1、河南机电高等专科学校 河南机电高等专科学校先 进 制 造 技 术 课 程 论 文论文题目：直线电机的概述系 部： 机械工程系专 业：机械设计及其自动化班 级： 机制 124学生姓名： 赵晨伟学 号： 120414203指导教师： 安林超2014 年 11 月 04 日河南机电高等专科学校 直 线 电 机 的 概 述赵 晨 伟 （河南机电高等专科学校，河南 新乡 453000）引言本文系统的阐述了直线电机的发展由来，以及直线电机的发展方向。将直线电机的工作原理、基本结构、结构分类、功能用途都进行了系统详细的说明，并且列举了几个相对来说比较详尽，比较有意义、有价值的实例将直线电机再次系统的，全面的
2、进行了阐述。而且介绍了我国直线电机的发展状况，以及未来的前景。河南机电高等专科学校 目录一、直线电机的概述。1、直线电机的发展由来.12、直线电机的发展方向.1二、直线电机的基本结构。1、扁平结构.12、圆筒型（管型结构）.23、弧形和盘型结构3三、直线电机的分类 1、功能用途分类：4（1）力电机4（2）功电机4（3）能电机42、工作原理分类：4（1）直线直流电机4（2）直线同步电动机5（3）直线直步电动机5四、直线电机的优缺点5五、直线电机的应用实例.6六、结论.13参考文献14河南机电高等专科学校 01、直线电机的概述。1、直线电机的发展由来：直线电机是一种能将电信号直接转换成为直线位移的
3、电机。无需转换机构即可直接获得直线运动，没有传动机械的磨损，并且噪音低、结构简单、操作维护方便。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同长度，以保证在所需行程范围内才初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。目前直线电机主要应用的机型有直流直线电机、交流直线电机以及直线步进电机等，在实际中应用较多的是交流直线电机。2、直线电机的发展方向：就目前来看直线电机向着永久电机，各种伺服电机发展，更注重电极材料、结构与工
4、艺方面的改进和新的应用；系统控制在成熟的技术上向新的控制方法发展；市场方面向着智能化、低成本、长寿命以及新的应用市场发展。2、直线电机的基本结构。1、扁平结构扁平型直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的周围展成直线。河南机电高等专科学校 11-1定子演变来的一侧称为初级，转子演变来的一侧称为次级。由旋转电机演变而来的最原始的直线电机初级和次级长度相等，运行中初级与次级的耦合不定，不能正常工作。为了保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变，实际应用时，将初级与次级制造成不同的长度。既可做成短初级长次级型，也可做成长初级短次级型。但
5、短初级在制造成本上、运行费用上均比短次级低得多，因此目前除特殊场合外，一般采用短初级。演变而来的原始直线电机仅一边安放初级，称为单边型直线电机。单边型电机的初级与次级之间存在着很大的法向吸力，在钢次级时约为推力的 10倍左右，大多数场合下，这个力是不希望存在的。因此在次级两边都装上初级，做成双边型结构，以抵消法向吸力。2、圆筒型（管型）结构可以认为是将扁平型直线电机沿着和直线运动相垂直的方向卷接成筒形而来的。河南机电高等专科学校 22-2图 2-2a表示一台旋转式电机以及定子绕组所构成的磁场极性分布情况；图 2-2b表示转变为扁平形直线电机后，初级绕组所构成的磁场极性分布情况；将扁平形直线电机
6、沿着和直线运动相垂直的方向卷接成筒形，这样就构成图 2-2c所示的圆筒型直线电机。3、弧型和盘型结构弧型是将扁平型直线电机的初级沿运动方向改成弧型，并安放于圆柱形次级的柱面外侧。3-3图 3-3是圆盘形直线电机。该电机把次级做成一片圆盘(铜或铝，或铜、铝与铁复合)，将初级放在次级圆盘靠近外缘的平面上，盘形直线电机的初级可以是双面的，也可以是单面的。园盘形直线电机的运动实际上是一个圆周运动，如图中的箭头所示，然而由于它的运行河南机电高等专科学校 3原理和设计方法与扁平形直线电机结构相似，故仍归入直线电机的范畴。3、直线电机的分类1、功能用途分类：（1）力电机主要的衡量指标是推理和功率比，主要应用
7、在阀门开闭、门窗移动、机械手操作、推车等场合中。（2）功电机主要衡量指标是效率及功率因数，主要应用场合是高速磁悬浮列车、高速运行的输电线中。（3）能电机主要衡量指标是能效率（输出动能或电源提供的电能），主要应用场合导弹、鱼雷的发射、飞机的起飞等。2、工作原理分类（1）直线直流电动机与直线感应电动机相比，直线直流电动机没有功率因数低的问题，运行效率高，并且控制方便、灵活。若与闭环控制系统结合在一起，则可以精密地控制直线位移，其速度和加速度控制范围广，调速平滑性好。直线直流电动机的主要缺点还是电刷和换向器之间的机械磨损，虽然在短行程系统中，直线直流电动机可以采用无刷结构，但在长行程系统中，就很难河
8、南机电高等专科学校 4实现无刷无接触运行。按照励磁方式的不同，直线直流电动机可分为永磁式和电磁式两种，前者多用于功率较小的自动记录仪表中，如记录仪中笔的纵横走向驱动，摄影机中快门和光圈的操作等；后者主要用于较大功率的驱动。（2）直线同步电动机在一些要求直线同步驱动的场合，如电梯、矿井提升机等垂直运输系统，往往采用直线同步电动机。直线同步电动机的工作原理与旋转同步电动机是一样的，就是利用定子合成移动磁场和动子行波磁场相互作用产生同步推力，从而带动负载做直线同步运动。直线同步电动机可以采用永磁体励磁，这样就成为永磁式直线同步电动机。（3）直线直步电动机直线步进电动机是由旋转步进电动机演变而来的，其
9、工作原理就是利用定子和动子之间气隙磁阻的变化而产生电磁推力。从结构上来说，直线步进电动机通常制成感应子式(即混合式)。4、直线电机的优缺点。1、直线电机由于结构上的改变，所以具有以下优点（1）不需任何转换装置，传递效率高 （2）直线速度可以不受限制 （3）无机械接触，无磨损（4）噪声很小，运行环境好 （5） 密封后可以用于特殊场合（6） 散热面大，热负荷高河南机电高等专科学校 52、同时也具有一些缺点（1）效率和功率因素低 ，尤其是在低速时比较明显（2）启动推力受电源电压的影响较大 （3）出现了附加损耗5、直线电机的应用实例1、磁悬浮列车5.1-1磁悬浮列车是 21 世纪理想的超级特别快车，世
10、界各国都十分重视发展磁悬浮列车。目前，我国和日本、德国、英、美等国都在积极研究这种车。 目前世界上有三种类型的磁悬浮技术，它们是常导电磁悬浮、超导电动磁悬浮、永磁悬浮。常导电磁悬浮由德国研发并拥有核心技术；超导电动磁悬浮由日本研发并拥有核心技术；永磁悬浮由中国大连永磁悬浮课题组自主研发，是拥有核心及相关技术发明专利的原始创新技术，是独立于德国、日本磁悬浮技术之外的磁悬浮技术。(1)常导电磁悬浮技术河南机电高等专科学校 6图 5.1-1所示为常导高速磁悬浮列车模型。该列车采用“异性相吸”原理设计，是“常导磁吸型”（简称“常导型”）直线感应电动机磁悬浮列车。利用安装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁，
11、和铺设在轨道上的磁铁，在磁场作用下产生的吸力是车辆浮起来。直线感应电动机的初级绕组装在车厢底部，次级反应轨由铝钢复合板制成，固定在路基上。反应轨下面还装有电磁铁，电磁铁从侧面与车厢连接在一起，控制电磁铁的电流使电磁铁和轨道间保持 1厘米的间隙，让转向架和列车间的吸引力与列车重力相互平衡，利用磁铁吸引力将列车浮起 1厘米左右，使列车悬浮在轨道上运行。这必须精确控制电磁铁的电流。5.1-1悬浮列车的驱动和同步直线电动机原理一模一样。通俗说，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变成电磁体，由于它于列车上的电磁体的相互作用，使列车开动。列车头部的电磁体 N极被安装在靠前一点的轨道上的电磁体 S
12、极所吸引，同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体 N极所排斥。列车前进时，线圈里流动的电流方向就反过来，即原来的 S极变成 N极，N 极变成 S极。循环交替，列车就向前奔驰.稳定性由导向系统来控制。“常导型磁吸式”导向系统，是在列车侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。列车发生左右偏移时，列车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，产生排斥力，使车辆恢复正常位置。列车如运行在曲线或坡道上时，控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制，达到控制运行目的。世界第一条磁悬浮列车示范运营线上海磁悬浮列车，是常导型磁悬浮列车。上海磁悬浮列车时速 430公里，一个供电区内只能允许一辆列车运行，轨道两侧 25米处有隔离
13、网，上下两侧也有防护设备。转弯处半径达 8000米，肉眼观察几乎是一条直线；最小的半径也达 1300米。乘客不会有不适感。轨道全线两边 50米范围内装有目前国际上最先进的隔离装置 。河南机电高等专科学校 7（2）超导电动磁悬浮图 5.1-2所示为超导电动磁悬浮列车，基于直线同步电动机原理设计。直线同步电动机电枢绕组埋在路基中间，励磁绕组采用超导线圈，安装在车厢底部。由于超导线圈能提供极强的磁场，因此这种电机不需要铁心。车厢底部两侧还装有供磁悬浮用的超导磁浮线圈，在其下方的地基中铺有导电铝板，磁浮线圈产生的磁场在铝板中感生电流，它们相互作用产生推斥力，使列车悬浮。这是一种超导斥浮型高速列车。日本
14、的超导磁悬浮列车已经过载人试验，即将进入实用阶段，运行时速可达 500 千米以上。5.1-2（3）永磁悬浮技术上述两种方案各有利弊。超导斥浮型直线同步电动机初、次级之间的气隙可以设计得比较大，易于控制，但由于采用超导，且全程都必须设置电枢绕组，因此总体成本高；常导吸浮型直线感应电动机的气隙不能做得过大，否则电动机的效率和功率因数都偏低，所以它对控制系统的要求较高，但成本要低不少。永磁悬浮技术是中国自己拥有核心及相关技术发明专利的原始创新技术。日本和德国的磁悬浮列车在不通电的情况下，车体与槽轨是接触在一起的，而利用永磁悬浮技术制造出的磁悬浮列车在任何情况下，车体和轨道之间都是不接触的。驱动系统采
15、用自主研发的磁动机技术。磁动机由永磁转子轮和直线定子铁靴构成，定子与转子之间不接触，依靠永磁场产生吸力或拉力，从而驱动磁悬浮列车运行或制动，它均布在列车动力舱内，属分散动力装置，是永磁悬浮列车的核心技术之一。河南机电高等专科学校 8磁动机已经在轻型吊轨磁悬浮技术验证车（中华 06号，如图 5.1-3所示）的专用装置上成功试用，并在专用模拟圆周轨道上运行成功。大连正在建设目前世界最先进的三公里永磁悬浮试验线，运行槽轨磁悬浮列车（中华 01号，如图 9.31所示），最高速度可达每小时320公里。 5.1-3永磁悬浮技术装备的列车具有六个领先优势：一是节能、环保，悬浮耗能少，列车在运行过程中噪音低；
16、二是超强的运载能力，运输能力相当于现行火车；三是安全，由于永磁悬浮采用车、路一体化结构与控制设计，杜绝发生追尾、撞车、脱轨和翻车可能；四是路车综合造价最低，综合造价远低于国外；五是运行成本最低，国外磁悬浮运行成本略低于飞机，而永磁悬浮运行成本低于现行火车。2、机械手5.2-1河南机电高等专科学校 9图 5.2-1所示为电机制造中传递硅钢片冲片的机械手示意图。直线感应电动机的次级端头装有电磁铁，冲片冲好后，直线电机通电，电磁铁随同次级进入冲床，电磁铁通电把冲好的冲片吸上后，直线电机反向通电，把冲片从冲床内带出，电磁铁断电，冲片靠自重落下，集聚在预置的框内。3、电磁锤5.3-1图 5.3-1所示为
17、用于机械加工的电磁锤示意图，电磁锤的锤杆用两根角钢焊接完成空心的钢杆，在其两侧各装一个直线感应电动机的初级。初级通电，锤杆升起；初级断电，锤杆自由落下打击工件。4、电磁打箔机河南机电高等专科学校 105.4-1图 5.4-1所示为电磁打箔机示意图，电磁打箔机采用圆筒型直线感应电动机作为动力源。初级通电后，锤杆向上运动，当锤杆上升到一定高度时断电，由于惯性的作用，锤杆继续上升，撞击顶部的弹簧，然后依靠弹簧的储能和锤杆、锤头的重力势能打击工件。电动机间歇通电，锤杆即能做上下往复运动。工件为韧性较大的纸包，其中包有金箔。在锤头频繁的锻打下，金箔可被打制成很薄的箔片，其厚度可达 0.2m。5、笔试记录
18、仪笔式记录仪主要由动圈型永磁直线直流电动机、运算放大器和平衡电桥组成，如图 5.5-1所示。电桥平衡时，没有电压输出，这时直线电动机所带的记录笔处在仪表的指零位置。当外来信号 EW不等于零时，电桥失去平衡，运算放大器产生一定的输出电压，推动直线电动机的可动线圈做直线运动，从而带动记录笔在记录纸上把信号记录下来。同时，直线电动机还带动反馈电位器滑动，使电桥重新趋向平衡。河南机电高等专科学校 115.1-16、新型电梯5.6-1图 5.6-1所示的永磁式直线同步电动机矿井提升系统同样可以应用于电梯这种垂直运输系统。同传统的绳索电梯和液压电梯相比，基于直线电机的新型电梯具有如下优点：（1）节约场地。
19、因为直线电机电梯的轨道即是直线电机的定子，没有必要专门铺设垂直轨道，具有增加有效面积的优点。（2）节省电力。新型直线电机电梯的最高速度可达 1.75ms，这样的速度，绳索电梯的曳引机必须采用齿轮减速器变速，电梯升降系统的传动效率会明显降低。而直线电机因其是河南机电高等专科学校 12非接触的驱动机构，所以没有传动效率降低的情况。和液压电梯相比，电力消耗的差别更大，它比液压电梯可节约 60以上的能量。(3)可靠性高。绳索电梯的曳引机由齿轮减速器、旋转电机曳引轮、防振机构等组成，液压电梯的动力部分是由旋转电机、液压油泵控制阀、油箱和油冷却器组成，都比较复杂。而直线电机电梯的驱动机构十分简单，而且由于
20、自动保持一定的气隙，没有零件的摩擦，因而也就不会产生磨损，这样就可以使电梯运行的可靠性大大提高，维修保养也十分方便。(4)噪声低。直线电机电梯没有减速器、旋转电机及液压油泵运转时所产生的噪音，也没有钢丝绳和曳引轮之间摩擦所产生的噪声，而且钢丝绳的寿命也会大大提高。6、结论直线电动机是一种做直线运动的电机，作为小功率控制电机使用时，可以将输入的电压信号直接转换成输出的直线位移。直线电机是在旋转电机的基础上演变而来的，因此其工作原理与旋转电机相似，而结构可以根据需要制成扁平型、圆筒型或弧型等。本文主要对具有代表性的直线感应电动机、直线直流电动机、直线同步电动机、直线步进电动机的基本结构、工作原理和
21、应用领域进行了介绍。河南机电高等专科学校 13参考文献：1 任建标.生产与运作管理.北京：电子工业出版社，2006.2 刘成颖.精密加工技术实用手册.北京：机械工业出版社，2001. 3 陈定方.虚拟设计.北京：机械工业出版社，2002.4 刘慧.供应链管理.北京：中国人民大学出版社，2002.5 刘飞.先进制造技术.北京：中国科学技术出版社，2004.6 张世昌.先进制造技术.天津：天津大学出版社，2004.7 徐滨士.21 世纪绿色再造工程及进展.材料导报，2002,16（1）：3-68 黄靖远.机械设计学.北京：机械工业出版社，2008.9 张春林.机械创新设计.北京：机械工业出版社，2002.10 李立斌.机械创新设计基础.长沙：国防科技大学出版社，2002.11 曲继方.技术创新教程.北京：冶金工业出版社，2005.12 赵新军.技术创新理论及应用.北京：化学工业出版社，2004.
