直線感應(yīng)電機(jī)及其應(yīng)用課件

直線感應(yīng)電機(jī)及其應(yīng)用2.直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理3.直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的邊端效應(yīng)4.直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路和基本特性5.直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)主要內(nèi)容6.本人在直線電機(jī)方面開(kāi)展的工作1.直線電機(jī)的發(fā)展歷史1.直線電機(jī)的發(fā)展歷史

直線電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，它將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。

在許多裝置中需要直線運(yùn)動(dòng)，若采用旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，需要通過(guò)中間轉(zhuǎn)換裝置。中間轉(zhuǎn)換傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的存在，使整機(jī)存在著體積大、效率低、精度差、噪聲大等問(wèn)題。1.直線電機(jī)的發(fā)展歷史國(guó)內(nèi)從事直線電機(jī)研究的單位：浙江大學(xué)；中科院電工所；河南理工大學(xué)；東南大學(xué)；山東大學(xué)；西安交通大學(xué)；沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)；太原理工大學(xué)；上海電機(jī)廠；哈爾濱泰富電氣有限公司等。國(guó)內(nèi)從事直線電機(jī)研究的人員：早期：龍遐令；胡之光；陳世坤；顧積棟；凌金福；蔡廷錫；陳永校；熊光煜；喬忠壽；袁世鷹；程樹(shù)前等當(dāng)前：葉云岳；金能強(qiáng)；郭慶鼎；盧琴芬；焦留成；汪旭東；胡敏強(qiáng)等。電機(jī)旋轉(zhuǎn)電機(jī)直線電機(jī)直線感應(yīng)電機(jī)直線同步電機(jī)直線直流電機(jī)直線步進(jìn)電機(jī)直線特種電機(jī)變壓器2.直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理2.1直線電機(jī)的分類(lèi)2.直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理2.2直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖1旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)示意圖a）旋轉(zhuǎn)電機(jī)b)直線電機(jī)

饋電的一側(cè)稱(chēng)為初級(jí)，無(wú)饋電的一側(cè)稱(chēng)為次級(jí)。靜止的一側(cè)稱(chēng)為定子，運(yùn)動(dòng)的一側(cè)稱(chēng)為動(dòng)子。

初級(jí)和次級(jí)長(zhǎng)度相等的直線電機(jī)不能正常運(yùn)行，根據(jù)其長(zhǎng)度的不同，可分為短初級(jí)型和短次級(jí)型。圖3單邊型直線感應(yīng)電機(jī)a)短初級(jí)b)短次級(jí)2.直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理圖4雙邊型直線感應(yīng)電機(jī)a)短初級(jí)b）短次級(jí)2.直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理直線感應(yīng)電機(jī)的次級(jí)，分為磁性次級(jí)、非磁性次級(jí)和復(fù)合次級(jí)三種。磁性次級(jí)的材料為低碳鋼板，非磁性次級(jí)的材料為銅或鋁，復(fù)合次級(jí)是二者的復(fù)合，如圖5所示。由于低碳鋼板的導(dǎo)電性能不好，所以磁性次級(jí)的直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)效率較低。非磁性次級(jí)的直線電動(dòng)機(jī)，由于次級(jí)材料的導(dǎo)磁性能差，因此功率因數(shù)較低。復(fù)合次級(jí)的直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有較好的性能指標(biāo)。2.直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理a)磁性次級(jí)b)非磁性次級(jí)c)復(fù)合次級(jí)圖5直線感應(yīng)電機(jī)的次級(jí)橫截面圖

由于直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電磁氣隙（2~10mm）較旋轉(zhuǎn)電機(jī)的（0.2~1mm）大得多，加之邊端效應(yīng)的影響，直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率較同容量旋轉(zhuǎn)電機(jī)低。3）圓弧型和圓盤(pán)形直線感應(yīng)電機(jī)圖7圓弧型直線電動(dòng)機(jī)圖8圓盤(pán)型直線電機(jī)2.直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理2.3直線感應(yīng)電機(jī)的工作原理圖9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)

三相繞組中通入三相對(duì)稱(chēng)正弦電流，產(chǎn)生行波氣隙磁場(chǎng)。其磁場(chǎng)移動(dòng)速度用vs（m/s）表示，稱(chēng)為同步速度，且式中，τ為極距；f為電源頻率。

行波磁場(chǎng)切割次級(jí)導(dǎo)體，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生電流。電流與氣隙磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁推力。次級(jí)在推力作用下順著行波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向作直線運(yùn)動(dòng)，動(dòng)子移動(dòng)速度用v表示，轉(zhuǎn)差率用s表示，則有

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，s在0和1之間。2.直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理3.直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)3.1縱向邊端效應(yīng)及其改善1）三相繞組不對(duì)稱(chēng)引起的負(fù)序和零序磁場(chǎng)

與旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同，由于直線電機(jī)的鐵心兩端是開(kāi)斷的，鐵心及安置在其槽中的繞組在兩端不連續(xù)，所以各相之間的互感就不相等，即使在初級(jí)繞組加三相對(duì)稱(chēng)的電壓，各相繞組中的電流也不對(duì)稱(chēng)。利用對(duì)稱(chēng)分量法可以把不對(duì)稱(chēng)的電流分解成正序、負(fù)序和零序分量。對(duì)應(yīng)這三種電流將產(chǎn)生正向行波磁場(chǎng)、反向行波磁場(chǎng)和脈振磁場(chǎng)。后兩類(lèi)磁場(chǎng)在次級(jí)運(yùn)行過(guò)程中將產(chǎn)生阻力并產(chǎn)生附加損耗。

隨著時(shí)間的變化，磁動(dòng)勢(shì)曲線相對(duì)于初級(jí)鐵心是移動(dòng)的，因此在上、下鐵心的端面之間所作用的磁動(dòng)勢(shì)將隨時(shí)間做正弦變化。與此相對(duì)應(yīng)，分路磁通Φsh和磁通密度Bsh隨時(shí)間按正弦規(guī)律脈振。這種磁場(chǎng)在有效區(qū)域內(nèi)與空間位置無(wú)關(guān)，因此，它與通常的行波磁場(chǎng)不同，常被稱(chēng)為脈振磁場(chǎng)。3）靜態(tài)縱向邊端效應(yīng)

鐵心開(kāi)斷所產(chǎn)生的脈振磁場(chǎng)、反向磁場(chǎng)存在的現(xiàn)象，稱(chēng)為直線感應(yīng)電機(jī)的靜態(tài)縱向邊端效應(yīng)。3.直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)4）動(dòng)態(tài)縱向邊端效應(yīng)圖11直線感應(yīng)電機(jī)的縱向邊端效應(yīng)

對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，轉(zhuǎn)子以同步速旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流等于0。而對(duì)于直線電動(dòng)機(jī)，次級(jí)以同步速移動(dòng)，當(dāng)時(shí)間為t0、t1、t2、t3和t4時(shí)，次級(jí)導(dǎo)體上電路C的相應(yīng)位置是C0，C1，C2，C3和C4。當(dāng)C在C0、C2和C4位置時(shí)，電路中沒(méi)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；但是當(dāng)C在C1和C3位置時(shí)，在電路C中就有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流產(chǎn)生。這種感生電流稱(chēng)為動(dòng)態(tài)縱向邊端效應(yīng)電流，它會(huì)產(chǎn)生附加損耗和附加力。3.直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)5）削弱縱向邊端效應(yīng)的方法方法1：三相繞組換位接法圖12消除負(fù)序和零序電流的一種方法a)第一臺(tái)電機(jī)；b)第二臺(tái)電機(jī)；c)第三臺(tái)電機(jī)；c）三相繞組換位的Y接；e)三相繞組換位的Δ接3.直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)

圖13補(bǔ)償原件安裝位置示意圖3.直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)3.2橫向邊端效應(yīng)及其改善1）橫向邊端效應(yīng)圖14次級(jí)電流路徑

一般直線感應(yīng)電機(jī)的次級(jí)是導(dǎo)電板，而不是鼠籠條，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，次級(jí)板中的電流如圖14所示，電流不但有橫向分量，還有縱向分量?？v向分量的存在，產(chǎn)生橫向邊端效應(yīng)。橫向邊端效應(yīng)使次級(jí)的等效電阻增大。3.直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)2）削弱橫向邊端效應(yīng)的措施

適當(dāng)加大次級(jí)板的寬度，如圖15所示。圖15次級(jí)伸出的雙邊直線感應(yīng)電機(jī)的橫截面圖3.直線感應(yīng)電機(jī)的邊端效應(yīng)1）推力-速度特性4.2基本特性圖17直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的推力-速度特性的比較圖18近似直線的推力-速度特性Fst為起動(dòng)推力，Vs為同步速度，F(xiàn)u為摩擦力，Vf為空載速度4.直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路和基本特性2）推力-氣隙特性3）電流-氣隙特性圖19推力-氣隙特性圖20電流-氣隙特性4.直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路和基本特性隨著氣隙的增加，電流增加，推力減小。直線感應(yīng)電機(jī)輪軌交通

我國(guó)的直線電機(jī)地鐵已建成的有北京國(guó)際機(jī)場(chǎng)線、廣州4、5、6號(hào)地鐵線。采用直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，長(zhǎng)次級(jí)短初級(jí)結(jié)構(gòu)。短初級(jí)裝在車(chē)上，長(zhǎng)次級(jí)（感應(yīng)板）鋪設(shè)在軌道中間，初、次級(jí)相互作用產(chǎn)生推力。依靠鋼輪-鋼軌系統(tǒng)進(jìn)行支撐和導(dǎo)向。世界上大部分直線電機(jī)輪軌交通采用這種方式。圖25北京國(guó)際機(jī)場(chǎng)線線路圖圖24北京國(guó)際機(jī)場(chǎng)線5.直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)圖26長(zhǎng)次級(jí)感應(yīng)板圖27分段長(zhǎng)初級(jí)5.直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)直線電機(jī)輪軌交通系統(tǒng)的特點(diǎn)1)爬坡能力強(qiáng)

由于車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)是依靠直線電機(jī)所產(chǎn)生的電磁力來(lái)推進(jìn)，而車(chē)輛車(chē)輪僅起支撐承載作用，不傳遞力，不再受到輪軌黏著因素的制約。因此，車(chē)輛可以獲得很強(qiáng)的起動(dòng)、加速和減速動(dòng)力性能，尤其具有突出的爬坡能力，線路最大坡度可以允許在8%以上，傳統(tǒng)的地鐵車(chē)輛最大允許3%，并能在惡劣的環(huán)境和軌面條件下保持良好的性能。圖28爬坡能力的比較5.直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)2)轉(zhuǎn)彎半徑小

由于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，車(chē)輪不再傳遞牽引/制動(dòng)力，所以軸箱定位結(jié)構(gòu)可以大大簡(jiǎn)化，這樣就很容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的徑向轉(zhuǎn)向架，提高了車(chē)輛的曲線通過(guò)性能和運(yùn)行平穩(wěn)性。由于轉(zhuǎn)向架具有徑向功能且軸距小，使地鐵運(yùn)營(yíng)線路的最小曲線半徑可低到80m左右，傳統(tǒng)的地鐵車(chē)輛要250m以上。圖29轉(zhuǎn)彎半徑的比較5.直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)3)橫斷面結(jié)構(gòu)的小型化

由于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式不需要中間傳動(dòng)裝置，因此可以采用小的車(chē)輪直徑610mm，傳統(tǒng)地鐵車(chē)輛為860mm。再者，由于不需要旋轉(zhuǎn)電機(jī)的懸掛安裝空間，車(chē)輛地板面可降至距軌面700mm，傳統(tǒng)地鐵車(chē)輛為1100mm以上。綜合各項(xiàng)小型化措施，使該型地鐵車(chē)輛的橫斷面面積大大減小，與傳統(tǒng)地鐵車(chē)輛相比大約減少40%。圖30普通地鐵與直線電機(jī)地鐵隧道斷面比較5.直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)4)降低振動(dòng)和噪聲

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的地鐵車(chē)輛，沒(méi)有齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒合振動(dòng)和噪聲；車(chē)輪也不是驅(qū)動(dòng)輪，沒(méi)有動(dòng)力輪對(duì)與鋼軌蠕滑滾動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲；徑向轉(zhuǎn)向架良好的曲線通過(guò)性能，避免了過(guò)曲線時(shí)輪軌沖角帶來(lái)的振動(dòng)和噪聲。所以該型地鐵車(chē)輛具有振動(dòng)小，噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，有利于環(huán)境保護(hù)。5.直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)5)良好的安全性和可靠性

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)地鐵車(chē)輛是典型的非黏著驅(qū)動(dòng)方式，牽引/制動(dòng)性能發(fā)揮不依賴于環(huán)境，是一種全天候的運(yùn)載工具。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電磁力的分力是輪軌間產(chǎn)生一定的附加壓力，有利于提高輪軌運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，因此其安全性指標(biāo)高。取消了旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所必需的滾動(dòng)軸承、傳動(dòng)齒輪，磨損小，大大提高了車(chē)輛運(yùn)行的可靠性和可維護(hù)性，維修工作量較小，維護(hù)成本較低。5.直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)6)良好的編組靈活性和運(yùn)營(yíng)適應(yīng)性

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的地鐵車(chē)輛具有比傳統(tǒng)車(chē)輛更強(qiáng)的加減速性能，有更高的停車(chē)位置控制精度，因此更容易實(shí)現(xiàn)小編組，高密度，自動(dòng)駕駛的運(yùn)行模式?？梢砸?~6輛靈活編組，適應(yīng)不同的客流量需要。采用鋼車(chē)輪和鋼軌來(lái)支撐和引導(dǎo)車(chē)輛運(yùn)行，所以仍可采用長(zhǎng)期運(yùn)用成熟的、安全可靠的軌道電路信號(hào)系統(tǒng)來(lái)實(shí)行對(duì)列車(chē)的信號(hào)傳輸，運(yùn)行監(jiān)控和集中調(diào)度，運(yùn)營(yíng)適應(yīng)性較好。5.直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)7)低效率、低功率因數(shù)

地鐵車(chē)輛上工程應(yīng)用的直線電機(jī)，由于車(chē)載定子與地面轉(zhuǎn)子是處在一個(gè)相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)的彈性(軸箱垂向彈性定位)系統(tǒng)間，不可避免地會(huì)造成相互間隙變化，因此氣隙設(shè)計(jì)的不能太小，否則會(huì)導(dǎo)致不安全因素，一般定在12mm左右。再加上直線電機(jī)是有端部的，因此漏磁場(chǎng)較大，機(jī)電能量轉(zhuǎn)化率低，所以直線電機(jī)效率較低，一般在70%~80%之間，功率因數(shù)也較低，一般在0.5~0.6之間。5.直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)項(xiàng)目MKⅡ型車(chē)輛東京大江戶線廣州地鐵4號(hào)線極數(shù)688電壓/V57011001100持續(xù)電流/A400170162峰值電流/A550210最大推力/kN18.613.2最大功率/kW187120155吸力/kN2526重量/kg64014001550長(zhǎng)度/m2.23鐵心長(zhǎng)度/m1.952.476寬度/m0.67鐵心寬度/m0.3660.3冷卻方式強(qiáng)迫風(fēng)冷自然冷卻自然冷卻氣隙/mm1212105.2其他應(yīng)用直線電機(jī)推車(chē)機(jī)直線電機(jī)沖床直線電機(jī)電梯直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)數(shù)控機(jī)床電磁炮5.3直線電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)1）電機(jī)本體高精度、大容量永磁直線電機(jī)直線振蕩電機(jī)2）控制技術(shù)矢量控制技術(shù)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)無(wú)位置傳感技術(shù)6.本人在直線電機(jī)方面進(jìn)行的工作1）直線電機(jī)推車(chē)機(jī)電機(jī)磁性次級(jí)，功率因數(shù)0.4左右；復(fù)合次級(jí)功率因數(shù)0.6左右。Holmse直線感應(yīng)電機(jī)可提高功率因數(shù)。6.本人在直線電機(jī)方面進(jìn)行的工作副繞組串電容的直線感應(yīng)電機(jī)可提高功率因數(shù)、推力、削弱諧波。6.本人在直線電機(jī)方面進(jìn)行的工作2）對(duì)定、動(dòng)子極距不等的同步直線電機(jī)進(jìn)行分析上海磁懸浮線，采用同步直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定子為三相單層集中繞組。定子極距258mm，動(dòng)子極距266.5mm。定、動(dòng)子極距不等，可以削弱齒槽力、削弱諧波