分析 | 直線感應(yīng)電機(jī)的分類結(jié)構(gòu)與工作原理

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直線感應(yīng)電機(jī)是一種沒有從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)的變換裝置，能將電能直接轉(zhuǎn)換成直線機(jī)械能的電力傳動(dòng)裝置。

?一、直線感應(yīng)電機(jī)分類及結(jié)構(gòu)

直線感應(yīng)電機(jī)主要有扁平型、圓筒型和圈盤型3種類型，其中扁平型應(yīng)用最為廣泛。

1.扁平型

直線感應(yīng)電機(jī)可以看作是由旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)電機(jī)演變而來的。設(shè)想把旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)沿徑向剖開，并將圓周展開成直線，即可得到扁平型直線感應(yīng)電機(jī)(圖1示：旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)化為直線感應(yīng)電機(jī))。由定子演變而來的一側(cè)稱為一次側(cè)，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為二次側(cè)。

由于運(yùn)行時(shí)一次側(cè)和二次側(cè)之間要作相對運(yùn)動(dòng)，為了保證在所需的行程范圍內(nèi)，一次側(cè)和二次側(cè)之間的電磁耦合始終不變，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須把一次側(cè)和二次側(cè)制造成不同長度，既可以是一次側(cè)長、二次側(cè)短，也可以是一次側(cè)短，二次側(cè)長。前者稱為長一次側(cè)，后者稱短一次側(cè)(如圖2所示扁平型直線感應(yīng)電機(jī))。由于短一次側(cè)結(jié)構(gòu)比較簡單，制造成本和運(yùn)行費(fèi)用均比較低，故除特殊場合外，一般均采用短一次側(cè)。

在圖2中所示的扁平型直線感應(yīng)電機(jī)，僅在二次側(cè)的一邊具有一次側(cè)，這種結(jié)構(gòu)形式稱為單邊型。它的最大特點(diǎn)是在—次側(cè)和二次側(cè)之間存在較大的反向吸力，這在大多數(shù)場合下是不希望發(fā)生的。若在二次側(cè)的兩邊都裝上一次側(cè)，則反向吸力可以互相抵消，這種結(jié)構(gòu)形式稱為雙邊型，如圖3所示雙邊型直線感應(yīng)電機(jī)。

扁平型直線感應(yīng)電機(jī)的—次側(cè)鐵芯由硅鋼片疊成，與二次側(cè)相對的一面開有槽，槽中放置繞組。繞組可以是單相、兩相、三相或多相的。二次側(cè)有兩種結(jié)構(gòu)類型：一種是柵型結(jié)構(gòu)，鐵芯上開槽，槽中放置導(dǎo)條;并用端部導(dǎo)條連接所有槽中導(dǎo)條;另一種是實(shí)心結(jié)構(gòu)，采用整塊均勻的金屬材料，可分為非磁性二次側(cè)和鋼二次側(cè)。非磁性二次側(cè)的導(dǎo)電性能好，一般為銅或鋁。

2.圓筒型

將圖2中a所示的扁平型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)沿著和直線運(yùn)動(dòng)相垂直的的方向卷成筒形，就形成了圓筒型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(如圖4所示圓筒型直線感應(yīng)電機(jī)的演變)。在特殊場合，這種電動(dòng)機(jī)還可以制成既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又有直線運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)直線電動(dòng)機(jī)。旋轉(zhuǎn)直線的運(yùn)動(dòng)體可以是一次側(cè)，也可以是二次側(cè)。

3.圓盤型

圓盤型直線感應(yīng)電機(jī)如圖5所示，它的二次側(cè)做成扁平的圓盤形狀，能繞通過圓心的軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)：將一次側(cè)放在二次側(cè)圓盤靠外邊緣的平面上，使圓盤受切向力作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。但其運(yùn)行原理和設(shè)計(jì)方法與扁平型直線感應(yīng)電機(jī)相同，故仍屬直線電機(jī)范疇。與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a) 轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)速度可以通過多臺(tái)一次側(cè)組合或者通過一次側(cè)在圓盤上的徑向位置來調(diào)節(jié)。

b) 無需經(jīng)過齒輪減速箱就能得到較低的轉(zhuǎn)速，因而電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲很小。

二、直線感應(yīng)電機(jī)工作原理

直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是由旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)演變而來。當(dāng)一次側(cè)的三相(或多相)繞組通入對稱正弦交流電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生氣隙磁場。當(dāng)不考慮由于鐵芯兩端開斷而引起的縱向邊緣效應(yīng)時(shí)，這個(gè)氣隙磁場的分布情況與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相似，沿著直線方向按正弦規(guī)律分布。但它不是旋轉(zhuǎn)而是沿著直線平移，稱為行波磁場(如圖6中1曲線所示)。顯然行波磁場的移動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)磁場在定子內(nèi)圓表面上的線速度是一樣的，行波磁場移動(dòng)的速度稱為同步速度。

(1：行波磁場，2：二次側(cè)，3：一次側(cè))

式中：

D——旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)定手內(nèi)圓周的直徑;

t——極距，t=πD/2p;

P——極對數(shù);

f1——電源的頻率。

行波磁場切割二次側(cè)導(dǎo)條，將在導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和電流，導(dǎo)條的電流和氣隙磁場相互作用，產(chǎn)生切向電磁力。如果一次側(cè)固定不動(dòng)，則二次側(cè)便在這個(gè)電磁力的作用下，順著行波磁場的移動(dòng)方向作直線運(yùn)動(dòng)。若二次側(cè)移動(dòng)的速度用v表示，轉(zhuǎn)差率用s表示，則有

電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，s在0~1之間。

二次側(cè)移動(dòng)速度為：

可見，改變極距或電源頻率，均可改變二次側(cè)移動(dòng)的速度;改變一次繞組中通電相序，可改變二次側(cè)移動(dòng)的方向。

三、直線感應(yīng)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)區(qū)別

直線感應(yīng)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)在工阼原理上并無本質(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劇，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1. 旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)定子三相繞組是對稱的，因而若所施加的三相電壓對稱，則三相電流就是對稱的。但直線感應(yīng)電機(jī)的初級三相繞組在空間位置上是不對稱的，位于邊緣的線圈與位于中間的線圈相比，其電感值相差很大。也就是說：相電抗是不相等的。因此，即使三相電壓對稱，三相繞組電流也不對稱。

2. 旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙是圓形的，無頭無尾，連續(xù)不斷，不存在始端和終端。但直線感應(yīng)電機(jī)初、次級之間的氣隙存在著始端和終端。當(dāng)次級的一端進(jìn)入或退出氣隙時(shí)，都會(huì)在次級導(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)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)在運(yùn)行特性上有較大的不同。

3. 由于直線感應(yīng)電機(jī)初、次級之間在直線方向上要延續(xù)一定的長度，因此在機(jī)械結(jié)構(gòu)上一般將初、次級之間的氣隙做得較長。這樣，其功率因數(shù)比旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)還要低。