漆曉軍

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司哈爾濱150040)

0 引言

1845年，發(fā)明雙臂電橋的C.Wheatstone制造出首臺直線電機(jī)并獲得專利。1895年，美國生產(chǎn)了驅(qū)動織布梭的直線電機(jī)。上世紀(jì)50年代，德國Zehden將直線感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用于鐵路運(yùn)輸。1914年，法國Emile Bachlet提出，單邊的扁平型直線電機(jī)結(jié)構(gòu)，除副邊能產(chǎn)生作直線運(yùn)動的推力外，原邊與副邊之間還同時有一種相吸或相斥之力?，F(xiàn)在美、英、法、德、日等多個國家，將直線電機(jī)應(yīng)用于高速鐵路上。美國西屋公司1946年研制了一種飛機(jī)加速用直線電機(jī)，最高速度達(dá)360 km/h，起動推力近5 000 kgf，可使飛機(jī)在4.2秒內(nèi)由靜止加速達(dá)到飛行速度之半。改革開放以來，我國直線電機(jī)也發(fā)展迅速，如窗簾啟閉，拉門操作，機(jī)場行李運(yùn)送，材料運(yùn)輸，油田立式柱塞抽油泵驅(qū)動及加速器驅(qū)動等。上海浦東機(jī)場至上海市內(nèi)建成磁懸浮高速鐵路以后，兼有懸浮功能的直線電機(jī)也正在引進(jìn)或研制之中。

1 直線異步電機(jī)工作原理

要說清這個道理，需要從旋轉(zhuǎn)電機(jī)談起［1］。圖1是一臺普通的4極異步電機(jī)，定子繞組接通三相交流電源后，產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速為：

式中，ns為磁場同步轉(zhuǎn)速，rpm;f為電源頻率，Hz;p為極數(shù)。

圖1示出了旋轉(zhuǎn)磁場主磁通路徑，在N極中心位置的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條內(nèi)，按右手定則感生電流方向是向里的，再按左手定則，載流導(dǎo)體在磁場里受力的方向與ns相同，于是轉(zhuǎn)子跟隨主磁場以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)。這里n＜ns是旋轉(zhuǎn)的必要條件。

或：n=ns(1-s)rpm，

磁場在氣隙里旋轉(zhuǎn)線速度

轉(zhuǎn)子表面的線速度

(2)～(5)式中：s為轉(zhuǎn)差;n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，rpm;D為定子鐵心內(nèi)徑，m;τ為極距m;us為旋轉(zhuǎn)磁場在氣隙中的線速度，m/s;u為轉(zhuǎn)子表面線速度，m/s。

上述旋轉(zhuǎn)電機(jī)的工作原理，可以全部用于直線電機(jī)?，F(xiàn)在假定把圖1這臺繞組定子沿著最高點(diǎn)的鐵心槽鋸開，然后拉直如圖2，那么定子繞組接電源后產(chǎn)生的磁場將以Us直線運(yùn)動。如果氣隙中有一導(dǎo)電帶，導(dǎo)電帶將感生電流，磁場推力推著導(dǎo)電帶(相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條)跟著磁場以(1-s)us的速度作直線運(yùn)動。這就是直線異步電機(jī)工作的原理。

2 扁平型直線異步電機(jī)

直線電機(jī)按其結(jié)構(gòu)主要分為扁平型與圓筒型兩類，按其性能又可分為異步直線電機(jī)和同步直線電機(jī)。

這里，把嵌有三相交流繞組產(chǎn)生主磁場部分稱為原邊，它必須與電源相接。而把另一邊稱為副邊。圖2所示即為扁平型異步電動機(jī)。意指原邊鐵心是扁平型的。用矩型沖片疊成，槽內(nèi)嵌三相分布繞組，像普通異步旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，可以是單層的，也可以是雙層的，端接部分伸在鐵心兩端，鐵心的總長度為4～5τ。副邊為鋁金屬帶，圖2示出主磁場路徑，由于空氣中路徑長，磁密低，為了改善磁導(dǎo)，副邊也可采用低炭鋼帶背復(fù)一層鋁薄板，鋁板作導(dǎo)電體，鋼帶作磁軛，使磁密增加。原邊是固定的，主磁場以us同步速運(yùn)動，副邊則以(1-s)us即u的速度運(yùn)動。

圖3的原邊有兩個，完全對稱地置于副邊的上下方。叫做雙邊扁平型異步電動機(jī)。與圖2單邊的比較，磁阻小，磁密增加，直線運(yùn)動的推力也增加。受磁場力的影響，圖2的原邊與副邊之間有吸力。圖3是雙邊布置的，因副邊在磁場的中心位置，上下方氣隙長度相同，磁場力相互抵消。雙邊扁平型直線電機(jī)應(yīng)用于原料運(yùn)輸見圖4。

3 扁平型直線同步電機(jī)

圖4

直線同步電機(jī)與直線異步電機(jī)的原邊是一樣的，都是從電源吸取能量產(chǎn)生以同步線速度運(yùn)動的主磁場。副邊則與異步電動機(jī)不同，圖5示出同步直線電動機(jī)的原理，原邊是運(yùn)動的，裝在車上。副邊是非導(dǎo)磁體懸掛式軌道，軌道體內(nèi)嵌有鐵磁體極心，極距與原邊相同，在主磁場作用下，副邊因為磁阻不同，產(chǎn)生與原邊相同極距的磁場，推著原邊以同步速us運(yùn)動。

同步直線電機(jī)的副邊，有的采用直流激磁線圈，有的卻又把這個激磁線圈放在原邊上，其結(jié)構(gòu)見圖6。由直流線圈激磁產(chǎn)生的磁通路徑，示于圖上。副邊鐵心極頂有渦流，可采用迭片鐵心。

鐵路運(yùn)輸中，超過250 km/h的超高速動車，采用單邊直線同步電機(jī)驅(qū)動。除直線推力外，還有一個磁懸浮系統(tǒng)，利用原副邊之間的磁場力，使動車與導(dǎo)軌之間保持15 mm的間隙，每噸重的浮力，消耗功率2 kW。

4 磁場力的計算

扁平型直線電機(jī)的原邊與副邊之間，除直線推力外，還有一種磁場力。其方向是使氣隙中貯存的磁能減至最小。按照磁場理論［2］。均勻磁場能量體積密度為：

式中：wm—均勻磁場能量的體密度(J/m3);H—磁場強(qiáng)度(A/m);B—磁通密度(Tesla)(Wb/m2)，μ—材料的導(dǎo)磁系數(shù)(H/m)，空氣和非導(dǎo)磁體的導(dǎo)磁系數(shù)相似，μo=4π×10-7H/m。

如圖7所示的電磁鐵磁路中［3］，設(shè)鐵心導(dǎo)磁系數(shù)μ=∞，激磁電流產(chǎn)生的磁能全部貯存在氣隙里，電磁鐵固定，其截面都是A/2，產(chǎn)生的磁通密度為B，試求鐵板所受上舉力。

由式(8)知?dú)庀顿A存的總磁能

令鐵板向上移Δx，所受之力為Fe，則Fe·Δx=-ΔWm，所以，F(xiàn)e=-ΔWm/(ΔX)=B2A/(2μ0)N，電磁力的密度fe=Fe/A=B2/(2μ0)N/m2。當(dāng)磁密為1Tesla時，每m2能產(chǎn)生浮力4×105N即4×104kgf，可以舉起40 t重的物體，這個上浮力是很大的。利用此力，可以起吊重物，或上浮動車。

5 圓筒型直線電機(jī)

將圖2所示的扁平型直線電機(jī)的原邊繞組鐵心以圖8方式卷成筒，同一槽的兩端接在一起，槽內(nèi)的線圈有效部分，組成一個餅式線圈，端部的連接線就可以去掉，三相分布繞組變成了三相分布餅式繞組，它們產(chǎn)生的磁場和圖2一樣，也是沿著中心線作直線運(yùn)動的。這就是筒式直線電機(jī)的原理。

它的副邊作成如圖9所示的鐵圓外包有鋁皮或銅皮時，就是筒式異步電機(jī)。如果副邊作成如圖10所示帶有永磁鋼的磁極，便是筒式同步直線電機(jī)。

筒式直線電機(jī)由于氣隙是對稱的，不存在垂直于軸心線的磁場力。為保證氣隙均勻，副邊最外層可包0.1～0.2 mm抗磨塑料，在原邊內(nèi)孔裝設(shè)的導(dǎo)向軸套里滑動。

與扁平型直線電機(jī)比較，圓筒式直線電機(jī)節(jié)省材料，體積小，重量輕，氣隙小。效率指標(biāo)高。適于驅(qū)動行程較小的往復(fù)運(yùn)動機(jī)械，副邊伸出原邊的長度一般小于1.5 m。

6 采用直線電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

(1)要求作直線運(yùn)動的機(jī)械，采用直線電機(jī)驅(qū)動，可以省卻機(jī)械傳動裝置如：齒輪箱、偏心拐軸、拉桿等。自然也就避免了由它們產(chǎn)生的噪音和運(yùn)行故障，例如：轉(zhuǎn)運(yùn)金屬帶，可以把金屬帶當(dāng)作圖4所示的副邊，特別簡單。

(2)具有高加速和快減速，從而減小了對車輪、剎車片的磨損。

(3)機(jī)械和電氣都可以屏蔽起來，可以在惡劣的環(huán)境中使用。

(4)采用變頻控制系統(tǒng)時，利用低頻起動，可減少起動電流對電網(wǎng)的沖擊，可解決變頻調(diào)速、快速制動、反向運(yùn)動全過程的自動控制。

(5)便于維護(hù)、修理和更換。

(6)單邊扁平型直線電機(jī)，存在單向磁拉力。此力有利于裝卸機(jī)械上舉荷重、或上浮動車。

［1］ 章名濤.電機(jī)學(xué)，1977，科學(xué)出版社.

［2］ 鄒繼斌，等.磁路與磁場，1998，哈工大出版社.

［3］ S.A Narsa and I.Bolder.Linear Electric Motor，1987.

［4］ E.H.Werninck.Electric Motor Handbook，McGraw-Hill Book Com(U.K).1978.