直流電動機 直線電動機不需要任何中間轉換機構就能產生直線運動，驅動直線運動的生產機械，因此可使系統結構簡單、運行可靠、精度和效率高。由于具有以上優點，直線電動機應用非常廣泛。直線電動機的類型很多，從原理上講，每一種旋轉電動機都有與之相對應的直線電動機。直線電動機按其工作原理可分為直線感應電動機、直線直流電動機、直線同步電動機、 直線步迸電動機等。按結構形式可分為扇平型、圓筒型（或管型）、圓盤型和圓弧型4種。此外還有一些特殊的結構。一、直線感應電動機（一）、直線感應電動機的主要類型和基本結構直線感應電動機主要有扁平型、圓筒型和圈盤型3種類型其中，扁平型應用最為廣泛。1.扁平型直線電動機可以看作是由旋轉式感應電動機演變而來的。設想把旋轉感應電動機沿徑向剖開，并將圓周展開成直線，即可得到扁平型直線感應電動機，如圖9-1所示。由定子演變而來的一側稱為一次側，由轉子演變而來的一側稱為二次側。圖9-1b所示的直線感應電勃機，其一次側和二次側長度是相等的。由于運行時一次側和二次側之間要作相對運動，為了保證在所需的行程范圍內，一次側和二次側之間的電磁耦合始終不變，實際應用時，必須把一次側和二次側制造成不同長度，既可以是一次側長、二次側短，也可以是一次側短，二次側長。前者稱為長一次側，后都稱短一次側，如圖9-2所示。由于短一次側結構比較簡單，制造成本和運行費用均比較低，故除特殊場合外，一般均采用短一次側。圖9-2所示的扁平型直線感應電動機，僅在二次側的一邊具有一次側，這種結構形式稱為單邊型。它的最大特點是在次側和二次側之間存在較大的法向吸力，這在大多數場合下是不希望發生的。若在二次側的兩邊都裝上一次側,則法向吸力可以互相抵消，這種結構 形式稱為雙邊型，如圖9-3所示。扁平型直線感應電動機的次側鐵心由硅鋼片疊成，與二次側相對的一面開有槽，槽中放置繞組。繞組可以是單相、兩相、三相或多相的。二次側有兩種結構類型：一種是柵型結構，鐵心上開槽，槽中放置導條；并用端部導條連接所有槽中導條；另一種是實心結構，采用整塊均勻的金屬材料，可分為非磁性二次側和鋼二次側。非磁性二次側的導電性能好，一般為銅或鋁。2.圓筒型（管型）：將圖2a所示的扁平型直線感應電動機沿著和直線運動相垂直的的方向卷成筒形，就形成了圓筒型直線感應電動機，如圖9-4所示。在特殊場合，這種電動機還可以制成既有旋轉運動又有直線運動的旋轉直線電動機。旋轉直線的運動體可以是一次側，也可以是二次側。；3.圓盤型圓盤型直線感應電動機如圖9-5所示。它的二次側做成扁平的圓盤形狀，能繞通過圓心的軸自由轉動：將一次側放在二次側圓盤靠外邊緣的平面上，使圓盤受切向力作旋轉運動。但其運行原理和設計方法與扁平型直線感應電動機相同，故仍屬直線電動機范疇。與普通旋轉電動機相比，它具有以下優點：1）轉矩與旋轉速度可以通過多臺一次側組合或者通過一次側在圓盤上的徑向位置來調節。2）無需經過齒輪減速箱就能得到較低的轉速，因而電動機的振動和噪聲很小。（二）、直線感應電動機的基本工作原理直線感應電動機是由旋轉電動機演變而來。當一次側的三相（或多相）繞組通入對稱正弦交流電流時，會產生氣隙磁場。當不考慮由于鐵心兩端開斷而引起的縱向邊緣效應時， 這個氣隙磁場的分布情況與旋轉電動機相似，沿著直線方向按正弦規律分布。但它不是旋轉而是沿著直線平移，稱為行波磁場，如圖9-6中曲線所示。顯然行波磁場的移動速度與旋轉磁場在定子內圓表面上的線速度是一樣的。行波磁場移動的速度稱為同步速度，即式中 D-旋轉電動機定手內圓周的直徑；-極距，=D/2pp-極對數f1一電源的頻率。行波磁場切割二次側導條，將在導條中產生感應電動勢和電流，導條的電流和氣隙磁場相互作用，產生切向電磁力。如果一次側固定不動，則二次側便在這個電磁力的作用下，順著行波磁場的移動方向作直線運動。若二次側移動的速度用v表示，轉差率用s表示，則有在電動狀態時，S在0和1之間。 二次側的移動速度為可見，改變極距或電源頻率，均可改變二次側移動的速度；改變一次繞組中通電相序，可改變二次側移動的方向。（三）、直線感應電動機的工作特性圖9-7分別示出了直線感應電動機的推力轉差率特性和旋轉感應電動機的轉矩轉差率特性。旋轉感應電動機的最大轉矩一般出現在較低的轉差處，而直線感應電動機的最大推力則發生在高轉差處，即s=1附近。因此，直線感應電動機的起動推力大，在高速區推力小。它的推力速度特性近似為一直線，具有較好的控制品質，如圖9-8所示。它的推力可由下式求得:（四）、直線感應電動機的邊緣效應 1.縱向邊緣效應由于直線感應電動機的一次側鐵心是長直的，兩端開斷形成兩個縱向邊緣，又因為鐵心及槽中的繞組在兩端不連續，使各相之間的互感不相等。即使一次側繞組的供電交流電壓對稱，也會使各相繞組中產生不對稱的電流。它除了正序電流分量外，還會出現負序和零序電流分量。負序電流分量引起負序反向行波磁場，零序電流分量引起零序脈振磁場，這都將在二次側運行的過程中產生阻力和附加損耗。此現象稱直線感應電動機的靜態縱向邊緣效應。直線感應電動機二次側運動時，還存在另一種邊緣效應，稱為動態縱向邊緣效應，如圖 9-9所示。設在二次側導體上有一閉合回路，當它從位置S1進入到一次側鐵心下面的位置s2時，它將切割磁力線，回路內產生感應電動勢和電流，該電流反過來要影響磁場的分布，這種效應稱為入口端邊緣效應。當閉合回路從位置s4移動到位置s5時，閉合回路內的磁通又一次變化，又將引起感應電動勢和電流，并影響磁場變化，這種效應稱為出口邊緣效應。這種邊緣效應同樣會產生附加損耗和附加力。縱向邊緣效應都將增加附加損耗，減小直線電動機的有效輸出，影響直線電動機的運行特性。如何改善縱向邊緣效應對直線電動機的影響，是目前正在研究的課題之一。2.橫向邊緣效應當直線感應電動機的二次側采用實心結構時，在行波磁場的作用下，二次側導電板中產生感應電動勢，從而產生渦流形狀的感應電流。該電流對氣隙磁場沿橫向分布的影響，稱為直線電動機的橫向邊緣效應。圖9-10a所示為二次電流和氣隙磁通密度的分布情況。圖中L是一次側鐵心橫向寬度，C是二次側導電板橫向伸出一次側鐵心的長度。從二次電流路徑圖上可以看出，它包含有縱向分量Ix和 橫向分量Iz。電流的橫向分量只改變合成氣隙磁通密度的幅值，而不改變它的分布形狀；電流的縱向分量對空載氣隙磁場有去磁作用，而且在電流分布越密集的地方去磁作用越強，使合成氣隙磁通密度沿橫軸的分布呈馬鞍狀，它與空載氣隙磁通密度的分布形狀(見圖9 10b中的虛線）明顯不同。橫向邊緣效應的存在，使直線電動機的平均氣隙磁通密度降低，電動機的輸出功率減小。同時，二次側導電板的損耗增大，電動機的效率降低。橫向邊緣效應的大小，與二次側導電板橫向伸出一次側鐵心的長度C與極距的比值有關，比值越大， 橫向邊緣效應越小。可見一次側和二次側相等寬度的直線感應電動機的橫向邊緣效應要大些。二、直線直流電動機直線直流電動機通常做成圓筒型。它的優點是：結構簡單，運行效率高，控制較方便、靈活并且和閉環控制系統結合可精密控制其位移、速度和加速度，控制范圍廣，調速平滑性好。它的缺點是：存在帶繞組的電樞和電刷。直線直流電動機應用非常廣泛，如在工業檢測、自動控制、信息系統以及其他技術領域中都有應用。直線直流電動機類型較多，按勵磁方式可分為永磁式和電磁式兩大類。前者多用于驅動功率較小的場合，如自動控制儀器、儀表；后者多用于驅動功率較大的場合。（一）永磁式直線直流電動機 永磁式直線直流電動機的磁極由永久磁鐵做成，按其結構特征可分為動圈型和動鐵型兩種。動圈型在實際中用得較多。如圖9-11所示，在鐵架兩端裝有極性同向的兩塊永久磁鐵，當移動繞組中通直流電流時，便產生電磁力。只要電磁力大于滑軌上的靜摩擦阻力，繞組就沿著滑軌作直線運動，運動的方向由左手定則確定。改變繞組中直流電流的大小和方向，即可改變電磁力的大小和方向。電磁力的大小為在上述基本結構的基礎上，動圈型永磁直線直流電動機還有其他的實用結構。按結構特性可分為兩類，第一類是帶有平面矩形磁鐵的動圈型直線永磁式直流電動機，如圖9-12所示。它的結構簡單，但繞組總體沒有得到充分利用；在小氣隙中，活動系統的定位較困難； 漏磁通大，即磁鐵未得到充分利用。第二類是帶有環形磁鐵的動圈型直線永磁式直流電動機，如圖9-13所示。其結構主要是圓筒型的，繞組的有效長度能得到充分利用。動鐵型直線永磁式直流電動機如圖9-14所示，在一個軟鐵框架上套有繞組，該繞組的長度要包括整個行程。為了降低電能的消耗，利用安裝在磁極上的電刷把電流引入繞組中。這樣，當磁鐵移動時，電刷跟著滑動，只讓繞組的工作部分通電，其余不工作的部分沒有電流流過。由于電刷的存在，降低了運行的可靠性和壽命，另外由于電樞較長，電樞繞組用銅量較太大。其優點是電動機行程可做得很長，還可做成無接觸式直線直流電動機。（二）、電磁式直線直流電動機任一種永磁式直線直流電動機，只要把永久磁鐵改成電磁鐵，就成為電磁式直線直流電動機,它同樣也有動圈型和動鐵型兩種。圖9-15所示為電磁式動圈型直線直流電動機的結構。當勵磁繞組通電后產生磁通并與移動繞組的通電導體相互作用產生電磁力，克服滑軌上的靜摩擦力，移動繞組便作直線運動。對于動圈型直線直線電動機，電磁式的成本要比永進式低。這是因為永磁所用的永磁材料在整個行程上都存在，而電磁式只用一般材料的勵磁繞組即可；永磁材料質硬，機械加工費用大；電磁式可通過串、并聯勵磁繞組和附加補償繞組等方式改善電動機的性能，靈活性較強。但電磁式比永磁式多了一項勵磁損耗。電磁式動鐵型直線直線電動機通常做成多極式。圖9 - 16所示為三磁極式直線直流電動機。當環型勵磁繞組通電時，便產生磁通，徑向穿過氣隙和電樞繞組，在鐵心中由徑向過度到軸向，形成閉合回路，如圖9-16中虛線所示。徑向氣隙磁場與通電的電樞繞組相互作用產生軸向電磁力，推動磁扱作直線運動。當這種電動機用于短行程和低速移動時，可以省掉滑動的電刷。如果行程很長，為了提高效率，同永磁式直線電動機一樣，在磁極上裝上電刷，使電流只在電樞繞組的工作段流過。三、直線和平面步進電動機旋轉式步進電動機由于有很多優點，已成為除直流伺服電動機和交流伺服電動機外的第三大類執行電動機。但在許多自動裝置中，要求某些機構能夠快速地作直線或平面運動，而且要保證精確的定位，在這種情況下，使用直線步進電動機或平面步進電動機最合適。一、直線步進電動機直線步進電動機有多種結構類型，按其電磁推力產生的原理可分為反應式和混合式兩種。.反應式直線步進電動機圖-所示為一臺三相反應式直線步進電動機的結構原理。它的定子和動子鐵心都由硅鋼片疊成，定子上、工表面都有均勻的齒，動子極上裝有三相控制繞組，每個極面也有均勻的齒，動子與定子的齒距相同：反應式電動機的工作原理與旋轉式電動機完全相同，當某一相控費繞組通電時，該相動子的齒與定子的齒對齊，使磁路的磁阻最小，相鄰的相的動子齒軸線與定子軸線錯開1/3齒距：顯然，當控制繞組按-的順序通電時，動子將以 1/3 齒距的步距移動。當通電順序改為A-C-B-A時，動子則向相反方向步進移動。若為六拍則步距減小1/2。.混合式直線步進電動機混合式直線步進電動機的磁場推力，不僅和各相控制繞組通入的脈沖電流大小有關，而且還和永久磁鐵所產生磁場的大小有關。當各相控制繞組中的電流按某一規律變化時，使各極下磁場位置發生變化，從而產生磁場推力，使步進電動機的動子在某個方向上產生直線運 動:圖-所示為混合式直線步進電動機的結構和工作原理。它的定子和反應式直線步進電動機相同。動子由一塊永久磁鐵和兩個“”型電磁鐵組成，其上面裝有A相和B相控制繞組，電磁鐵的鐵心由硅鋼片疊成。磁極1與2或磁極3與4之間距離為定子齒距的（1/2）倍，其中取正整數。圖9-18中，即磁極1與2和磁極3與4之間的距離為定子齒距的1.5倍。這樣，磁極1（或磁極3）和定子的齒對齊時、磁極2（或磁極 4）正好對著定子槽。而磁極2和磁極3之間的距離應為定子齒距的（2 1/4）倍，其中2取整數。圖9-18中，2，即磁極2與磁極3之間的距離為定子齒距的.倍。當電磁鐵繞組中沒有通電時，永久磁鐵向所有的磁極提供大致相等的磁通，即/（是永久磁鐵的總磁通），其磁通的方向如圖9-18中的虛線所示。此時動子上沒有水平推力，動子可以穩定在任何隨機位置上。當A相繞組中通入正向電流時，電流方向和磁通的路徑如圖9-18中的實線所示。這時在磁極1中的磁通和永久磁鐵的磁通同方向，而在磁極2中的磁通和永久磁鐵的磁通反方向，二者互相抵消，接近于零。顯然，此時磁極1所受的電磁力最大，磁極2所受的電磁力幾乎為零。由于相繞組沒有通過電流，磁極3和4在水平方向的力為大小相等，方向相反，相互抵消。動子的運動由磁極1所受的電磁力決定，磁極1必然要運動到和定子齒1對齊的位置，如圖9 -18c所示的位置，即動子在水平電磁力的作用下向右移動了1/4齒距。當B相繞組斷電，給A相繞組通人正向電流IA，其方向如圖9-18d所示。同理磁極2的磁通為最大，磁極1中的磁通接近于零，磁極2所受的電磁力最大，使磁極2對準定子齒3 ，動子由圖9 - 1813所示的位置移動到圖9 180所示的位置，即動子在水平電磁力的作用下沿水平方向向右移動了 1/4齒距。同理，A相繞組斷電，給B相繞組通人正向電流IB,動子沿水平方向再向右移動了 1/4齒距，使磁極3和定子齒5對齊，如圖9-18e所示0依次類推，這種情況如兩相單四拍運行方式，經過四拍，動子沿水平方向右移動了一個定子齒距。若要使動子沿水平方向向左移動，只需將以上4個階段的通電順序倒過來即可。在實際使用中，為減小步距，削弱振動和噪聲，可采用類似細分電路的電源供電，使電動機實現微步距移動。也可以在A相和B相繞組中同時加入交流電，若A相繞組中通入正弦電流，則B相繞組中通人余弦電流。這種控制方式由于電流是連續變化的，電動機的電磁力也是逐漸變化的，既有利于電動機起動，又可使電動機的動子平滑移動，振動和噪聲也很小。（二）、平面步進電動機 平面步進電動機是由兩臺動子成正交排列的直線步進電動機構成。定子制成平面型，上面開有X軸和Y軸方向的齒槽,定子齒排成方格形。兩個正交排列的動子安裝在同一動子機架上，如圖 9-19所示。其中一臺動子沿著X軸方向移動，另一臺動子沿著Y軸方向移動，這樣動子機架就可以在XY平面上作任意幾何軌跡的運動，并能定位在平面的任何一點上。在實際使用時，還需在編制控制程序時采用適當的措施使動子能夠加速或制動。另外，平面步進電動機還可以采用氣墊裝置，將動子支承起來，使它不與定子間相互摩擦，實現快速移動。四、 直線電動機應用舉例直線電動機能直接產生直線運動，可省去中間的機械傳動裝置，在交通運輸、機械工業 和儀器儀表工業等技術領域得到廣泛的應用。一、高速列車利用直線電動機驅動的高速列車-磁懸浮列車是直線電動機應用的典型一例。它的時速可達40/h以上。磁懸浮列車就是采用磁力懸浮車體，應用直線電動機驅動技術，使列車在軌道上浮起滑行。其突出優點是速度快、舒適、安全、節能等。磁懸浮列車按其機理可分兩類：1.常導吸浮型常導吸浮型是用一般的導電線圈，以異性磁極相吸的原理，使列車懸浮在軌道上，通常由感應或同步直線電動機驅動。圖9-20所示為常導吸浮型直線電動機的組成。它的時速可設計為幾百公里/小時，磁懸浮高度一般在10mm左右。它是將直線感應電動機的短一次惻安裝在車輛上，由鐵磁材料制成的軌道為長二次側，同時在車上還裝有懸浮