1、新型特種電機及其發展趨勢新型特種電機及其發展趨勢直線電機直線電機一一 概概 述述一一 概概 述述電動機作為機電能量的轉換裝置電動機作為機電能量的轉換裝置, ,其應用范圍其應用范圍已遍及國民經濟的各個領域以及人們的日常生活已遍及國民經濟的各個領域以及人們的日常生活之中。之中。直線電機系統具有結構簡單、重量輕直線電機系統具有結構簡單、重量輕、慣慣性小、動態響應快、速度和加速度大、精確度高、性小、動態響應快、速度和加速度大、精確度高、振動和噪聲小等優點振動和噪聲小等優點, , 是各類超高速精密機床的是各類超高速精密機床的理想傳動方式，在各類高速、精密加工設備上具理想傳動方式，在各類高速、精密加工設備

2、上具有廣泛的應用前景。在旋轉電機無能為力的地方，有廣泛的應用前景。在旋轉電機無能為力的地方，如磁懸浮列車、液態金屆的輸送和攪拌、電子縫如磁懸浮列車、液態金屆的輸送和攪拌、電子縫紉機和磁頭定位裝置、沖壓機等紉機和磁頭定位裝置、沖壓機等方面，得到了廣方面，得到了廣泛應用。泛應用。二結構和工作原理二結構和工作原理二二 結構和工作原理結構和工作原理1. 1. 結構結構直線電機可以認為是旋轉電機在結構方面的一種演變，直線電機可以認為是旋轉電機在結構方面的一種演變，它可以看作是將一臺旋轉電機沿徑向剖開，然后將電機的圓它可以看作是將一臺旋轉電機沿徑向剖開，然后將電機的圓周展開成直線，如圖周展開成直線，如圖1

3、 1所示。由定子演變而來的一側稱為初所示。由定子演變而來的一側稱為初級，由轉子演變而來的一側稱為次級。級，由轉子演變而來的一側稱為次級。 a.沿徑向剖開b.把圓周展成直線圖1 由旋轉電機變為直線電機的過程二二 結構和工作原理結構和工作原理在圖在圖1 1中由旋轉電機演變而來的直線電機，其初級和次級長度是相等中由旋轉電機演變而來的直線電機，其初級和次級長度是相等的。由于在運行時初級與次級之間要作相對運動，如果在運動開始時，的。由于在運行時初級與次級之間要作相對運動，如果在運動開始時，初級與次級正巧對齊，那么在運動中，初級與次級之間互相耦合的部分初級與次級正巧對齊，那么在運動中，初級與次級之間互相耦

4、合的部分越來越少，而不能正常運動。為了保證在所需的行程范圍內，初級與次越來越少，而不能正常運動。為了保證在所需的行程范圍內，初級與次級之間的藕合能保持不變，實際應用時是將初級與次級制造成不同的長級之間的藕合能保持不變，實際應用時是將初級與次級制造成不同的長度。在直線電機制造時，即可以是初級短、次級長；也可以是初級長，度。在直線電機制造時，即可以是初級短、次級長；也可以是初級長，次級短。前者稱作短初級長次級，后者稱為長初級短次級。由于在制造次級短。前者稱作短初級長次級，后者稱為長初級短次級。由于在制造成本上，以及運行費用上短初級均比短次級低得多，因此，目前除特殊成本上，以及運行費用上短初級均比短

5、次級低得多，因此，目前除特殊需要外，一般均采用單邊型直線電機，僅在一邊安放短初級，見圖需要外，一般均采用單邊型直線電機，僅在一邊安放短初級，見圖2 2。這種結構的電機一個最大特點是在初級與次級之間存在一個很大的法向這種結構的電機一個最大特點是在初級與次級之間存在一個很大的法向吸力。一般這個法向吸力，在鋼次級時，若設計不當會是推力的吸力。一般這個法向吸力，在鋼次級時，若設計不當會是推力的1010倍以倍以上。在大多數的場合下，這種法向吸力是不希望存在的。如果在次級的上。在大多數的場合下，這種法向吸力是不希望存在的。如果在次級的兩邊都裝上初級，那么這個法向拉力可以相互抵消，這種結構型式稱為兩邊都裝上

6、初級，那么這個法向拉力可以相互抵消，這種結構型式稱為雙邊型，見圖雙邊型，見圖3 3。二二 結構和工作原理結構和工作原理圖2 單邊型直線電機圖3 雙邊型直線電機2.2. 工作原理工作原理初級繞組通入交流電源，便在氣隙中產生行波磁場，如初級繞組通入交流電源，便在氣隙中產生行波磁場，如圖圖4 4所示。次級在行波磁場切割下，將感應電動勢并產生電所示。次級在行波磁場切割下，將感應電動勢并產生電流，該電流與氣隙中的磁場相互作用就產生電磁推力。如果流，該電流與氣隙中的磁場相互作用就產生電磁推力。如果初級固定，則次級在推力的作用下做直線運動；反之，則初初級固定，則次級在推力的作用下做直線運動；反之，則初級作直

7、線運動，它把電能直接轉變為直線運動的機械能而無級作直線運動，它把電能直接轉變為直線運動的機械能而無中間變換裝置。中間變換裝置。二二 結構和工作原理結構和工作原理圖4 直線電機的基本工作原理與旋轉電機類似，當初級上通入交流電流時，在初級與旋轉電機類似，當初級上通入交流電流時，在初級和次級之間的氣隙中就會產生一個移動磁場，這個移動磁和次級之間的氣隙中就會產生一個移動磁場，這個移動磁場的速度，由旋轉磁場的理論可知，當繞組中的電流交變場的速度，由旋轉磁場的理論可知，當繞組中的電流交變一次，繞組產生的合成磁場在空間將移動過一對極距，若一次，繞組產生的合成磁場在空間將移動過一對極距，若電機的極距為電機的極

8、距為 (m) (m)，電源的頻率為，電源的頻率為 (Hz) (Hz)，則移動磁場的，則移動磁場的速度為速度為二二 結構和工作原理結構和工作原理2svf在移動磁場的作用下，次級中會產生感應電動勢，在移動磁場的作用下，次級中會產生感應電動勢，如果次級是由整塊鋼板或銅如果次級是由整塊鋼板或銅( (鋁鋁) )板制成，那么在導電板中板制成，那么在導電板中會產生感應電流，這個感應電流和移動磁場相互作用，就會產生感應電流，這個感應電流和移動磁場相互作用，就會產生電磁推力，使次級和初級之間產生相對運動。如果會產生電磁推力，使次級和初級之間產生相對運動。如果初級固定，則次級將會跟隨著移動磁場移動的方向運動。初級

9、固定，則次級將會跟隨著移動磁場移動的方向運動。(1)反之，若將次級固定，則初級將會朝著磁場移動的相反方反之，若將次級固定，則初級將會朝著磁場移動的相反方向運動。與旋轉電機一樣，運動部分的穩定速度向運動。與旋轉電機一樣，運動部分的穩定速度v v總是低于總是低于移動磁場的同步速從。它們之間的關系也用滑差率移動磁場的同步速從。它們之間的關系也用滑差率s s表示表示二二 結構和工作原理結構和工作原理ssvvsv(2)與旋轉電機一樣，通過對換任意兩相的電源接線，可與旋轉電機一樣，通過對換任意兩相的電源接線，可以實現三相直線電機的反方向運動。根據此原理，直線電以實現三相直線電機的反方向運動。根據此原理，直

10、線電機可以往復運動。機可以往復運動。三分類三分類三分類三分類直線電機的種類繁多，按不同的標準有不同的分類方直線電機的種類繁多，按不同的標準有不同的分類方法。法。圖圖5 5表示了直線電機的分類。表示了直線電機的分類。按結構型式分類，主要分為扁平型、圓筒型、圓盤型按結構型式分類，主要分為扁平型、圓筒型、圓盤型和圓弧型。其中扁平型直線電機有單邊型和雙邊型之分，和圓弧型。其中扁平型直線電機有單邊型和雙邊型之分，每種每種形式形式下又分別有短初級長次級或長初級短次級。下又分別有短初級長次級或長初級短次級。按功能用途分，主要分為力電機、功電機、能電機。按功能用途分，主要分為力電機、功電機、能電機。按工作原理

11、分，主要分為兩個大的方面，即直線電動按工作原理分，主要分為兩個大的方面，即直線電動機和直線驅動器，直線電動機包括交流直線感應電動機、機和直線驅動器，直線電動機包括交流直線感應電動機、交流直線同步電動機、直線直流電動機交流直線同步電動機、直線直流電動機、直線步進直線步進( (脈沖脈沖) )電動機電動機和和混合式直線電動機等。直線驅動器包括直線振蕩混合式直線電動機等。直線驅動器包括直線振蕩電動機、直線電磁螺線管電動機、直線電磁泵電動機、直線電磁螺線管電動機、直線電磁泵和和直線超聲直線超聲波電動機等。波電動機等。三分類三分類圖5 直線電機分類四應四應 用用四應四應 用用從從19711971年開始，直

12、線電機領域的研究人員通過對直線電機年開始，直線電機領域的研究人員通過對直線電機在歷史發展中多次起落的分析，終于選擇了一條適合直線電在歷史發展中多次起落的分析，終于選擇了一條適合直線電機自身發展的獨特思路，它不再與旋轉電機直接對抗，不以機自身發展的獨特思路，它不再與旋轉電機直接對抗，不以單機的形式與旋轉電機競爭，而以直線電機系統與旋轉電機單機的形式與旋轉電機競爭，而以直線電機系統與旋轉電機系統相比，從而找到適合于自己的系統與旋轉電機展開競爭。系統相比，從而找到適合于自己的系統與旋轉電機展開競爭。各類直線電機的應用得到了迅速的推廣，制成了許多具有實各類直線電機的應用得到了迅速的推廣，制成了許多具有

13、實用價值的裝置和產品。例如直線電機驅動的鋼管輸送機、運用價值的裝置和產品。例如直線電機驅動的鋼管輸送機、運煤機、起重機、空壓機、沖壓機、拉伸機、各種電動門、電煤機、起重機、空壓機、沖壓機、拉伸機、各種電動門、電動窗、電動編織機等等。特別可喜的是利用直線電機驅動的動窗、電動編織機等等。特別可喜的是利用直線電機驅動的磁懸浮列車，其速度己超過磁懸浮列車，其速度己超過500km/h500km/h，接近了航空的飛行速度，接近了航空的飛行速度，且運行行程己達數十萬千米。且運行行程己達數十萬千米。四應四應 用用我國直線電機的研究和應用發展是從二十世紀七十年代我國直線電機的研究和應用發展是從二十世紀七十年代開

14、始的，現在國內已出現了一支直線電機的開發、研究隊伍，開始的，現在國內已出現了一支直線電機的開發、研究隊伍，一些大專院校、科研單位和工廠積極開展了各類直線電機的一些大專院校、科研單位和工廠積極開展了各類直線電機的基本理論和開發應用的研究。自從基本理論和開發應用的研究。自從19821982年開始，全國直線電年開始，全國直線電機學術會議定期召開，會上既有論文的交流，也有新成果的機學術會議定期召開，會上既有論文的交流，也有新成果的展現。我國在直線電機的應用上也取得了可喜的成果，例如展現。我國在直線電機的應用上也取得了可喜的成果，例如浙江大學的直線電機窗簾機、直線電機沖床、圓盤直線電機浙江大學的直線電機

15、窗簾機、直線電機沖床、圓盤直線電機驅動并利用其電磁內熱的炒茶機，西安交通大學的一種新型驅動并利用其電磁內熱的炒茶機，西安交通大學的一種新型電磁打泊機，上海工業大學的浮法玻璃生產用的直線電機、電磁打泊機，上海工業大學的浮法玻璃生產用的直線電機、直線電機驅動的自動門，西南交通大學的磁懸浮列車等等。直線電機驅動的自動門，西南交通大學的磁懸浮列車等等。關于直線電機的應用，國內己有許多項專利。在理論研究上，關于直線電機的應用，國內己有許多項專利。在理論研究上，發表了不少文章，出版了一些書籍。發表了不少文章，出版了一些書籍。五發展現狀五發展現狀五發展現狀五發展現狀直線電機新產品研制較多。如日本古河電氣公司

16、研制的直線電機新產品研制較多。如日本古河電氣公司研制的超導直線電機；美國柏特魯瑪機電公司研制的微步距直線電超導直線電機；美國柏特魯瑪機電公司研制的微步距直線電機；重慶再力機電控制研究所研制的機；重慶再力機電控制研究所研制的5.7BYG5.7BYG型直線當量電機型直線當量電機等。等。新原理直線電機不斷出現。近年來隨著電子技術的發展，新原理直線電機不斷出現。近年來隨著電子技術的發展，辦公、家庭自動化設備等的迅速發展，使得新原理直線電機辦公、家庭自動化設備等的迅速發展，使得新原理直線電機的應用獲得很大進展。如日本電氣公司研制的壓電驅動式直的應用獲得很大進展。如日本電氣公司研制的壓電驅動式直線電機；日

17、本東京新生工業公司開始實用化研究的超聲波直線電機；日本東京新生工業公司開始實用化研究的超聲波直線電機，還有薄膜直線電機等相繼出現。線電機，還有薄膜直線電機等相繼出現。微特型直線電機發展較快。隨著自動控制技術和微型計微特型直線電機發展較快。隨著自動控制技術和微型計算機應用的發展，用在計算機外圍設備、自動化儀器儀表、算機應用的發展，用在計算機外圍設備、自動化儀器儀表、以及需要直線位移及運動的機械設備中的微特型直線電機，由于以及需要直線位移及運動的機械設備中的微特型直線電機，由于其具有精度高、反應靈敏、快速等特點，使得儀器設備總體結構其具有精度高、反應靈敏、快速等特點，使得儀器設備總體結構簡單，體積

18、小，成本低，因而，微特型直線電機是一種大有發展簡單，體積小，成本低，因而，微特型直線電機是一種大有發展前途的直線電機。前途的直線電機。直線電機在交通運輸業、建筑業中的應用和研究正在興起。直線電機在交通運輸業、建筑業中的應用和研究正在興起。如德國研究的常導吸浮型磁懸浮列車、日本研究的超導斥浮型磁如德國研究的常導吸浮型磁懸浮列車、日本研究的超導斥浮型磁懸浮列車都實現了試驗運行；上海浦東磁懸浮列車線采用德國技懸浮列車都實現了試驗運行；上海浦東磁懸浮列車線采用德國技術，已經成為世界上第一條商業運行的磁懸浮列車線。在直線電術，已經成為世界上第一條商業運行的磁懸浮列車線。在直線電機驅動的電梯方面，日本進行

19、了大量的研究，并有產品已實用化。機驅動的電梯方面，日本進行了大量的研究，并有產品已實用化。直線電機理論發展也取得了很大的發展，在直線電機的電磁直線電機理論發展也取得了很大的發展，在直線電機的電磁場理論研究和控制策略的研究方面的文章有陸續報導。場理論研究和控制策略的研究方面的文章有陸續報導。五發展現狀五發展現狀六發展趨勢六發展趨勢六發展趨勢六發展趨勢 1 1技術日益成熟技術日益成熟直線電機及其驅動控制系統在技術上已日趨成熟，已具直線電機及其驅動控制系統在技術上已日趨成熟，已具有傳統傳動裝置無法比擬的優越性能。過去人們所擔心的有傳統傳動裝置無法比擬的優越性能。過去人們所擔心的直線電機推力體積大、溫

20、升高、可靠性差、不安全、難安直線電機推力體積大、溫升高、可靠性差、不安全、難安裝、難防護等問題，隨著電機制造技術的改進，已不再是裝、難防護等問題，隨著電機制造技術的改進，已不再是大問題。而驅動與控制技術的發展又為其性能拓展和安全大問題。而驅動與控制技術的發展又為其性能拓展和安全性提供了保證。選擇合適的直線電機及驅動控制系統，配性提供了保證。選擇合適的直線電機及驅動控制系統，配以合理的機床設計，完全可以生產出高性能、高可靠性的以合理的機床設計，完全可以生產出高性能、高可靠性的機床。現在直線電機驅動進給速度機床?，F在直線電機驅動進給速度100m/min100m/min，加速度，加速度1 12g2g

21、的機床已很普遍，已有機床達到快進的機床已很普遍，已有機床達到快進240m/min240m/min，加速度，加速度5g5g的指標（日本的指標（日本AMADAAMADA激光切割機），高速度高加速度的傳動激光切割機），高速度高加速度的傳動已在加工中心、數控銑床、車床、磨床、復合加工機床、已在加工中心、數控銑床、車床、磨床、復合加工機床、激光加工機床及重型機床上得到廣泛應用。激光加工機床及重型機床上得到廣泛應用。六發展趨勢六發展趨勢 2 2應用廣泛應用廣泛直線電機已經被廣泛的應用于各個領域。目前，直線電機進直線電機已經被廣泛的應用于各個領域。目前，直線電機進入了獨立的應用時代，在這個時代，各類直線電機

22、的應用得到了入了獨立的應用時代，在這個時代，各類直線電機的應用得到了迅速的推廣，制成了許多具有實用價值的裝置和產品，例如直線迅速的推廣，制成了許多具有實用價值的裝置和產品，例如直線電機驅動的鋼管輸送機、運煤機、起重機、空壓機、沖壓機、拉電機驅動的鋼管輸送機、運煤機、起重機、空壓機、沖壓機、拉伸機、各種電動門、電動窗、電動紡織機等。特別可喜的是利用伸機、各種電動門、電動窗、電動紡織機等。特別可喜的是利用直線電機驅動的磁懸浮列車，其速度已超直線電機驅動的磁懸浮列車，其速度已超500km/h500km/h，接近了航空，接近了航空的飛行速度，且試驗行程累計已達數十萬千米。同時的飛行速度，且試驗行程累計已達數十萬千米。同時