直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)氣隙的分析及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

李志宏1，強(qiáng)雄2，計(jì)麗霞1，朱岷3

(1. 上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海200240；

2. 上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海200063；

3. 上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093)

摘要：介紹了直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及市場(chǎng)應(yīng)用前景，對(duì)其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了闡述。通過(guò)對(duì)樣本電機(jī)的測(cè)試，獲得在不同氣隙下的輸入功率、推力和功率因數(shù)等性能數(shù)據(jù)，分析了磁場(chǎng)氣隙調(diào)整對(duì)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)性能的重要影響，為設(shè)計(jì)、制造和調(diào)整不同工況下氣隙值的選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)； 氣隙； 磁場(chǎng)； 推力

通訊作者：計(jì)麗霞

中圖分類號(hào)：TM 306文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

收稿日期:2015-06-20

Linear Induction Motor Air Gap Magnetic Field of

Analysis and Design of Experiment

LIZhihong1，QIANGXiong2，JILixia1,ZHUMin3

(1. Institute of Electric Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 200240, China；

2. Shanghai Engineering Research Center of Motor System Energy Saving, Shanghai 200063, China;

3. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of

Shanghai for Science & Technology, Shanghai 200093, China)

Abstract：The characteristics and market prospect of application of linear induction motor were introduced, the structure and working principle were expounded. Through to the sample motor test, obtained under different air gap of the input power, thrust and power factor and other performance data, analysis of the air gap magnetic field adjustment important influence on the properties of linear induction motor, adjust the under different working conditions for the design, manufacture and provide reference for the selection of the air gap value. gap magnetic field of the analysis and design of experiment.

Key words： linear motor； air gap； magnetic field； propulsion

0引言

采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，最大的優(yōu)勢(shì)是取消了機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)。該直接的傳動(dòng)方式不僅節(jié)省了能量，同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、精度高、加減速能力強(qiáng)、運(yùn)行噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的軌道交通日益受到推崇，主要是其牽引力不受輪軌摩擦的限制，而是依靠電動(dòng)機(jī)的一次側(cè)與二次側(cè)之間的電磁推力驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，具有很大優(yōu)勢(shì)。直線電機(jī)的原理雖不復(fù)雜，但在設(shè)計(jì)、制造方面有其自己的特點(diǎn)。對(duì)于直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，磁場(chǎng)氣隙是一個(gè)非常重要的參數(shù)，為此作者選取了1臺(tái)三相交流380V、Y接、同步速度4.5m/s、額定氣隙8mm的樣本電機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析，詳細(xì)論證磁場(chǎng)氣隙的變化對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的影響。

1直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)可以看作是將一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)沿徑向剖開(kāi)，并將電動(dòng)機(jī)的圓周展開(kāi)成直線而形成。其定子相當(dāng)于直線電動(dòng)機(jī)的一次側(cè)，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線電動(dòng)機(jī)的二次側(cè)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將初級(jí)和次級(jí)制造成不同的長(zhǎng)度，以保證在所需行程范圍內(nèi)初級(jí)與次級(jí)之間的耦合保持不變。直線電機(jī)可以是短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)，也可以是長(zhǎng)初級(jí)短次級(jí)，考慮到制造成本、運(yùn)行費(fèi)用，目前一般均采用短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)。工作原理上，對(duì)于直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)當(dāng)一次側(cè)繞組(即初級(jí)繞組)通入交流電源后產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)沿著直線方向按正弦規(guī)律分布，它不是旋轉(zhuǎn)而是沿著直線方向平移前進(jìn)，通常稱為行波磁場(chǎng)，其移動(dòng)速度類似于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，也稱為同步速度，即有:

vs=2f1τ

式中:f1——電源頻率；

τ——極距。

行波磁場(chǎng)切割二次側(cè)導(dǎo)條(即次級(jí)繞組)在導(dǎo)條中產(chǎn)生感生電勢(shì)和電流，電流和磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，推動(dòng)二次側(cè)順著行波磁場(chǎng)方向向前作直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件的直線運(yùn)動(dòng)。反之，也可以二次側(cè)固定，一次側(cè)作直線運(yùn)動(dòng)。

2直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)氣隙分析及試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

在電動(dòng)機(jī)中靜止的磁極與旋轉(zhuǎn)的電樞之間的間隙稱為氣隙。在小容量電機(jī)中，氣隙一般為0.5～3mm。氣隙數(shù)值雖小，但磁阻很大，為電機(jī)磁路的主要組成部分。

旋轉(zhuǎn)電機(jī)一旦制造完成后氣隙是固定不變的，而直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)最大特點(diǎn)在于氣隙是可以調(diào)整的，通過(guò)調(diào)整氣隙可獲得不同的推力、電流、功率因數(shù)等特性。推力F隨氣隙δ改變而改變，氣隙越大電機(jī)的漏磁會(huì)加大，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子的作用力減小，導(dǎo)致輸出扭矩減小，空載電流變大，轉(zhuǎn)子對(duì)線圈的反電動(dòng)勢(shì)減小，耗電增加，效率和功率因數(shù)會(huì)降低一些；當(dāng)氣隙減小時(shí)其特性就會(huì)改善，推力增大，效率和功率因數(shù)得到提高。其次，直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的最大推力出現(xiàn)在高轉(zhuǎn)差區(qū)即s=1時(shí)，所以它的起動(dòng)推力較大，而在高速區(qū)推力相對(duì)小些。但氣隙也不宜太小，否則容易發(fā)生一次側(cè)和二次側(cè)之間過(guò)大的吸力而發(fā)生碰撞現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子鐵心會(huì)與定子鐵心產(chǎn)生摩擦，一旦產(chǎn)生摩擦，就會(huì)破壞鐵心的絕緣，產(chǎn)生渦流，電機(jī)發(fā)熱，使電機(jī)壽命降低。一般要求單邊氣隙至少1～2mm，且可以在實(shí)際運(yùn)用中適當(dāng)調(diào)整。

在實(shí)際應(yīng)用中由于受到二次側(cè)板加工精度、軌道加工精度及安裝工藝等誤差影響，不一定保持在初始設(shè)計(jì)所要求的氣隙值，存在著不確定性。因此需要通過(guò)試驗(yàn)了解氣隙的變化關(guān)系曲線對(duì)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)的影響，并作出相應(yīng)調(diào)整以期達(dá)到較高的推力和能效。為了闡明磁場(chǎng)氣隙與推力、電壓、電流等之間關(guān)系，專門(mén)選取了一臺(tái)典型規(guī)格樣機(jī)，進(jìn)行了一系列試驗(yàn)作為分析的依據(jù)。

2.1固定氣隙下直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性

直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性試驗(yàn)主要是測(cè)試在固定氣隙下，隨著電壓變化，推力、電流和功率因數(shù)等的變化情況。通過(guò)分析該試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以從中了解直線感應(yīng)電機(jī)內(nèi)在規(guī)律。試驗(yàn)線路的接線示意圖如圖1所示。試驗(yàn)之前先調(diào)整好電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方向與傳感器的測(cè)力方向保持一致，然后調(diào)節(jié)磁場(chǎng)氣隙為恒定值，具體試驗(yàn)中δ=2mm。調(diào)節(jié)電源電壓，對(duì)應(yīng)每個(gè)電壓，測(cè)得相應(yīng)的電流、輸入功率、推力和功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，如表1所示，以作分析比較。

圖1　試驗(yàn)線路接線示意圖

電壓/V電流/mA輸入功率/W推力/N功率因數(shù)100606.31.110.611609615.31.440.5920011923.72.230.5830017954.93.570.5838022987.94.100.57420255106.54.840.57

試驗(yàn)時(shí)電源電壓不宜過(guò)高，特別是超過(guò)額定電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流較大，二次側(cè)板發(fā)熱加劇，可能影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，因此讀數(shù)時(shí)注意快速進(jìn)行。這里的電流是指直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的堵動(dòng)電流，推力也是二次側(cè)繞組靜止時(shí)產(chǎn)生的推力F(即s=1時(shí)數(shù)值)。

由表1中的數(shù)據(jù)和圖2、圖3可以看出，堵動(dòng)電流隨著電壓升高而逐漸增大，輸入功率和推力也相應(yīng)增大；低電壓時(shí)功率因數(shù)相對(duì)較高，電壓較高時(shí)功率因數(shù)適當(dāng)降低，但變化不大，基本維持在0.57～0.59的范圍。這些特性與交流旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相類似。

圖2　電壓-電流特性

圖3　電壓-推力特性

2.2不同氣隙時(shí)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的特性分析

電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)氣隙的大小對(duì)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)及運(yùn)行特性有很大影響。直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在安裝時(shí)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整氣隙的大小。研究電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)氣隙的大小變化關(guān)系對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性的影響意義重大。通過(guò)試驗(yàn)可得到一組推力、電流和功率因數(shù)隨氣隙變化的特性關(guān)系，這些特性在設(shè)計(jì)、制造和安裝直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，以及在不同工況下氣隙值的選擇都有很大參考作用。

按圖1所示的試驗(yàn)線路進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)保持電源電壓為額定值380V，并調(diào)整磁場(chǎng)氣隙在1～8mm變化，對(duì)應(yīng)每個(gè)氣隙值讀取電流、輸入功率、推力、功率因數(shù)，如表2所示。

表2數(shù)據(jù)在二次側(cè)靜止即堵動(dòng)狀態(tài)下測(cè)得。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出在額定電壓380V下，電流隨著氣隙增大而逐漸增大，輸入功率和功率因數(shù)卻隨之降低，推力也逐次減?。环粗?，當(dāng)氣隙減小時(shí)，電動(dòng)機(jī)的性能就會(huì)相對(duì)改善。直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的最大推力出現(xiàn)在高轉(zhuǎn)差區(qū)域(即s=1時(shí)的起動(dòng)位置)附近，而在高速區(qū)域(即s較小時(shí))推力較小，通常起動(dòng)推力達(dá)到技術(shù)要求時(shí)，高速區(qū)域的推力都能滿足使用要求。氣隙也不宜過(guò)小，否則轉(zhuǎn)子鐵心和定子鐵心會(huì)發(fā)生摩擦使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，壽命降低。因此，在直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中，氣隙值的選擇顯得尤為重要，只有選擇合適的氣隙值，才能使電動(dòng)機(jī)高效平穩(wěn)運(yùn)行，滿足實(shí)際運(yùn)行的需要。

圖4　推力-氣隙特性

3結(jié)語(yǔ)

磁場(chǎng)氣隙是直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)，氣隙大小的變化會(huì)直接影響到電磁推力、初級(jí)繞組電流及功率因數(shù)等特性，而推力和電流的大小對(duì)電氣設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，故分析直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)氣隙變化對(duì)電機(jī)性能影響有較大的意義。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]王會(huì)永，滿忠雷，李向男，等.直線電機(jī)在制造業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2013(3)： 1-3.

[2]陳隆昌，閻治安，劉新正，等.控制電機(jī)[M].西安: 西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

[3]程明.微特電機(jī)及系統(tǒng)[M].北京.中國(guó)電力出版社，2008.

[4]葉云岳.直線電機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2000.