直线感应电机是将电能直接转化为直线运动的机械装置。自从1917年出现台圆筒型直线电机,至今已有近100 年的发展历程。按照结构型式的不同,直线电机可分为扁平型直线电机和圆筒型直线电机。
如图8-1(a)所示,如果将笼型转子感应电动机沿径向剖开,并将电机的圆周展开成直线,就得到图8一l(b)所示的扁平型直线感应电动机.其中定子与初级对应,转子与次级对应 图8-1(b)所示的直线电机,其初级和次级的长度是相等的。由于初级和次级之间要做相对运动,因此为保证初级与次级之间的磁耦台保持不变,实际应用中初级和次级的长度是不相等的。图8—2所示为扁平型单边直线感应电动机,如果初级的长度较短,则称为短初级;反之,则称为短次级。由于短初级结构比较简单,成本较低,所以使用较多,只有在特殊情况下才使用短次级。
图8—2所示的直线电机仅在次级的一边具有初级,这种结构称为单边型。单边型除了产生切向力外,还会在初、次级之间产生较大的法向力,这对电机的运行是不利的。所以.为了充分利用次级和消除法向力.可以在次级的两侧都装上初级,这种结构称为双边型,如图8—3所示。
如果把扁平型直线电机的初级和次级按图8-4(a)所示的箭头方向卷曲,就形成了图8—4(b)所示的圆筒型直线电机。在扁平型直线电机中,初级线圈是菱形的.这与普通旋转电机是相同的。菱形线圈端部的作用是使电流从一个极流向另一个极。在圆筒型直线电机中,把菱形线圈卷曲起来.就不需要线圈的端部,而成为饼式线圈,这样可以大大简化制造工艺。还有一种实心转子感应电动机。它的定子和普通笼型转子感应电动机是一样的,转子是实心钢块。实心转子既作为导磁体又作为导电体,气隙磁场也会在钢块中感生电流。产生电磁转矩,驱动转子旋转。图8 -2、图8—3和图8 4所示的直线电机实际上都是由实心转子感应电动机演变而来的,所以次级均没有笼型导条。
直线感应电动机分为平板形单边式、平板形双边式、圆筒形,短定子方式和短转子方式,电源可以是单相或三相。以单边式直线感应电动机为例,它由定子和动体组成。定子也称为初级,它由冲上齿槽的电工钢片叠压而成,槽里嵌有绕组。动体也称为次级导体,一般是用铜或铝制成的金属板。定子和动体之间有一定的距离,也就是气隙。当定于绕组通入单相或三相交流电时,就产生由下式表达的磁通密度B,即B=B0cos(ωt-πx/τ), ω=2πf,x定子表面上的距离,τ极距。极矩是磁通密度的半波长,也就是等于半个周期长度,磁通密度是t的函数也是距离x的函数。这种用t和x作为函数的磁通密度称行波磁场,这与旋转感应电动机的旋转磁场是同一个原理。如上所述,通入交流电后在定子中产生的磁通,根据楞次定律,在动体的金属板上感应出涡流。设引起涡流的感应电压为E,金属板上有电感L和电阻R,则金属板上的涡流电流为I=E/z,涡流电流和磁通密度将按费来明法则产生连续的推力F。有正负推力,但正推力远大于负推力,作用于动体的力主要是正推力,这就是直线感应电动机的工作原理。 直线感应电动机的驱动装置可以采用变频器。变频器的输出频率可在控制信号的作用下得到控制,可以进行逻辑控制或闭环控制。变频器输出不同的频率,产生的推力将作相应的变化。由于定子的两个线圈中的频率不同,导致了行波磁场的同步变化,从而使电动机的推力从0到值作周期性变化。
采用直线电机驱动的设备,由于省去了中间传动机构,具有结构简单、运行可靠、响应快、精度高等优点,因此被广泛应用在机床、抽油机、电磁泵、电磁阀门、真空断路器等需要直线驱动的领域。
直线感应电动机与旋转感应电动机在工阼原理上并无本质区别.只是所得到的机械运动方式不同而已。但是两者在电磁性能上却存在很大的差剧,主要表现在以下三个方面:
(1)旋转感应电动机定子三相绕组是对称的.因而若所施加的三相电压对称.则三相电流就是对称的。但直线感应电动机的初级三相绕组在空问位置上是不对称的.位于边缘的线圈与位于中问的线圈相比.其电感值相差很大.也就是说:相电抗是不相等的。因此,即使三相电压对称.三相绕组电流也不对称。
(2)旋转感应电动机定、转子之问的气隙是圆形的,无头无尾,连续不断.不存在始端和终端。但直线感应电动机初、次级之间的气隙存在着始端和终端。当次级的一端进入或退出气隙时.都会在次级导体中感应附加电流.这就是所谓的”边缘效应”。由于边缘效应的影响,直线感应电动机与旋转感应电动机在运行特性上有较大的不同。
(3)由于直线感应电动机初、次级之问在直线方向上要延续一定的长度,且法向电磁力往往不均匀,因此在机械结构上一般将初、次级之间的气隙做得较长.这样.其功率因数比旋转感应电动机还要低。
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