(shuō)明旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子的作用。為 了簡(jiǎn)單起見，圖中鼠籠轉(zhuǎn)子只畫出了兩根導(dǎo)條。 當(dāng)氣隙中旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速 n，旋轉(zhuǎn)時(shí)， 該磁場(chǎng)就會(huì)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，而在其中感應(yīng)出電動(dòng) 勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)的方向可按右手定則確定，示于圖中 轉(zhuǎn)子導(dǎo)條上。 由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條是通

15、過端環(huán)短接的，因此在感 應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，便在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中產(chǎn)生電流。 當(dāng)不考慮電動(dòng)勢(shì)和電流的相位差時(shí)，電流的方向 即為電動(dòng)勢(shì)的方向。這個(gè)轉(zhuǎn)子電流與氣隙磁場(chǎng)相 互作用便產(chǎn)生切向電磁力 F。電磁力的方向可按左 手定則確定。由于轉(zhuǎn)子是個(gè)圓柱體，故轉(zhuǎn)子上每 根導(dǎo)條的切電磁力乘上轉(zhuǎn)子半徑，全部加起采即 為促使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。由此可以看出，轉(zhuǎn) 子旋轉(zhuǎn)的方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向是一致的。 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速用 表示。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下， 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 總要比同步轉(zhuǎn)速 小一些，因?yàn)橐?旦 ，轉(zhuǎn)子就和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)靜止了，轉(zhuǎn)子導(dǎo) 條不切割磁場(chǎng)，于是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零，不能產(chǎn)生 電流和電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 與同步轉(zhuǎn)速 的差 值經(jīng)常用轉(zhuǎn)

16、差率來(lái)表示，即 n n s n s nn? n s n s s nn s n ? ? (9-3) 以上就是一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基本工作原理。 9.2.2 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的基本工作原理直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的基本工作原理 將圖9.10所示的旋轉(zhuǎn)電機(jī)在頂上沿徑向剖開， 并將圓周拉直，便成了圖 9.11所示的直線電機(jī)。 在這臺(tái)直線電機(jī)的三相繞組中通入三相對(duì)稱正弦 電流后二也會(huì)產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。 當(dāng)不考慮由于鐵心兩端開斷而引起的縱向邊 端效應(yīng)時(shí)，這個(gè)氣隙磁場(chǎng)的分布情況與旋轉(zhuǎn)電機(jī) 的相似，即可看成沿展開的直線方向呈正弦形分 布當(dāng)三相電流隨時(shí)間變化時(shí)，氣隙磁場(chǎng)將按 A、B、 C相序沿直線移動(dòng)。這個(gè)原理與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的相似， 二

17、者的差異是：這個(gè)磁場(chǎng)是平移的，而不是旋轉(zhuǎn) 的，因此稱為行波磁場(chǎng)。 顯然，行波磁場(chǎng)的移動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子內(nèi) 圓表面上的線速度是一樣的，即為 ，稱為同步速 度，且 圖9.11 直線電機(jī)的基本工作原理 1-初級(jí)；2-次級(jí)；3-行波磁場(chǎng) s v 2 s vf? (m/s) (9-4) 再來(lái)看行波磁場(chǎng)對(duì)次級(jí)的作用。假定次級(jí)為 柵形次級(jí)，圖9.11中僅畫出其中的一根導(dǎo)條。次 級(jí)導(dǎo)條在行波磁場(chǎng)切割下，將感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn) 生電流。而所有導(dǎo)條的電流和氣隙磁場(chǎng)相互作用 便產(chǎn)生電磁推力。在這個(gè)電磁推力的作用下，如 果初級(jí)是固定不動(dòng)的，那末次級(jí)就順著行波磁場(chǎng) 運(yùn)動(dòng)的方向做直線運(yùn)動(dòng)。若次級(jí)移動(dòng)的速度用 表示，轉(zhuǎn)差率

18、用 表示，則有 v s s s vv s v ? ?(9-5) 在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下， 的大小在0與1之間。 上述就是直線電機(jī)的基本工作原理。 s s 應(yīng)該指出，直線電機(jī)的次級(jí)大多采用整塊 金屬板或復(fù)合金屬板，因此并不存在明顯的導(dǎo)條。 但在分析時(shí)，不妨把整塊金屬板看成是無(wú)限多的 導(dǎo)條并列組合，這樣仍可以應(yīng)用上述原理進(jìn)行討 論。 圖9.12分別畫出了假想導(dǎo)條中的感應(yīng)電流及 金屬板內(nèi)電流的分布，圖中 為初級(jí)鐵心的疊片 厚度，c為次級(jí)在 長(zhǎng)度方向伸出初級(jí)鐵心的寬 度，它用來(lái)作為次級(jí)感應(yīng)電流的端部通路， c的 大小將影響次級(jí)的電阻。 l? l? 與旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，改變直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)初級(jí) 繞組的通電次序，便

19、可以改變電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的方向， 這樣就可使直線電機(jī)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際應(yīng) 用中，也可以將次級(jí)固定不動(dòng)，而讓初級(jí)運(yùn)動(dòng)。 因此，通常又把靜止的一方稱為定子，而運(yùn)動(dòng)的 一方稱為動(dòng)子。 圖9.12 次級(jí)導(dǎo)體板中的電流 a-假想導(dǎo)條中的感應(yīng)電流；b-金屬板內(nèi)電流分布 綜上所述，直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動(dòng) 機(jī)在工作原理上并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，只是所得到的機(jī) 械運(yùn)動(dòng)方式不同而已。但是兩者在電磁性能上卻 存在很大的差別，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面： (1)旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子三相繞組是對(duì)稱的， 因而若所施加的三相電壓對(duì)稱，則三相電流就是 對(duì)稱的。但直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的初級(jí)三相繞組在空 間位置上是不對(duì)稱的，位于邊緣的線圈與位于中

20、 間的線圈相比，其電感值相差很大，也就是說(shuō)三 相電抗是不相等的。因此，即使三相電壓對(duì)稱， 三相繞組電流也不對(duì)稱。 (2)旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙是圓 形的，無(wú)頭無(wú)尾，連續(xù)不斷，不存在始端和終端。 但直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)初、次級(jí)之間的氣隙存在著始 端和終端。當(dāng)次級(jí)的一端進(jìn)入或退出氣隙時(shí)，都 會(huì)在次級(jí)導(dǎo)體中感應(yīng)附加電流，這就是所謂的 “邊緣效應(yīng)”。由于邊緣效應(yīng)的 影響，直線感應(yīng) 電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行特性上有較大的 不同。 (3)由于直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)初、次級(jí)之間在直線 方向上要延續(xù)一定的長(zhǎng)度，往往不均勻，因此在 機(jī)械結(jié)構(gòu)上一般將初、次級(jí)之間的氣隙做得較長(zhǎng)， 這樣，其功率因數(shù)比旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)還

21、要低。 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性，可根據(jù)計(jì)及邊 緣效應(yīng)的等效電路來(lái)計(jì)算和分析，但其推導(dǎo)過程 涉及電磁場(chǎng)理論較為復(fù)雜，此處不詳細(xì)討論。有 興趣的讀者可參閱相關(guān)書籍。 9.3 直線直流電動(dòng)機(jī)直線直流電動(dòng)機(jī) 與直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，直線直流電動(dòng)機(jī)沒 有功率因數(shù)低的問題，運(yùn)行效率高，并且控制方 便、靈活。若與閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)合在一起，則可 以精密地控制直線位移，其速度和加速度控制范 圍廣，調(diào)速平滑性好。直線直流電動(dòng)機(jī)的主要缺 點(diǎn)還是電刷和換向器之間的機(jī)械磨損，雖然在短 行程系統(tǒng)中，直線直流電動(dòng)機(jī)可以采用無(wú)刷結(jié)構(gòu)， 但在長(zhǎng)行程系統(tǒng)中，就很難實(shí)現(xiàn)無(wú)刷無(wú)接觸運(yùn)行。 按照勵(lì)磁方式的不同，直線直流電動(dòng)機(jī)可分 為永磁

22、式和電磁式兩種，前者多用于功率較小的 自動(dòng)記錄儀表中，如記錄儀中筆的縱橫走向驅(qū)動(dòng)， 攝影機(jī)中快門和光圈的操作等；后者主要用于較 大功率的驅(qū)動(dòng)。下面分別予以簡(jiǎn)要介紹。 9.3.1 永磁式直線直流電動(dòng)機(jī)永磁式直線直流電動(dòng)機(jī) 按照結(jié)構(gòu)型式的不同，永磁式直線直流電動(dòng)機(jī) 可分為動(dòng)磁型和動(dòng)圈型兩種。 圖9.13 永磁式直線直流電動(dòng)機(jī) (a)動(dòng)磁型；(b)動(dòng)圈型 動(dòng)磁型結(jié)構(gòu)如圖9.13(a)所示，線圈固定繞在 一個(gè)軟鐵框架上，線圈的長(zhǎng)度應(yīng)包括可動(dòng)永磁體 的整個(gè)運(yùn)動(dòng)行程。顯然，當(dāng)固定線圈流過電流時(shí)， 不工作的部分要白白浪費(fèi)能量。 為了降低電能的消耗，可以將線圈外表面進(jìn) 行加工，使銅線裸露出來(lái)，通過安裝在永磁體

23、磁 極上的電刷把電流潰入相應(yīng)的線圈 (如圖9.13(a)中 虛線所示)。這樣，當(dāng)磁極移動(dòng)時(shí)，電刷跟著滑動(dòng)， 僅使線圈的工作部分通電。但是，這種結(jié)構(gòu)型式 由于電刷存在磨損，因此降低了電機(jī)的可靠性和 使用壽命。 動(dòng)圈型結(jié)構(gòu)如圖9.13(b)所示，在軟鐵框架 的兩端裝有極性同向的兩塊永磁體，通電線圈可 在滑道上做直線運(yùn)動(dòng)。這種磁場(chǎng)固定、線圈可動(dòng) 的結(jié)構(gòu)及原理類似于揚(yáng)聲器，因此又稱為音圈電 動(dòng)機(jī)。它具有體積小、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)， 可用于計(jì)算機(jī)的硬盤驅(qū)動(dòng)。 9.3.2 電磁式直線直流電動(dòng)機(jī)電磁式直線直流電動(dòng)機(jī) 圖9.14所示為圓筒型電磁式直線直流電動(dòng)機(jī) 的典型結(jié)構(gòu)，圖9.14(a)所示為單極電機(jī)，圖

24、 9.14(b)所示為兩極電機(jī)。由圖 9.14可見，當(dāng)環(huán)形 勵(lì)磁繞組通入電流后，便產(chǎn)生經(jīng)電樞鐵心、氣隙、 極靴端面和外殼的磁通 (如圖9.14中虛線所示)。電 樞繞組是在圓筒型電樞鐵心的外表面上用漆包線 繞制而成的。對(duì)于兩極電機(jī)，電樞繞組應(yīng)繞成兩 半，兩半繞組繞向相反，串聯(lián)后接到低壓直流電 源上。當(dāng)電樞繞組通電后，載流導(dǎo)體與氣隙磁通 的徑向分量相互作用，在每極上便產(chǎn)生軸向推力， 磁極就沿著軸線方向做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。 圖9.14 圓筒型電磁式直線直流電動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu) (a)單極；(b)兩極 當(dāng)把這種電機(jī)應(yīng)用于短行程和低速移動(dòng)的場(chǎng) 合時(shí)，可以省掉滑動(dòng)的電刷。但當(dāng)行程較長(zhǎng)時(shí)，為 了提高效率，應(yīng)與永磁式

25、直線直流電動(dòng)機(jī)一樣，在 磁極端面裝上電刷，使電流只在電樞繞組的工作段 流過。 這種圓筒型結(jié)構(gòu)的直線電機(jī)具有若干優(yōu)點(diǎn)， 如沒有線圈端部，電樞繞組利用率高；氣隙均勻， 磁極和電樞間沒有徑向吸力。 9.4 直線同步電動(dòng)機(jī) 在一些要求直線同步驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合，如電梯、礦 井提升機(jī)等垂直運(yùn)輸系統(tǒng)，往往采用直線同步電動(dòng) 機(jī)。直線同步電動(dòng)機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)同步電動(dòng)機(jī) 是一樣的，就是利用定子合成移動(dòng)磁場(chǎng)和動(dòng)子行波 磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生同步推力，從而帶動(dòng)負(fù)載做直線 同步運(yùn)動(dòng)。直線同步電動(dòng)機(jī)可以采用永磁體勵(lì)磁， 這樣就成為永磁式直線同步電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖 9.15所示。 圖9.15 永磁式直線同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu) 同直線感應(yīng)電動(dòng)

26、機(jī)相比，直線同步電動(dòng)機(jī)具有更 大的驅(qū)動(dòng)力，控制性能和位置精度更好，功率因數(shù)和 效率較高，并且氣隙可以取得較長(zhǎng)，因此各種類型的 直線同步電動(dòng)機(jī)成為直線驅(qū)動(dòng)的主要選擇，在一些工 程場(chǎng)合有取代直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的趨勢(shì)，尤其是在新型 的垂直運(yùn)輸系統(tǒng)中普遍采用永磁式直線同步電動(dòng)機(jī)， 直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載上下運(yùn)動(dòng)。 圖9.16所示為永磁式直線同步電動(dòng)機(jī)礦井提 升系統(tǒng)，電機(jī)初級(jí)(定子)間隔均勻地布置在固定 框架(提升罐道)上，電機(jī)次級(jí)(動(dòng)子)由永磁體構(gòu)成， 在雙邊型初級(jí)的中間上下運(yùn)動(dòng)。動(dòng)子的縱向長(zhǎng)度 等于一段初級(jí)和一段間隔縱向長(zhǎng)度之和。在動(dòng)子 運(yùn)動(dòng)過程中，始終保持有一段初級(jí)長(zhǎng)度的動(dòng)子與 初級(jí)平行，這對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，原

27、理上近似于 長(zhǎng)初級(jí)短次級(jí)的直線電動(dòng)機(jī)，不同的是每一段都 存在一個(gè)進(jìn)入端和退出端。這種永磁式的直線驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)控制方便、精確，并且整體效率較高。 圖9.16 永磁式直線同步電動(dòng)機(jī)礦井提升系統(tǒng) 1一供電及控制系統(tǒng)；2一電機(jī)定子；3一固定框架； 4一電機(jī)動(dòng)子；5一提升容器；6一防墜器 長(zhǎng)定子結(jié)構(gòu)的電磁式直線同步電動(dòng)機(jī)在高速 磁懸浮列車中也有重要應(yīng)用，其勵(lì)磁磁場(chǎng)的大小 由直流勵(lì)磁電流的大小決定，通過控制勵(lì)磁電流 可以改變電動(dòng)機(jī)的切向牽引力和側(cè)向吸引力，這 樣列車的切向力和側(cè)向力可以分別控制，使得列 車在高速行進(jìn)過程中始終保持平穩(wěn)的姿態(tài)。 9.5 直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是由旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)演變而 來(lái)

28、的，其工作原理就是利用定子和動(dòng)子之間氣隙 磁阻的變化而產(chǎn)生電磁推力。從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，直 線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通常制成感應(yīng)子式 (即混合式)，圖 9.17所示為直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理，其中 定子是由帶齒槽的反應(yīng)導(dǎo)磁板及支架組成 (支架未 畫)，動(dòng)子是由永磁體、導(dǎo)磁磁極和控制繞組組成。 圖9.17 直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理 每個(gè)導(dǎo)磁磁極有兩個(gè)小極齒，小極齒和定子齒 的形狀相同，并且小極齒之間的齒距為定子齒距的 15倍。若前齒極對(duì)準(zhǔn)某一定子齒時(shí)，后齒極必然 對(duì)準(zhǔn)該定子齒之后第二個(gè)定子槽的位置。同一永磁 體的兩個(gè)導(dǎo)磁磁極之間的間隔應(yīng)使對(duì)應(yīng)位置的小極 齒都能同時(shí)對(duì)準(zhǔn)定子上的齒。另外，兩個(gè)永磁體之 間的間隔應(yīng)

29、使其中一個(gè)永磁體導(dǎo)磁磁極的小極齒在 完全對(duì)準(zhǔn)定子的齒或槽時(shí)，另一永磁體導(dǎo)磁磁極的 小極齒正好位于定子齒槽的中間位置。 圖9.17中分四個(gè)階段表示了直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)移 動(dòng)一個(gè)定子齒距時(shí)的情況： (1)當(dāng)A相繞組通入正向電流(B相繞組未通電)時(shí)， 導(dǎo)磁磁極的極齒a、a增磁，而極齒c、c去磁，極 齒a、a應(yīng)與定子齒對(duì)齊，動(dòng)子移動(dòng)后處于圖 9.17(a)所示的位置； (2)當(dāng)A相繞組斷電，而B相繞組通入正向電流時(shí)， 導(dǎo)磁磁極的極齒b、b增磁，而極齒d、d去磁， 極齒b、b應(yīng)與定子齒對(duì)齊，動(dòng)子向右移動(dòng) l4定 子齒距后處于圖9.17(b)所示的位置； (3)當(dāng)B相繞組斷電，而A相繞組通入負(fù)向電流時(shí)， 導(dǎo)磁

30、磁極的極齒c、c增磁，而極齒a、a去磁，極 齒c、c應(yīng)與定子齒對(duì)齊，動(dòng)子繼續(xù)向右移動(dòng) 14 定子齒距后處于圖9.17(c)所示的位置； (4)當(dāng)A相繞組斷電，而B相繞組通入負(fù)向電流時(shí)， 導(dǎo)磁磁極的極齒d、d增磁，而極齒b、b去磁， 極齒d、d應(yīng)與定子齒對(duì)齊，動(dòng)子繼續(xù)向右移動(dòng) 1 4定子齒距后處于圖9.17(d)所示的位置。 若重復(fù)上述通電過程，則圖 9.17所示的四種 情況將依次出現(xiàn)，而動(dòng)子將持續(xù)向右移動(dòng)。顯然， 在每一個(gè)通電周期內(nèi)，動(dòng)子便向右移動(dòng)一個(gè)定子 齒距。若要使動(dòng)子向左移動(dòng)，則只需將以上四個(gè) 階段的通電順序顛倒過來(lái)進(jìn)行即可。而若改變通 電周期(或通電脈沖頻率)，則可以改變動(dòng)子的移 動(dòng)速

31、度。上述直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每移動(dòng)一次，便步 進(jìn)l4的定子齒距，這就是直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步 距。 除了圖9.17所示的兩相結(jié)構(gòu)外，直線步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)還可以制成三相、四相、五相等結(jié)構(gòu)，其具 體結(jié)構(gòu)可參照旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和上述直線步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)的形式。 直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)雖較其他類型的直線 電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單，但其零部件的加工精度要求較高， 尤其是電動(dòng)機(jī)的氣隙較小，動(dòng)子的支撐結(jié)構(gòu)要求 較高，因此其成本相對(duì)較高。 9.6 直線電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用直線電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用 直線電動(dòng)機(jī)由于特殊的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式，其應(yīng) 用范圍相當(dāng)廣泛，既可作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件， 也可以用于較大功率的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，下 面列舉若干實(shí)際應(yīng)用的例子。 9.

32、6.1 作為直線運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件作為直線運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件 (1)機(jī)械手 圖9.18所示為電機(jī)制造中傳遞硅鋼片沖片的 機(jī)械手示意圖。直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的次級(jí)端頭裝有 電磁鐵，沖片沖好后，直線電機(jī)通電，電磁鐵隨 同次級(jí)進(jìn)入沖床，電磁鐵通電把沖好的沖片吸上 后，直線電機(jī)反向通電，把沖片從沖床內(nèi)帶出， 電磁鐵斷電，沖片靠自重落下，集聚在預(yù)置的框 內(nèi)。 (2)電動(dòng)門 圖9.19所示為一扇直線電機(jī)電動(dòng)門示意圖。 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的次級(jí)鋼板作為電動(dòng)門的構(gòu)件， 初級(jí)通電后，次級(jí)鋼板中感應(yīng)產(chǎn)生電流，并產(chǎn)生 推力，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)門做直線運(yùn)動(dòng)。 圖9.18 機(jī)械手示意圖 圖9.19 直線電機(jī)電動(dòng)門示意圖 9.6.2 用于機(jī)械加工產(chǎn)

33、品用于機(jī)械加工產(chǎn)品 (1)電磁錘 圖9.20所示為用于機(jī)械加工的電磁錘示意 圖，電磁錘的錘桿用兩根角鋼焊接成空心的鋼桿， 在其兩側(cè)各裝一個(gè)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的初級(jí)。初級(jí)通 電，錘桿上升；初級(jí)斷電，錘桿自由落下打擊工件。 (2)電磁打箔機(jī) 圖9.21所示為電磁打箔機(jī)示意圖，電磁打箔 機(jī)采用圓筒型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源。初級(jí) 通電后，錘桿向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)錘桿上升到一定高度 時(shí)斷電，由于慣性的作用，錘桿繼續(xù)上升，撞擊 頂部的彈簧，然后依靠彈簧的儲(chǔ)能和錘桿、錘頭 的重力勢(shì)能打擊工件。電動(dòng)機(jī)間歇通電，錘桿即 能做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。工件為韌性較大的紙包，其 中包有金箔。在錘頭頻繁的鍛打下，金箔可被打 制成很薄的箔片

34、，其厚度可達(dá) 0.2m。 圖9.20 電磁錘示意圖 圖9.21 電磁打箔機(jī)示意圖 9.6.3 用于信息自動(dòng)化產(chǎn)品用于信息自動(dòng)化產(chǎn)品 (1)筆式記錄儀 筆式記錄儀主要由動(dòng)圈型永磁直線直流電動(dòng) 機(jī)、運(yùn)算放大器和平衡電橋組成，如圖 9.22所示。 電橋平衡時(shí)，沒有電壓輸出，這時(shí)直線電動(dòng)機(jī)所 帶的記錄筆處在儀表的指零位置。當(dāng)外來(lái)信號(hào) EW 不等于零時(shí)，電橋失去平衡，運(yùn)算放大器產(chǎn)生一 定的輸出電壓，推動(dòng)直線電動(dòng)機(jī)的可動(dòng)線圈做直 線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)記錄筆在記錄紙上把信號(hào)記錄 下來(lái)。同時(shí)，直線電動(dòng)機(jī)還帶動(dòng)反饋電位器滑動(dòng)， 使電橋重新趨向平衡。 圖9.22 筆式記錄儀的組成 (2)平面電機(jī)與平面繪圖儀 由雙軸組

35、合的直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以構(gòu)成平面 式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。圖9.23所示平面電機(jī)示意圖，它 是將兩臺(tái)直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組合在一起，其中一臺(tái) 電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生X軸方向的運(yùn)動(dòng)，另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生 y 軸方向的運(yùn)動(dòng)。這樣，平面式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不需要 任何機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置，就能夠直接產(chǎn)生平面形式的 運(yùn)動(dòng)。由于直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)和工作原 理，使得兩臺(tái)直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的組合變得十分簡(jiǎn) 便。實(shí)際上，采用三臺(tái)直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)還可以做 成三軸向的三維電動(dòng)機(jī)。 這種平面電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特點(diǎn)突出，性能優(yōu)良， 目前已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)繪圖等領(lǐng)域。 圖9.23 平面電機(jī)示意圖 圖9.24 平面繪圖儀示意圖 圖9.24所示為基于雙軸直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

36、的平 面繪圖儀示意圖，兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的初級(jí)相互垂直，次 級(jí)臺(tái)板上開有相互垂直的齒槽，電動(dòng)機(jī)利用氣墊形 成初、次級(jí)之間的氣隙，在計(jì)算機(jī)的控制下帶動(dòng)繪 圖筆運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)繪圖功能。 (3)硬盤的磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由盤頭組件構(gòu)成的核心，封 裝在硬盤的凈化腔體內(nèi)，包括浮動(dòng)磁頭組件、磁 頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、磁碟及主軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、前置讀寫控 制電路等。 圖9.25 硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖9.26 磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 硬盤的磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由音圈電機(jī)和磁頭驅(qū)動(dòng) 小車組成，新型大容量硬盤還具有高效的防震動(dòng)機(jī) 構(gòu)。高精度的輕型磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠?qū)Υ蓬^進(jìn)行正 確的驅(qū)動(dòng)和定位，并在很短的時(shí)間內(nèi)精確定位到系 統(tǒng)指令指定的磁道上，保證數(shù)據(jù)讀寫的

37、可靠性。 硬盤驅(qū)動(dòng)器加電正常工作后，利用控制電路 中的單機(jī)初始化模塊進(jìn)行初始化工作，此時(shí)磁頭置 于磁碟中心位置，初始化完成后主軸電機(jī)將啟動(dòng)并 以高速旋轉(zhuǎn)，裝載磁頭的小車機(jī)構(gòu)移動(dòng)，將浮動(dòng)磁 頭置于磁碟表面的00道，處于等待指令的啟動(dòng)狀態(tài)。 當(dāng)接口電路接收到微機(jī)系統(tǒng)傳來(lái)的指令信 號(hào)，通過前置放大控制電路，驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)發(fā)出磁 信號(hào)，根據(jù)感應(yīng)阻值變化的磁頭對(duì)磁碟數(shù)據(jù)信息進(jìn) 行正確定位，并將接收后的數(shù)據(jù)信息解碼，通過放 大控制電路傳輸?shù)浇涌陔娐罚答伣o主機(jī)系統(tǒng)完成 指令操作。結(jié)束硬盤操作的斷電狀態(tài)，在反力矩彈 簧的作用下浮動(dòng)磁頭駐留到盤面中心。 9.6.4 用于長(zhǎng)距離的直線傳輸裝置用于長(zhǎng)距離的直線傳輸裝

38、置 (1)運(yùn)煤車 圖9.27所示為直線電機(jī)運(yùn)煤車示意圖。礦井 運(yùn)煤軌道一般很長(zhǎng)，每隔一段距離，在軌道中間 安置一臺(tái)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的初級(jí)。一列運(yùn)煤車由 若干礦車組成，每臺(tái)矽車的底部裝有鋁鋼復(fù)合次 級(jí)。直線電機(jī)的初級(jí)依次通電，便可把運(yùn)煤車向 前推進(jìn)。 圖9.27 直線電機(jī)運(yùn)煤車示意圖 (2)新型電梯 圖9.16所示的永磁式直線同步電動(dòng)機(jī)礦井提 升系統(tǒng)同樣可以應(yīng)用于電梯這種垂直運(yùn)輸系統(tǒng)。 同傳統(tǒng)的繩索電梯和液壓電梯相比，基于直線電 機(jī)的新型電梯具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1)節(jié)約場(chǎng)地。因?yàn)橹本€電機(jī)電梯的軌道即是直 線電機(jī)的定子，沒有必要專門鋪設(shè)垂直軌道，具 有增加有效面積的優(yōu)點(diǎn)。 2)節(jié)省電力。新型直線電機(jī)電梯

39、的最高速度 可達(dá)1.75ms，這樣的速度，繩索電梯的曳引機(jī) 必須采用齒輪減速器變速，電梯升降系統(tǒng)的傳動(dòng) 效率會(huì)明顯降低。而直線電機(jī)因其是非接觸的驅(qū) 動(dòng)機(jī)構(gòu)，所以沒有傳動(dòng)效率降低的情況。和液壓 電梯相比，電力消耗的差別更大，它比液壓電梯 可節(jié)約60以上的能量。 3)可靠性高。繩索電梯的曳引機(jī)由齒輪減速 器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)曳引輪、防振機(jī)構(gòu)等組成，液壓電 梯的動(dòng)力部分是由旋轉(zhuǎn)電機(jī)、液壓油泵控制閥、 油箱和油冷卻器組成，都比較復(fù)雜。而直線電機(jī) 電梯的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，而且由于自動(dòng)保持一 定的氣隙，沒有零件的摩擦，因而也就不會(huì)產(chǎn)生 磨損，這樣就可以使電梯運(yùn)行的可靠性大大提高， 維修保養(yǎng)也十分方便。 4)噪聲低

40、。直線電機(jī)電梯沒有減速器、旋轉(zhuǎn) 電機(jī)及液壓油泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的噪音，也沒有鋼 絲繩和曳引輪之間摩擦所產(chǎn)生的噪聲，而且鋼絲 繩的壽命也會(huì)大大提高。 9.6.5 用于高速磁懸浮列車用于高速磁懸浮列車 磁懸浮列車是21 世紀(jì)理想的超級(jí)特別快車， 世界各國(guó)都十分重視發(fā)展磁懸浮列車。目前，我 國(guó)和日本、德國(guó)、英、美等國(guó)都在積極研究這種 車。 目前世界上有三種類型的磁懸浮技術(shù)，它們 是常導(dǎo)電磁懸浮、超導(dǎo)電動(dòng)磁懸浮、永磁懸浮。 常導(dǎo)電磁懸浮由德國(guó)研發(fā)并擁有核心技術(shù)；超導(dǎo) 電動(dòng)磁懸浮由日本研發(fā)并擁有核心技術(shù)；永磁懸 浮由中國(guó)大連永磁懸浮課題組自主研發(fā)，是擁有 核心及相關(guān)技術(shù)發(fā)明專利的原始創(chuàng)新技術(shù)，是獨(dú) 立于德國(guó)

41、、日本磁懸浮技術(shù)之外的磁懸浮技術(shù)。 （1）常導(dǎo)電磁懸浮技術(shù) 圖9.28所示為常導(dǎo)高速磁懸浮列車模型。該 列車采用“異性相吸”原理設(shè)計(jì)，是“常導(dǎo)磁吸 型”（簡(jiǎn)稱“常導(dǎo)型”）直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)磁懸浮 列車。 利用安裝在列車兩側(cè)轉(zhuǎn)向架上的懸浮電磁鐵， 和鋪設(shè)在軌道上的磁鐵，在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的吸 力是車輛浮起來(lái)。 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的初級(jí)繞組裝在車廂底部， 次級(jí)反應(yīng)軌由鋁鋼復(fù)合板制成，固定在路基上。 反應(yīng)軌下面還裝有電磁鐵，電磁鐵從側(cè)面與車廂 連接在一起，控制電磁鐵的電流使電磁鐵和軌道 間保持1厘米的間隙，讓轉(zhuǎn)向架和列車間的吸引力 與列車重力相互平衡，利用磁鐵吸引力將列車浮 起1厘米左右，使列車懸浮在軌道上運(yùn)

42、行。這必須 精確控制電磁鐵的電流。 圖9.28 常導(dǎo)高速磁懸浮列車模型 懸浮列車的驅(qū)動(dòng)和同步直線電動(dòng)機(jī)原理一模 一樣。通俗說(shuō)，在位于軌道兩側(cè)的線圈里流動(dòng)的 交流電，能將線圈變成電磁體，由于它于列車上 的電磁體的相互作用，使列車開動(dòng)。列車頭部的 電磁體N極被安裝在靠前一點(diǎn)的軌道上的電磁體 S 極所吸引，同時(shí)又被安裝在軌道上稍后一點(diǎn)的電 磁體N極所排斥。 列車前進(jìn)時(shí)，線圈里流動(dòng)的電流方向就反過 來(lái)，即原來(lái)的S極變成N極，N極變成S極。循環(huán) 交替，列車就向前奔馳。 穩(wěn)定性由導(dǎo)向系統(tǒng)來(lái)控制?！俺?dǎo)型磁吸式” 導(dǎo)向系統(tǒng)，是在列車側(cè)面安裝一組專門用于導(dǎo)向 的電磁鐵。列車發(fā)生左右偏移時(shí)，列車上的導(dǎo)向 電磁鐵

43、與導(dǎo)向軌的側(cè)面相互作用，產(chǎn)生排斥力， 使車輛恢復(fù)正常位置。列車如運(yùn)行在曲線或坡道 上時(shí)，控制系統(tǒng)通過對(duì)導(dǎo)向磁鐵中的電流進(jìn)行控 制，達(dá)到控制運(yùn)行目的。 世界第一條磁懸浮列車示范運(yùn)營(yíng)線 上海 磁懸浮列車，是常導(dǎo)型磁懸浮列車。上海磁懸浮 列車時(shí)速430公里，一個(gè)供電區(qū)內(nèi)只能允許一輛 列車運(yùn)行，軌道兩側(cè)25米處有隔離網(wǎng)，上下兩側(cè) 也有防護(hù)設(shè)備。轉(zhuǎn)彎處半徑達(dá) 8000米，肉眼觀察 幾乎是一條直線；最小的半徑也達(dá) 1300米。乘客 不會(huì)有不適感。軌道全線兩邊 50米范圍內(nèi)裝有目 前國(guó)際上最先進(jìn)的隔離裝置 （2）超導(dǎo)電動(dòng)磁懸浮 圖9.29所示為超導(dǎo)電動(dòng)磁懸浮列車，基于直 線同步電動(dòng)機(jī)原理設(shè)計(jì)。直線同步電動(dòng)機(jī)

44、電樞繞 組埋在路基中間，勵(lì)磁繞組采用超導(dǎo)線圈，安裝 在車廂底部。 由于超導(dǎo)線圈能提供極強(qiáng)的磁場(chǎng)，因此這種 電機(jī)不需要鐵心。車廂底部?jī)蓚?cè)還裝有供磁懸浮 用的超導(dǎo)磁浮線圈，在其下方的地基中鋪有導(dǎo)電 鋁板，磁浮線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在鋁板中感生電流， 它們相互作用產(chǎn)生推斥力，使列車懸浮。這是一 種超導(dǎo)斥浮型高速列車。日本的超導(dǎo)磁懸浮列車 已經(jīng)過載人試驗(yàn)，即將進(jìn)入實(shí)用階段，運(yùn)行時(shí)速 可達(dá)500 千米以上。 圖9.29 超導(dǎo)電動(dòng)磁懸浮列車 （3）永磁懸浮技術(shù) 上述兩種方案各有利弊。超導(dǎo)斥浮型直線同 步電動(dòng)機(jī)初、次級(jí)之間的氣隙可以設(shè)計(jì)得比較大， 易于控制，但由于采用超導(dǎo)，且全程都必須設(shè)置 電樞繞組，因此總體成本高

45、；常導(dǎo)吸浮型直線感 應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙不能做得過大，否則電動(dòng)機(jī)的效 率和功率因數(shù)都偏低，所以它對(duì)控制系統(tǒng)的要求 較高，但成本要低不少。 永磁懸浮技術(shù)是中國(guó)自己擁有核心及相關(guān)技 術(shù)發(fā)明專利的原始創(chuàng)新技術(shù)。日本和德國(guó)的磁懸 浮列車在不通電的情況下，車體與槽軌是接觸在 一起的，而利用永磁懸浮技術(shù)制造出的磁懸浮列 車在任何情況下，車體和軌道之間都是不接觸的。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用自主研發(fā)的磁動(dòng)機(jī)技術(shù)。磁動(dòng) 機(jī)由永磁轉(zhuǎn)子輪和直線定子鐵靴構(gòu)成，定子與轉(zhuǎn) 子之間不接觸，依靠永磁場(chǎng)產(chǎn)生吸力或拉力，從 而驅(qū)動(dòng)磁懸浮列車運(yùn)行或制動(dòng)，它均布在列車動(dòng) 力艙內(nèi)，屬分散動(dòng)力裝置，是永磁懸浮列車的核 心技術(shù)之一。 磁動(dòng)機(jī)已經(jīng)在輕型吊軌

46、磁懸浮技術(shù)驗(yàn)證車 （中華06號(hào)，如圖9.30所示）的專用裝置上成功 試用，并在專用模擬圓周軌道上運(yùn)行成功。大連 正在建設(shè)目前世界最先進(jìn)的三公里永磁懸浮試驗(yàn) 線，運(yùn)行槽軌磁懸浮列車（中華 01號(hào)，如圖9.31 所示），最高速度可達(dá)每小時(shí) 320公里。 圖9.30 輕型吊軌磁懸浮技術(shù)驗(yàn)證車 圖9.31 槽軌磁懸浮列車微縮模型 永磁懸浮技術(shù)裝備的列車具有六個(gè)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)： 一是節(jié)能、環(huán)保，懸浮耗能少，列車在運(yùn)行過程 中噪音低；二是超強(qiáng)的運(yùn)載能力，運(yùn)輸能力相當(dāng) 于現(xiàn)行火車；三是安全，由于永磁懸浮采用車、 路一體化結(jié)構(gòu)與控制設(shè)計(jì)，杜絕發(fā)生追尾、撞車、 脫軌和翻車可能；四是路車綜合造價(jià)最低，綜合 造價(jià)遠(yuǎn)低于國(guó)外；五是運(yùn)行成本最低，國(guó)外磁懸 浮運(yùn)行成本略低于飛機(jī)，而永磁懸浮運(yùn)行成本低 于現(xiàn)行火車。 本 章 小 結(jié) 直線電動(dòng)機(jī)是一種做直線運(yùn)動(dòng)的電機(jī)，作為小功率控 制