2025/6/261其他電機7.1永磁電機7.2步進電動機7.3直線電動機7.4應用實例7.5自啟動永磁同步電機仿真2025/6/262

前面幾章介紹的變壓器、交流異步電機和同步電機以及直流電機，統稱為普通電機。在日常生活和生產實際中還廣泛使用著各種特殊結構和特殊用途的電機，特別是隨著新技術的不斷發展和新材料的不斷涌現，新型特種電機的研究和應用還處在不斷發展之中。這些特種電機是相對于普通電機而言的。有些特種電機普及使用后也逐漸變成了普通電機，比如永磁電機，這些年來由于能源的緊張，對高效率電機的需求成為共識。因此永磁同步電機發展迅猛，將逐漸被大家視作普通電機，因此本章將傳統普通電機以外的特種電機統稱其他電機。其他電機品種繁多，比如永磁同步電機、伺服電機、開關磁阻電機、步進電機、旋轉變壓器、直線電機等等，本章介紹其中的永磁電機、步進電機和直線電機。永磁電機7.12025/6/2647.1.1永磁電機的基本原理和分類世界上第一臺電機就是永磁電機，但是早期的永磁材料磁性能很差，致使永磁電機體積很大，非常笨重，因而很快就為電勵磁式電機所取代。隨著稀土永磁材料的快速發展，特別是第三代稀土永磁材料釹鐵硼（NdFeB）的問世，給永磁電機的研究和開發帶來了新的活力。2025/6/2651．永磁電機的基本原理電機是以磁場為媒介進行機械能和電能相互轉換的電磁裝置。為在電機內建立進行機電能量轉換所必需的氣隙磁場，可以有兩種方法。一種是在電機繞組內通電流產生，既需要有專門的繞組和相應的裝置，又需要不斷供給能量以維持電流流動，例如普通的直流電機和同步電機；另一種是由永磁體來產生磁場，既可簡化電機結構，又可節約能量，這就是永磁電機。也就是說，和普通的直流電機及同步電機相比（這些電機因為磁場由電流產生，所以稱之為電勵磁電機），永磁電機即是用永磁體替代了電勵磁，因此稱之為永磁電機。7.1.1永磁電機的基本原理和分類2025/6/266

2.永磁電機分類1）永磁直流電動機直流電動機采用永磁勵磁后，既保留了電勵磁直流電動機良好的調速特性和機械特性，還因省去了勵磁繞組和勵磁損耗而具有結構工藝簡單、體積小、用銅量少、效率高等特點。因而從家用電器、便攜式電子設備、電動工具到要求有良好動態性能的精密速度和位置傳動系統都大量應用永磁直流電動機。500W以下的微型直流電動機中，永磁電機占92%，而10W以下的永磁電機占99%以上。7.1.1永磁電機的基本原理和分類2025/6/2672）永磁同步電動機永磁同步電動機與感應電動機相比，不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數（可達到1，甚至容性），減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩定運行時沒有轉子銅耗，進而可以減小風扇（小容量電機甚至可以去掉風扇）和相應的風摩損耗，效率比同規格感應電動機可提高2～10個百分點。而且，永磁同步電動機在25%～120%額定負載范圍內均可保持較高的效率和功率因數，輕載運行時節能效果更為顯著。這類電機的轉子可以設置啟動繞組，具有在某一頻率和電壓下直接啟動的能力，稱作自啟動永磁同步電機；也可以不設置啟動繞組，與變頻控制器配套使用，稱作調速永磁同步電動機。永磁同步電動機由于高效率的顯著優點，廣泛應用在油田、紡織化纖工業、陶瓷玻璃工業和年運行時間長的風機水泵以及空氣壓縮機等領域，調速永磁同步電動機在電動汽車上也得到了廣泛應用。7.1.1永磁電機的基本原理和分類2025/6/2683）無刷直流永磁電動機本質上，這是一種永磁同步電動機。和調速永磁同步電動機一樣，必需由逆變器供電。調速永磁同步電動機工作時電流和反電動勢理想狀態下呈正弦分布；無刷直流電動機則的電流及反電動勢呈梯形波分布。從其工作特性看，和直流電動機相似，好似用逆變器裝置替換了普通直流電動機的機械換向器，故稱無刷直流電動機。這種電機既具有電勵磁直流電動機的優異調速性能，又實現了無刷化，主要應用于高控制精度和高可靠性的場合，如航空、航天、數控機床、加工中心、機器人、電動汽車、計算機外圍設備等。7.1.1永磁電機的基本原理和分類2025/6/2694）永磁發電機永磁同步發電機與傳統的發電機相比不需要集電環和電刷裝置，結構簡單，減少了故障率。采用稀土永磁后還可以增大氣隙磁密，并把電機轉速提高到最佳值，提高功率質量比。當代航空、航天用發電機幾乎全部采用稀土永磁發電機。

目前，獨立電源用的內燃機驅動小型發電機、車用永磁發電機、風輪直接驅動的小型永磁風力發電機正在逐步推廣。7.1.1永磁電機的基本原理和分類2025/6/2610永磁同步電動機的運行原理和電勵磁同步電動機相同，但是它以永磁體提供的磁通替代后者的勵磁繞組勵磁,使電動機結構較為簡單,降低了加工和裝配費用，且省去了容易出問題的集電環和電刷，提高了電動機的效率和功率密度。因而無需勵磁電流，省去了勵磁損耗，提高了電動機運行的可靠性；因而它是近年來研究得較多并在各個領域中得到越來越廣泛應用的一種電動機。7.1.2自啟動永磁同步電機基本原理2025/6/2611

永磁同步電動機分類比較多：按工作主磁場方向的不同，可分為徑向磁場式和軸向磁場式；按電樞繞組位置的不同，可分為內轉子式（常規式）和外轉子式；按轉子上有無啟動繞組，可分為無啟動繞組式（用于變頻器供電的場合，利用頻率的逐步提高和啟動，并隨著頻率的改變而調節轉速，常稱為調速永磁同步電動機）和有啟動繞組的電動機（既可用于調速運行又可在某一頻率和電壓下利用啟動繞組所產生的異步轉矩啟動，常稱為異步啟動永磁同步電動機）；按供電電流波形的不同，可分為矩形波永磁同步電動機和正弦波永磁同步電動機（簡稱永磁同步電動機）。異步啟動永磁同步電動機又稱作自啟動永磁同步電動機，當用于頻率可調的傳動系統時，形成一臺具有阻尼（啟動）繞組的調速永磁同步電動機。自啟動永磁同步電動機總體結構與普通異步電動機類似，不同處在于轉子槽較淺，槽下方置入永久磁鋼。因此其定子結構與異步電動機相同，轉子因內置磁鋼一般稱作內置式轉子。7.1.2自啟動永磁同步電機基本原理2025/6/26121基本結構自啟動永磁式同步電動機總體結構也分為定子和轉子。定子結構與異步電動機相同。為了削弱諧波，異步電機轉子經常斜槽。由于轉子需要放置磁鋼，轉子不好斜槽，故自啟動永磁同步電機的定子一般斜槽。自啟動永磁同步電機的轉子根據磁鋼放置在轉子表面還是內部，一般可分為表貼式和內置式。圖7-1分別列舉了內置式永磁式同步電動機四種常見的轉子結構，其中徑向結構極間漏磁較少，可采用導磁軸，不需要隔磁襯套，因而轉子零件較少，工藝也較簡單；切向結構每極磁通由兩塊永磁體并聯提供，可產生較大的氣隙磁密；并聯結構具有切向結構的上述優點外，還可充分利用空間放置永磁體；混合結構又稱為聚磁結構，每對極包括一對主極和一對副極，主極徑向磁化，體積較大，氣隙磁通的大部分由它提供，副極切向磁化，體積較小，不僅本身能提供一部分氣隙磁通，而且能有效地減小主極的極間漏磁，提高永磁材料的利用率。7.1.2自啟動永磁同步電機基本原理2025/6/2613(a)徑向結構

(b)切向結構(c)并聯結構

(d)混合結構圖7-1永磁式同步電動機轉子結構7.1.2自啟動永磁同步電機基本原理2025/6/2614⒉工作原理與啟動問題和電勵磁同步電動機一樣，當自啟動永磁同步電機穩定工作時，定子三相電流產生的合成磁場在電機氣隙中以同步轉速旋轉；轉子上裝設的永久磁鋼磁場隨轉子一起旋轉，轉速及轉向與定子合成磁場的相同。由于轉子轉速與磁場轉速相同，因此外表看上去原本為異步電動機，在轉子上裝設了永久磁鋼后，穩態運行時轉速必然為磁場轉速，電機“變成”了同步電機。因此轉子上雖有繞組（導條），但由于和磁場之間沒有相對運動，因此轉子繞組中不產生電動勢，故而轉子繞組沒有電流，轉子銅損耗幾乎為零。這是自啟動永磁同步電動機效率比異步電動機效率明顯提升的主要原因。7.1.2自啟動永磁同步電機基本原理2025/6/2615

由于轉子上永磁體的存在和轉子電磁的不對稱性，自啟動永磁同步電動機與異步電動機相比較，使其啟動過程遠較鼠籠異步電動機復雜。在啟動過程中，永磁體磁場隨轉子以n=(1-s)n1轉速旋轉，在定子繞組中感應（1-s）f1頻率的對稱相三相電勢。由于電網頻率為f1，對于頻率為(1-s)f1的定子電勢，接至電網就相當于短路，于是定子繞組內將流過一組頻率為（1-s）f1的三相短路電流。從疊加原理考慮，永磁同步電動機定子繞組中存在兩個不同頻率的交流激勵源：即外加的頻率為f1的對稱三相電壓和轉子永磁體感生的頻率為（1-s）f1的對稱三相電勢。若將啟動過程近似地看成是一系列不同轉差率下的穩態異步運行，當磁路為線性時，永磁同步電動機啟動過程可以看成是轉子無永永磁體時，轉子不對稱鼠籠異步電動機穩態運行和轉子上有永磁體勵磁、定子三相短路的異步穩態運行的疊加。因此，自啟動永磁同步電動機依靠籠型繞組產生如同異步電動機工作時一樣的啟動轉矩，帶動轉子旋轉起來。等到轉子轉速上升到接近同步速時，依靠定子旋轉磁場與轉子永磁體的相互吸引把轉子牽入同步。這就是所謂的“異步啟動，同步運行”。在整個啟動過程中，籠型繞組產生異步啟動轉矩，而永磁體產生發電制動轉矩，但當達到同步速時，異步啟動轉矩為零，而發電制動轉矩轉變為同步牽引轉矩，帶動電動機正常同步運行。可見，對于自啟動永磁式同步電動機來說，永磁體和籠型啟動繞組之間的合理設計是十分重要的。7.1.2自啟動永磁同步電機基本原理2025/6/2616

如果去掉自啟動永磁同步電動機轉子上的啟動繞組，那么這種電機在工頻電源下將沒有啟動能力，但在變頻電源下，逐漸升高定子電源的頻率，旋轉磁場的同步轉速逐漸升高，帶動轉子逐漸達到需要的轉速。這樣的電機一般都使用在需要調速的場所，因此稱調速永磁同步電動機，有時簡稱永磁同步電動機。其結構示意圖如圖7-2所示。圖7-2調速永磁同步電動機截面圖1-定子2-定子槽3-永磁體4-轉子5-轉軸7.1.3調速永磁同步電機基本原理2025/6/2617

直流電動機由于調速性能好、堵轉轉矩大等優點而在各種運動控制系統中等到廣泛應用，但是直流電動機具有電刷和換向器裝置，運行時所形成的機械摩擦嚴重影響了電機的精度和可靠性，因摩擦而產生的火花還會引起無線電干擾。電刷和換向器裝置使直流電動機結構復雜、噪音大，維護也比較困難。所以，長期以來人們在不斷尋求可以不用電刷和換向器裝置的直流電動機。隨著電子技術、計算機技術和永磁材料的迅速發展，誕生了無刷直流電動機。這種電動機利用電子開關線路和位置傳感器來代替電刷和換向器，既具有直流電動機的運行特性，又具有交流電動機結構簡單、運行可靠、維護方便等優點，它的轉速不再受機械換向的限制，可以制成轉速高達每分鐘幾十萬轉的高速電動機。因此，無刷直流電動機用途非常廣泛，可作為一般直流電動機、伺服電動機和力矩電動機等使用。7.1.4無刷直流電機基本原理2025/6/26181.基本結構無刷直流電動機由電動機本體、電子開關線路和轉子位置傳感器三部分組成，其系統構成如圖7-3所示，其中直流電源通過開關線路向電動機的定子繞組供電，位置傳感器檢測電動機的轉子位置，并提供信號控制開關線路中的功率開關元件，使之按照一定的規律導通和關斷，從而控制電動機的轉動。7.1.4無刷直流電機基本原理圖7-3無刷直流電動機系統構成2025/6/2619

無刷直流電動機的基本結構如圖7-4所示，其中電動機結構與調速永磁同步電動機相似，轉子上裝設永久磁鋼，定子鐵心中安放著對稱的多相繞組，可接成星形或角形，各相繞組分別與電子開關線路中的相應開關元件相連接，電子開關線路有橋式和非橋式兩種。圖7-4表示的是常用的三相星形橋式連接方式。7.1.4無刷直流電機基本原理圖7-4無刷直流電動機基本結構2025/6/26202.工作原理

根據電子開關線路結構和定子繞組聯接方式，無刷直流電動機可以有多種運行狀態，下面以兩相導通三相星形六狀態為例說明無刷直流電動機的工作原理。

如圖7-4所示，假設在任意時刻開關線路的上橋臂和下橋臂各有一個晶體管導通，即三相繞組的通電順序依次為AC、BC、BA、CA、CB、AB。當A、C相通電時，轉子磁極位置如圖7-5(a)所示，

為定子繞組合成磁動勢，

為轉子永磁體磁動勢，

為轉子磁極位置角（）。當永磁體位于起始位置時，A、C兩相開始通電，而B相無電流。此時電流流通的路徑為：電源正極→V1管→A相繞組→C相繞組→V2管→電源負極。

和

相互作用，使轉子順時針旋轉。當轉子順時針旋轉

到達終止位置時，開始進入B、C兩相通電的狀態，如圖7-5(b)所示。此時電流流通的路徑為：電源正極→V3管→B相繞組→C相繞組→V2管→電源負極。

和

相互作用，使轉子繼續順時針旋轉。如此六種狀態循環往復。7.1.4無刷直流電機基本原理2025/6/2621

圖7-5無刷直流電動機原理圖(a)A、C通電狀態 (b)B、C通電狀態(a) (b)7.1.4無刷直流電機基本原理2025/6/2622

從表7-1可以看出，在1個周期內電動機共有6個通電狀態，每個狀態都是兩相同時導通，每個開關管導通角為

。表7-1兩相導通三相星形六狀態開關管導通順序表7.1.4無刷直流電機基本原理2025/6/26233.無刷直流電動機與永磁同步電動機的比較無刷直流電動機將電子線路與電機融為一體，把先進的電子技術、微機控制技術應用于電機領域，是典型的機電一體化產品，促進了電機技術的發展。無刷直流電動機屬于永磁式電動機，目前在運動控制系統中普遍使用的永磁電動機有兩大類，即無刷直流電動機和調速永磁同步電動機。這兩種類型的電機連同自啟動永磁同步電機有時都稱作無刷永磁同步電機，而調速永磁同步電動機和自啟動永磁同步電機自然都可以稱作永磁同步電動機。現將無刷直流電動機和永磁同步電動機簡單比較如下：1）無刷直流電動機（BrushlessDCMotor，簡稱BDCM）：其出發點是用裝有永磁體的轉子取代有刷直流電動機的定子磁極，將原直流電動機的轉子電樞變為定子。有刷直流電動機是依靠機械換向器將直流電流轉換為近似梯形波的交流，而BDCM是將方波電流（實際上也是梯形波）直接輸入定子，其好處就是省去了機械換向器和電刷，也稱為電子換向。為產生恒定電磁轉矩，要求系統向BDCM輸入三相對稱方波電流，同時要求BDCM的每相感應電動勢為梯形波，因此也稱BDCM為方波電動機。為此無刷直流電動機的定子繞組常采用集中繞組。7.1.4無刷直流電機基本原理2025/6/26242）永磁同步電動機（PermanentMagnetSynchronousMotor，簡稱PMSM）：其出發點是用永磁體取代電勵磁式同步電動機轉子上的勵磁繞組，以省去勵磁線圈、滑環和電刷。PMSM的定子與電勵磁式同步電動機基本相同，要求輸入定子的電流仍然是三相正弦的。為產生恒定電磁轉矩，要求系統向PMSM輸入三相對稱正弦電流，同時要求PMSM的每相感應電動勢為正弦波，因此也稱PMSM為正弦波電動機。如前所述，永磁同步電動機又可再分為自啟動永磁同步電動機和調速永磁同步電動機。永磁同步電動機的定子繞組一般采用分布和短距以削弱諧波。7.1.4無刷直流電機基本原理步進電機7.22025/6/2626

步進電動機是一種把電脈沖信號轉換成機械角位移的控制電機，常作為數字控制系統中的執行元件。由于其輸入信號是脈沖電壓，輸出角位移是斷續的，即每輸入一個電脈沖信號，轉子就前進一步，因此叫做步進電動機，也稱為脈沖電動機。步進電動機在近十幾年中發展很快，這是由于電力電子技術的發展解決了步進電動機的電源問題，而步進電動機能將數字信號轉換成角位移正好滿足了許多自動化系統的要求。步進電動機的轉速不受電壓波動和負載變化的影響，只與脈沖頻率同步，在許多需要精確控制的場合應用廣泛，如打印機的進紙、計算機的軟盤轉動、卡片機的卡片移動、繪圖儀的X、Y軸驅動等等。2025/6/2627

圖7-6步進電動機的基本結構(a)反應式 (b)永磁式(a)(b)2025/6/2628

從結構上來說，步進電動機主要包括反應式、永磁式和復合式三種。反應式步進電動機依靠變化的磁阻產生磁阻轉矩，又稱為磁阻式步進電動機，如圖7-6(a)所示；永磁式步進電動機依靠永磁體和定子繞組之間所產生的電磁轉矩工作，如圖7-6(b)所示；復合式步進電動機則是反應式和永磁式的結合。目前應用最多的是反應式步進電動機。步進電動機驅動電路的構成如圖7-7所示。圖7-7步進電動機驅動電路的構成7.2.1步進電動機的基本結構2025/6/2629

以三相反應式步進電動機為例說明其工作原理。如圖7-8所示，一般說來，若相數為

，則定子極數為

，所以定子有六個齒極。定子相對的兩個齒極組成一組，每個齒極上都裝有集中控制繞組。同一相的控制繞組可以串聯也可以并聯，只要它們產生的磁場極性相反。反應式步進電動機的轉子類似于凸極同步電動機，這里討論有四個齒極的情況。當A相繞組通入直流電流

時，由于磁力線力圖通過磁阻最小的路徑，轉子將受到磁阻轉矩的作用而轉動。當轉子轉到其軸線與A相繞組軸線相重合的位置時，磁阻轉矩為零，轉子停留在該位置，如圖7-8(a)所示。如果A相繞組不斷電，轉子將一直停留在這個平衡位置，稱為“自鎖”。7.2.1步進電動機的基本結構2025/6/2630

要使轉子繼續轉動，可以將A相繞組斷電，而使B相繞組通電。這樣轉子就會順時針旋轉300，到其軸線與B相繞組軸線相重合的位置，如圖7-8(b)所示。繼續改變通電狀態，即使B相繞組斷電，C相繞組通電，轉子將繼續順時針旋轉300，如圖7-8(c)所示。如果三相定子繞組按照A-C-B順序通電，則轉子將按逆時針方向旋轉。上述定子繞組的通電狀態每切換一次稱為“一拍”，其特點是每次只有一相繞組通電。每通入一個脈沖信號，轉子轉過一個角度，這個角度稱為步距角。每經過三拍完成一次通電循環，所以稱為“三相單三拍”通電方式。7.2.1步進電動機的基本結構2025/6/2631

圖7-8步進電動機原理圖（三相單三拍）(a)A相通電 (b)B相通電 (c)C相通電7.2.1步進電動機的基本結構2025/6/2632

三相步進電動機采用單三拍運行方式時，在繞組斷、通電的間隙，轉子有可能失去自鎖能力，出現失步現象。另外，在轉子頻繁起動、加速、減速的步進過程中，由于受慣性的影響，轉子在平衡位置附近有可能出現振蕩現象。所以，三相步進電動機單三拍運行方式容易出現失步和振蕩，常采用三相雙三拍運行方式。

圖7-9步進電動機原理圖（三相雙三拍）(a)A、B相通電(b)B、C相通電(c)C、A相通電7.2.1步進電動機的基本結構2025/6/2633

三相雙三拍運行方式的通電順序是AB-BC-CA-AB。由于每拍都有兩相繞組同時通電，如A、B兩相通電時，轉子齒極1、3受到定子磁極A、X的吸引，而2、4受到B、Y的吸引，轉子在兩者吸力相平衡的位置停止轉動，如圖7-9(a)所示。下一拍B、C相通電時，轉子將順時針轉過300，達到新的平衡位置，如圖7-9(b)所示。再下一拍C、A相通電時，轉子將再順時針轉過300，達到新的平衡位置，如圖7-9(c)所示。可見這種運行方式的步距角也是300。采用三相雙三拍通電方式時，在切換過程中總有一相繞組處于通電狀態，轉子齒極受到定子磁場控制，不易失步和振蕩。圖7-10步進電動機的多齒結構7.2.1步進電動機的基本結構2025/6/2634

對于圖7-7和圖7-8所示的步進電動機，其步距角都太大，不能滿足控制精度的要求。為了減小步距角，可以將定、轉子加工成多齒結構，如圖7-10所示。設脈沖電源的頻率為

，轉子齒數為

，轉子轉過一個齒距需要的脈沖數為

，則每次轉過的步距角為

因為步進電動機轉子旋轉一周所需要的脈沖數為

，所以步進電動機每分鐘的轉速為顯然步進電動機的轉速正比于脈沖電源的頻率。7.2.1步進電動機的基本結構直線電動機7.32025/6/2636

直線電動機是一種做直線運動的電機，早在十八世紀就有人提出用直線電機驅動織布機的梭子，也有人想用它作為列車的動力，但只是停留在試驗論證階段。直到十九世紀五十年代隨著新型控制元件的出現，直線電機的研究和應用才得到逐步發展。20世紀90年代以來隨著高精密機床的研制，因直線電機直接驅動系統具有傳統系統無法比擬的優點和潛力，使其在機械加工自動化方面得到廣泛應用，在工件傳送、開關閥門、開閉窗簾及平面繪圖儀、筆式記錄儀、磁分離器、交通運輸、海浪發電，以及作為壓縮機、鍛壓機械的動力源等，顯示出很大的優越性。

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與旋轉電機相比，直線電機主要有以下優點：⑴由于不需要中間傳動機構，整個系統得到簡化，精度提高，振動和噪音減小；⑵由于不存在中間傳動機構的慣量和阻力矩的影響，電機加速和減速的時間短，可實現快速啟動和正反向運行；⑶普通旋轉電機由于受到離心力的作用，其圓周速度有所限制，而直線電機運行時，其部件不受離心力的影響，因而它的直線速度可以不受限制；⑷由于散熱面積大，容易冷卻，直線電機可以承受較高的電磁負荷，容量定額較高；⑸由于直線電機結構簡單，且它的初級鐵心在嵌線后可以用環氧樹脂密封成一個整體，所以可以在一些特殊場合中應用，例如可在潮濕環境甚至水中使用。直線電機是由旋轉電機演化而來，如圖7-11所示。原則上各種型式的旋轉電機，如直流電動機、異步電動機、同步電動機等均可演化成直線電動機。這里主要以國內外應用較多的直線感應電動機為例介紹直線電機的基本結構和工作原理。2025/6/2638

如圖7-11(a)所示，如果將籠型感應電動機沿徑向剖開，并將電機的圓周展成直線，就得到圖7-11(b)所示的直線感應電動機，其中定子與初級對應，轉子與次級對應。由圖7-11演變而來的直線電機，其初級和次級的長度是相等的。由于初級和次級之間要做相對運動，為保證初級與次級之間的耦合關系保持不變，實際應用中初級和次級的長度是不相等的。如圖7-12所示，如果初級的長度較短，則稱為短初級；反之，則稱為短次級。由于短初級結構比較簡單，成本較低，所以短初級使用較多，只有在特殊情況下才使用短次級。7.3.1直線電動機的基本結構2025/6/2639(a)(b)

圖7-11直線電機的演化(a)旋轉電機 (b)直線電機7.3.1直線電動機的基本結構(a)2025/6/2640

圖7-12所示的直線電機僅在次級的一邊具有初級，這種結構稱為單邊型。單邊型除了產生切向力外，還會在初、次級之間產生較大的法向力，這對電機的運行是不利的。所以，為了充分利用次級和消除法向力，可以在次級的兩側都裝上初級，這種結構稱為雙邊型，如圖7-13所示。我們知道還有一種實心轉子感應電動機，它的定子和普通籠型感應電動機是一樣的，轉子是實心鋼塊。實心轉子既作為導磁體又作為導電體，氣隙磁場也會在鋼塊中感應電流，產生電磁轉矩，驅動轉子旋轉。圖7-12和圖7-13所示的直線電機實際上是由實心轉子感應電動機演變而來的，所以圖中的次級沒有鼠籠導條。(a)7.3.1直線電動機的基本結構(b)

圖7-12扁平型單邊直線電動機(a)短初級(b)短次級2025/6/2641圖7-13扁平型雙邊直線電動機7.3.1直線電動機的基本結構

圖7-12和圖7-13所示的直線電機稱為扁平型直線感應電動機。如果把扁平型直線電機的初級和次級按圖7-14(a)所示箭頭方向卷曲，就形成了圖7-14(b)所示的圓筒型直線電機。在扁平型直線電機中，初級線圈是菱形的，這與普通旋轉電機是相同的。菱形線圈端部的作用是使電流從—個極流向另一個極。在圓筒型直線電機中，把菱形線圈卷曲起來，就不需要線圈的端部，而成為餅式線圈，這樣可以大大簡化制造工藝。2025/6/2642

圖7-14圓筒型直線電機的演化(a)扁平型(b)圓筒型(a)(b)7.3.1直線電動機的基本結構2025/6/2643

由上所述，直線電機由旋轉電機演變而來，所以當初級的多相繞組中通入多相電流后，也會產生一個氣隙磁場，這個磁場的磁通密度波是直線移動的，故稱為行波磁場，如圖7-15所示。顯然，行波的移動速度與旋轉磁場在定子內圓表面上的線速度是相同的，稱為同步速度，式中，

為電源頻率，

為極距。在行波磁場切割下，次級中的導條將產生感應電動勢和電流，所有導條的電流和氣隙磁場相互作用，產生切向電磁力（圖中只畫出一根導條）。如果初級是固定不動的，那末次級就沿著行波磁場行進的方向作直線運動。若次級移動的速度用

表示，則滑差率7.3.2直線電動機的工作原理2025/6/2644次級移動速度

表明直線感應電動機的速度與電源頻率及電機極距成正比，因此改變極距或電源頻率都可改變電機的速度。圖7-15直線電動機原理圖7.3.2直線電動機的工作原理2025/6/2645

與旋轉電機一樣，改變直線電機初級繞組的通電次序，可改變電機運動的方向，因而可使直線電機作往復直線運動。在實際應用中，我們也可將次級固定不動，而讓初級運動。如果圓筒型直線電機的初級繞組通以多相交流電，所產生的氣隙磁場和扁平型直線電機是一樣的，也是行波磁場，次級也作直線運動。7.3.2直線電動機的工作原理應用實例7.42025/6/2647

本章前幾節介紹的幾種類型電機,應用領域涉及面非常廣泛。比如，永磁同步電機，在電梯、壓縮機、電動汽車等領域都得到了廣泛應用。1.電動車

調速永磁同步電機和無刷直流電動機在電動車上都有廣泛的應用。目前市場上幾款知名的電動汽車比如寶馬、豐田、比亞迪、榮威使用的都是永磁同步電動機。圖7-16為兩款電動汽車圖片。各種款式的電動自行車基本上使用的都是無刷直流電動機。

圖7-16兩款使用永磁同步電動機的電動汽車2025/6/26482.壓縮機隨著對節能減排的要求越來越高，許多行業對設備的高效低耗提出了更高的標準。壓縮機行業近年來對高效的永磁同步電機的需求逐漸增多。圖7-17位壓縮機-永磁同步電機系統。圖7-17裝備永磁同步電機的壓縮機2025/6/26493.磁懸浮列車

直線電動機主要應用于自動控制系統以及大功率的驅動系統中。比如電動門、航天航空儀器、電磁炮等。磁懸浮列車其本質上也是一臺直線電機，定子在軌道上，列車本身就是轉子。圖7-18為運行于上海浦東機場與龍陽路地鐵站之間的磁懸列車圖片。圖7-18上海磁懸浮列車自啟動永磁同步電動機仿真7.52025/6/2651

為便于分析,在滿足工程實際所需的精度要求下作如下假設:1.電機鐵芯的導磁系數為無窮大，不考慮鐵芯飽和的影響，從而可以利用疊加原理來計算電機各個繞組電流共同作用下的氣隙合成磁場；2.定子和轉子磁勢所產生的磁場沿定子內圓是正弦分布的，即略去磁場中的所有空間諧波；3.各相繞組對稱，阻尼繞組(啟動鼠籠)的阻尼條及轉子導磁體對轉子d、q軸對稱，已折算到d、q軸；4.不計渦流和磁滯的影響。5.不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。自啟動永磁同步電動機的物理模型如圖7-19所示。7.5.1自啟動永磁同步電動機的數學模型2025/6/2652圖7-19自啟動永磁同步電機的物理模型圖7-19中，定子三相繞組軸線A、B、C

是靜止的，三相電壓

uA、uB