专题五十四 直线电机（课件）-河南省对口招生《电压与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

专题五十四 直线电机 《电压与变压器》（第5版） 高教社 考纲解读 知识点梳理和重点概念复习 真题或常考题讲解 内容归纳小结 考纲解读--常见考点 1.直线电机分类：按机种分为直线感应、同步、直流、步进电机等，需掌握分类依据及各类电机的核心特征，如直线异步电机的平板形与管形结构。 2.结构与演变：平板形直线异步电机由旋转电机剖开展平而成，含初级和次级；管形电机由平板形卷绕演变，无端部绕组，需明确两者结构差异。 3.直线同步电机应用：采用长定子技术，初级和次级均有励磁线圈，广泛用于高速磁悬浮列车等轨道交通，因能实现磁场与移动同步。 01 02 03 考纲解读--考试要求 理解管形直线电机的优缺点，能分析其效率低、推力受电压影响等特性产生的原因。 会根据运动速度、推力、定位精度等要求，选择合适类型的直线电机，如高速轨道交通选直线同步电机。 能准确描述直线异步电机的结构演变，说明平板形与管形的初级、次级对应关系及“短初级”结构的原因。 如“下列属于按机种分类的直线电机是（ ）”，考查对分类方式的掌握。 选择题 简答题 如“平板形直线异步电机的初级对应旋转电机的转子（错误）”，判断结构对应关系。 实操分析题 如“精密进给系统应选用哪种电机（直线步进电机）”，匹配电机类型与场景。 考纲解读--易考题型 知识点梳理和重点概念复习--知识点思维导图 知识点梳理和重点概念复习 直线电机(见图8-51)是直接产生直线运动的电动机。它可以看成是旋转电机演化而来的。 与旋转电机相对应，直线电机按机种分类可分为直线感应电动机、直线同步电机、直线直流电机和其他直线电机(如直线步进电机等)。旋转电机的定子和转子，在直线电机中称为一次(或初级)和二次(或次级)。 知识点梳理和重点概念复习 一、直线异步电机 直线异步电机有平板形、管形等结构形式。平板形直线异步电机可以看作将普通笼型转子三相异步电动机沿径向剖开后展平而成，如图8-52所示。对应于旋转电机定子的一边嵌有三相绕组，称为一次；对应于旋转电机转子的一边称为二次或滑子。实际平板形直线异步电动机初级长度和滑子长度并不相等，通常是滑子较长。各类直线电机在工业应用方面得到了迅速发展，制成了不少有使用价值的装置，如用直线电机传动的电动门、电磁搅拌器、传送带、自动绘图仪和计算机磁盘定位机构等。 知识点梳理和重点概念复习 1.平板形直线异步电动机 平板形直线异步电动机(见图8-53)初级铁心由硅钢片叠成，其表面的槽中嵌有三相绕组(有些是单相或两相绕组),滑子由整块钢板或铜板制成片状，其中也有嵌入导条的。 知识点梳理和重点概念复习 为了使“滑子”做直线运动后，初级和滑子之间的相互作用仍能基本保持不变，在实际使用中，必须把初级和滑子做成长度不等的结构。根据初级和滑子之间相对长度，平板型电机又可分为“短初级”和“短次级”两类，如图8-54所示。由于“短初级”结构较简单，制造和运行费用较低，故直线电机一般采用短初级结构。 为了抵消初级磁场对滑子的单边磁吸力，平板形直线异步电动机通常采用双边结构，图8-55所示直线电机仅在滑子的一边具有初级，这种类型称为单边型结构。如果在滑子两侧的对称位置上都装上初级，就形成了如图8-55所示双边型结构直线电动机。 知识点梳理和重点概念复习 2.管形直线电机 (1)管形直线电机的结构 如果把这种扁平的初级、次级卷绕在一根与磁场运动方向平行的轴上，即可得到一种结构上与平板形直线电机完全不同的管形直线电机，其演变过程如图8-56所示。管形直线电机的工作原理与旋转电机相似，当在初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将产生感应电动势和电流，该电流与气隙中的磁场相互作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力的作用下做直线运动。反之，则初级做直线运动。它把电能直接转变为直线运动的机械能而无中间变换装置。图8-57所示为管形直线感应电机典型结构。 知识点梳理和重点概念复习 知识点梳理和重点概念复习 普通旋转电机和平板形直线电机端部绕组浪费材料，增加成本，增加了电阻损耗和端部漏抗。管形直线感应电机的初级绕组只是简单地由一系列共轴线圈组成，然后由三相电源顺序供电，并无端部绕组，因而管形直线感应电机初级绕组利用率高，同时也没有横向边缘效应，也不存在端部漏磁通以及附加阻抗，并且在圆柱形次级上也不存在总径向力，因此，减小了直线轴承上所承受的应力，也使其制造工艺大大简化。 知识点梳理和重点概念复习 管形直线感应电机的齿部是用圆形硅钢片叠压而成；其轭部一般用厚壁钢管做成，但为提高效率，也可由硅钢片叠压而成；次级可以有三种：第一种是一根厚壁钢管或叠片铁心，称为钢次级或磁性次级，钢既起导磁作用，又起导电作用，由于钢的电阻率较大，故钢次级的电磁性能较差；第二种为钢管或叠片铁心上复合一层非磁性材料——铜层(或铝层),称为复合次级，在复合次级中，钢主要用于导磁，而导电主要靠非磁性层，它的电磁性能要比磁性次级好得多，第三种是在钢管或叠片铁心上开槽，槽中放入非磁性材料——铜环或铝环，称为笼型次级，这种直线电机性能较好，但结构和工艺较复杂。钢次级虽然结构简单，但是涡流损耗很大，所以一般不采用。另外，管形直线电机的散热条件比较差，因此适合小功率的电机。上述三种类型次级，后两者单位体积产生的启动推力较大。 知识点梳理和重点概念复习 早在1917年就出现了第一台管形直线电机，事实上那是一种具有换接初级线圈的直流磁阻电机。直至20世纪50年代中期，控制、材料等技术的飞速发展极大地促进了直线电机的发展，管形直线电机的优越性开始体现出来，其应用范围越来越广。1978年A.Mendrela和J.Turowski设计了一种能产生螺旋运动的直线感应电机，并用于车床和镗床上；也有人将管形直线电机用于加工中心的机械手中。近年来，管形直线电机在机床上的应用增多，而且发展较快。特别是在行程长度小于0.5m的情况，采用管形直线电机能更好地利用材料，可使相应的传动装置结构更加简单紧凑，因而受到了高度的重视。 知识点梳理和重点概念复习 (2)管形直线电机的优缺点 管形直线电机的优缺点见表8-8。 知识点梳理和重点概念复习 二、直线同步电机 直线同步电机一般采用长定子技术，与异步电机不同，同步电机初级和次级均有励磁线圈，可使定子磁场变化与滑子移动同步，广泛应用于轨道交通领域。定子线圈(初级线圈)安装在导轨上，而转子线圈(次级线圈)安装在车辆上。导轨上的定子磁场与车辆上的转子磁场同步运行，控制转子磁场的移动速度就可以准确控制列车的运行速度。高速、超高速磁悬浮列车一般使用该种长定子直线同步电机。长定子直线同步电机原理示意图如图8-58所示。 知识点梳理和重点概念复习 三、直线步进电机 兼有进行直线运动的直线电机特征和进行步进动作的步进电机称为直线步进电机。直线运动的步进动作可用在计算机周边末端机器和数控机床工作台的进给等方面，此外制图机和作为软磁盘的驱动源也是发挥其特点的地方。 下面简单介绍齿槽直线步进电机的工作原理，在此之前先介绍磁通量的叠加。当图8-59(a)所示线圈中没有电流流过时，存在永久磁铁产生的磁通量，在左方有齿的部分这个磁通量被分为两部分通过。可是，当线圈通电时，在左侧的齿上由电流产生向下的磁通量，增强了永久磁铁产生的磁通量，但右侧的齿上电流产生的磁通量向上，抵消了永久磁铁产生的磁通量。因此，结果是磁通量不通过右侧的齿，都集中在左侧的齿上。 知识点梳理和重点概念复习 利用这个原理，可以控制转子在平面上的运动。如果把图8-60(a)所表示的线圈励磁，就会在图示的位置形成稳定点。在右边部分永磁铁磁通量产生的力达到平衡。其次，把原来通电的线圈断电，把相反一侧像图中表示的那样接到电源上，则磁铁向右移动齿和齿的间隔(称为齿距)的1/4。然后又静止在稳定点。而左边的线圈若通以与图8-60(a)中所示反向的电流，则进一步向右移动1/4齿距，变成图8-60(c)所示，随后，若在右边的线圈上通以与图8-60(b)反向的电流，则又前进1/4齿距。 利用这样的原理，通过在X轴、Y轴上使用两组相互垂直的磁铁，就可实现在平面上进行二维动作的步进电机。为了使磁铁部分浮起来，可用吹入空气的方法使其浮起。 知识点梳理和重点概念复习 知识点梳理和重点概念复习 四、直线电机的选择应用 直线电机能直接产生直线运动，这一点对直线运动机械设计者和使用者有很大的吸引力。不少直线运动的机械是由旋转电机传动的，这时就必须配置由旋转运动变为直线运动的机械传动装置，使得整个装置机构庞大，成本较高和效率较低。采用直线感应电机，不但省去了机械传动机构，而且可因地制宜地将直线感应电机的初级和次级安放在适当的空间位置或直接作为运动机械的一部分，使整个装置紧凑合理，有时还可以降低成本和提高效率。此外在某些场合，直线感应电机有它独特的应用，是旋转电机所不能替代的。但是并不是任何场合使用直线感应电机都能取得良好效果。为此必须首先了解直线电机的应用原则，以便能恰到好处地应用它。其应用原则有以下几个方面。 知识点梳理和重点概念复习 (1)选择合适的运动速度。直线感应电机的运动速度与同步速度有关，而同步速度又正比于极距。因此，极距的选择范围决定了运动速度的选择范围。极距太小会降低槽的利用率，增大槽漏抗和减小品质因数，从而降低电动机的效率和功率因数。极距的下限通常取30 mm。极距可以没有上限，但当电机的输出功率一定时，初级铁心的纵向长度是有限的；同时为了减小纵向边缘效应，电动机的极数不能太少，故极距不可能太大。对于工业用直线感应电机，极距的上限一般为300 mm。这样在工频供电时，同步速度的选择范围相应地为30~250 mm/s。当运动速度低于这一选择范围下限时，一般不宜使用直线感应电机，除非使用变频电源，通过降低电源的频率来降低运动速度。在某些场合，允许用点动的方法来达到很低的速度，这时可以避免使用变频电源。 知识点梳理和重点概念复习 (2)要有合适的推力。旋转电机可以适应很大的推力范围。将旋转电机配上不同的变速箱，可以得到不同的转速和转矩。在低速的场合，转矩可以扩大几十倍至几百倍，以至于用一个很小的旋转电机就可以推动一个很大的负载，当然功率是守恒的。直线感应电机则不同，它无法用变速箱改变速度和推力，因此它的推力无法扩大。要得到比较大的推力，只能依靠加大电动机的尺寸，这有时是不经济的。一般来说，在工业应用中，直线感应电机适用于推动轻载。 知识点梳理和重点概念复习 (3)要有合适的往复频率。在工业应用中，直线感应电机是往复运动的。为了达到较高的劳动生产率，要求有较高的往复频率。这意味着电动机要在较短的时间内走完行程，在一个行程内，要经历加速和减速的过程，也就是要启动一次和制动一次。往复频率越高，电动机的加速度就越大，加速度所对应的推力越大，有时加速度所对应的推力甚至大于负载所需推力。推力的提高导致电动机的尺寸加大，而其质量加大又引起加速度所对应的推力进一步提高，有时产生恶性循环。为此在设计电机时，应当充分重视对加速度的控制。根据合适的加速度计算出走完行程所需时间，由此决定电机的往返频率。在整个设计中，应尽量减小运动部分的质量，以便减小加速度所对应的推力。 知识点梳理和重点概念复习 (4)要有合适的定位精度。在许多应用场合，电动机运行到位时由机械限位使之停止运动。为了使在到位时冲击小，可以加上机械缓冲装置。在没有机械限位的场合，比较简单的定位方法是，在到位前通过行程开关控制，对电机做反接制动或能耗制动，使在到位时停下来。但由于直线电机的机械特性是软特性，电源电压变化或负载变化都会影响电动机在开始制动时的初速度，从而影响停止时的位置。因此这种定位方法只能用于电源电压稳定且负载恒定的场合。 知识点梳理和重点概念复习 直线感应电机的应用面相当宽，可用于高速列车、传送车、传送线、传送带、机械手、电动门、加速器、电磁锤、电磁搅拌器和电磁泵、金属分离器、帘幕驱动器等。还有一些特殊的直线电机应用在其他领域。例如，压电直线电动机(利用压电材料的逆压电效应直接把电能转换成机械能，特点是步距小、推力不大、机构简单、速度易控制),用于精密测量和计量，也可在定位驱动中作为执行元件，在光学系统的聚焦驱动、激光干涉仪和计量系统中可得到应用，也可应用于光刻机上。 常考习题练习与讲解--选择题 1.直线电机中，初级和次级对应旋转电机的（ ） A.转子和定子 B.定子和转子 C.电枢和励磁 D.励磁和电枢 答案：B 解析：直线电机的初级对应旋转电机的定子，次级对应转子，这是两者结构上的直接对应关系。 常考习题练习与讲解--选择题 2.下列不属于直线异步电机结构形式的是（ ） A.平板形 B.管形 C.长定子形 D.双边型 答案：C 解析：直线异步电机有平板形、管形等，双边型是平板形的一种结构；长定子形是直线同步电机的特点。 常考习题练习与讲解--选择题 3.管形直线电机的次级中，电磁性能最优的是（ ） A.钢次级 B.复合次级 C.笼型次级 D.铜次级 答案：C 解析：笼型次级在钢管或叠片铁心上开槽嵌入铜环/铝环，性能较好，虽结构复杂但电磁性能优于钢次级和复合次级。 常考习题练习与讲解--选择题 4.直线同步电机用于高速磁悬浮列车的关键原因是（ ） A.成本低 B.定子磁场与滑子移动同步 C.推力小 D.适合低速 答案：B 解析：其初级和次级均有励磁线圈，可实现磁场变化与滑子移动同步，能精准控制速度，故适用于高速轨道交通。 常考习题练习与讲解--选择题 5.直线步进电机实现二维运动的关键是（ ） A.改变电源频率 B.调节极距 C.X、Y轴两组垂直磁铁 D.切换初级线圈 答案：C 解析：通过X轴、Y轴上两组相互垂直的磁铁，分别控制两个方向的步进动作，从而实现平面二维运动。 常考习题练习与讲解--选择题 6.直线电机极距的上限一般为（ ） A.30mm B.100mm C.300mm D.500mm 答案：C 解析：工业用直线感应电机极距上限通常为300mm，过大会因初级铁心长度有限及纵向边缘效应影响性能。 常考习题练习与讲解--选择题 7.管形直线电机与平板形相比，其独特优势是（ ） A.散热好 B.有横向边缘效应 C.初级绕组利用率高 D.适合大功率 答案：C 解析：管形电机初级绕组为饼式，无端部绕组，利用率高；而平板形有端部绕组，存在材料浪费。 常考习题练习与讲解--选择题 8.下列不适合用直线电机的场景是（ ） A.高速磁悬浮列车 B.数控机床进给 C.大功率重载拖动 D.电磁搅拌器 答案：C 解析：直线电机无法通过变速箱扩大推力，大功率重载需增大尺寸，经济性差，故不适合。 常考习题练习与讲解--填空题 1.直线电机按机种可分为直线感应电动机、直线同步电机、______和其他直线电机。 答案：直线直流电机 解析：这是直线电机的基本分类，涵盖了主要的机种类型，其他直线电机包括直线步进电机等。 常考习题练习与讲解--填空题 2.平板形直线异步电机为抵消单边磁吸力，通常采用______结构。 答案：双边型 解析：双边型在滑子两侧对称安装初级，可抵消单边磁吸力，而单边型存在磁吸力问题。 常考习题练习与讲解--填空题 3.直线步进电机的步进动作依赖______的叠加原理控制转子运动。 答案：磁通量 解析：通过线圈电流产生的磁通量与永久磁铁磁通量的叠加或抵消，控制转子的稳定位置和移动。 常考习题练习与讲解--填空题 4.直线电机应用时，运动速度低于______时，一般需用变频电源降低频率。 答案：30mm/s 解析：工频下同步速度下限为30mm/s，低于此值需变频，或用点动方式避免变频设备。 常考习题练习与讲解--判断题 1.直线电机的次级一定是运动部分。（ ） 答案：错误 解析：直线电机中，初级固定则次级运动，初级运动则次级固定，次级不一定是运动部分。 常考习题练习与讲解--判断题 2.管形直线电机无横向边缘效应。（ ） 答案：正确 解析：管形电机横向无开断，磁场沿周向均匀分布，不存在因横向开断导致的边缘效应。 常考习题练习与讲解--判断题 3.直线同步电机的初级和次级均无励磁线圈。（ ） 答案：错误 解析：直线同步电机初级和次级均有励磁线圈，这是其与异步电机的关键区别，可实现磁场同步。 常考习题练习与讲解--判断题 4.直线电机的极距越小，效率和功率因数越高。（ ） 答案：错误 解析：极距太小会降低槽利用率，增大槽漏抗，反而降低效率和功率因数，故极距有下限（30mm）。 常考习题练习与讲解--简答题 1.简述平板形直线异步电机“短初级”结构的优势。 答案：“短初级”结构制造和运行费用低，结构更简单；初级长度短，可减少材料消耗，且便于安装维护，是实际应用中常见的选择。 常考习题练习与讲解--简答题 2.为什么管形直线电机适合小功率场景？ 答案：管形直线电机散热条件差，限制了电参数和推力；且钢次级涡流损耗大，虽然后两种次级性能较好，但整体功率受限，故适合小功率场景。 常考习题练习与讲解--简答题 3.直线电机应用时需考虑哪些推力相关因素？ 答案：需匹配合适推力，直线电机无法通过变速箱扩大推力，大功率需增大尺寸；还需控制往复频率，避免加速度导致推力恶性循环，适合轻载。 常考习题练习与讲解--简答题 4.直线步进电机的步进动作有何特点？ 答案：步进动作精度高，步距可控制（如1/4齿距）；通过磁通量叠加实现，可通过X、Y轴控制二维运动；适用于精密进给，如数控机床、绘图机等。 课堂小结 重点复习知识点： 1.分类与结构：重点掌握直线电机按机种的分类（感应、同步、直流、步进），理解平板形与管形异步电机的结构演变及“初级-次级”与旋转电机的对应关系。 2.原理与性能：明确直线异步电机的行波磁场与电磁推力原理，管形电机的优缺点（如绕组利用率高但散热差），直线同步电机的同步控制机制。 3.应用原则：牢记速度（极距30~300mm对应30~250mm/s）、推力（适轻载）、往复频率、定位精度的要求，能根据场景选型。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 感谢 观看 $$