专题五十四 直线电机（教案）-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（教案）-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 一、考纲解读 1.直线电机分类及特点：掌握按机种分类（感应、同步、直流、步进等），理解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差异。 2.结构与工作原理：熟悉平板形直线异步电机的初级、次级结构及演变关系，理解管形电机的行波磁场与电磁推力产生机制。 3.性能与应用限制：明确管形直线电机的优缺点（如效率、推力特性），掌握直线电机在速度、推力、定位精度等方面的应用原则。 4.特殊类型电机应用：了解直线同步电机在轨道交通的应用、直线步进电机的步进动作原理及典型场景（如数控机床）。 二、知识点梳理 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)。 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。 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。 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。 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。 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。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。 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。 (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。 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。 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。 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。 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。 (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。 (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。 (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。 (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。 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。 三、真题练讲 1.(2023年河南省统一考试)下列不属于管形直线电机优点的是（ ） A.初级绕组利用率高 B.无横向边缘效应 C.散热条件好 D.结构简单 答案：C 解析：管形直线电机散热条件较差，这限制了其功率和推力，而其他选项均为其显著优点。 2.(2022年河南省统一考试)直线同步电机广泛应用于轨道交通的主要原因是（ ） A.效率极高 B.定子磁场与滑子移动同步 C.结构复杂 D.适合低速运行 答案：B 解析：直线同步电机初级和次级励磁线圈可实现磁场与移动同步，能精准控制速度，故适用于高速磁悬浮列车等轨道交通领域。 3.(2024年河南省统一考试)平板形直线异步电机通常采用“短初级”结构的原因是（ ） A.降低成本 B.增大推力 C.提高效率 D.便于高速运行 答案：A 解析：“短初级”结构制造和运行费用较低，结构更简单，是实际应用中的常见选择。 4.(2021年广东省统一考试)直线步进电机的步进动作可用于（ ） A.高速列车驱动 B.电磁搅拌 C.数控机床进给 D.传送带传动 答案：C 解析：直线步进电机的步进特性适合精密进给，如数控机床工作台、计算机周边设备等场景。 5.(2025年江苏省统一考试)直线电机与旋转电机相比，最显著的优势是（ ） A.效率更高 B.可直接产生直线运动 C.功率因数高 D.适合大功率场景 答案：B 解析：直线电机无需中间转换机构，直接输出直线运动，简化结构并提高响应速度，这是其核心优势。 1.直线异步电机中，由旋转电机径向剖开后展平而成的是（ ） A.管形直线电机 B.平板形直线电机 C.直线同步电机 D.直线步进电机 答案：B 解析：平板形直线异步电机的结构可看作旋转电机剖开展平，对应定子的为初级，对应转子的为次级（滑子）。 2.管形直线电机的次级类型中，电磁性能最差的是（ ） A.钢次级 B.复合次级 C.笼型次级 D.铜层次级 答案：A 解析：钢次级的钢电阻率大，涡流损耗高，电磁性能较差，而复合次级和笼型次级性能更优。 3.直线同步电机采用长定子技术的主要目的是（ ） A.降低成本 B.提高效率 C.实现高速同步控制 D.简化结构 答案：C 解析：长定子技术使定子磁场与车辆转子磁场同步运行，便于精准控制高速运动，适用于磁悬浮列车。 4.直线电机应用时，极距的下限通常取（ ） A.10mm B.30mm C.100mm D.300mm 答案：B 解析：极距太小会降低槽利用率并增大损耗，工业用直线电机极距下限一般为30mm。 5.下列属于直线电机独特应用场景的是（ ） A.家用风扇 B.电动自行车 C.高速磁悬浮列车 D.洗衣机电机 答案：C 解析：高速磁悬浮列车依赖直线同步电机的高速同步控制特性，是旋转电机难以替代的场景。 6.管形直线电机与平板形相比，不存在的问题是（ ） A.端部漏磁通 B.横向边缘效应 C.散热困难 D.功率因数低 答案：B 解析：管形直线电机横向无开断，磁场周向均匀，无横向边缘效应，而平板形存在该问题。 7.直线步进电机实现二维动作的原理是（ ） A.利用两组垂直磁铁控制X、Y轴运动 B.改变电源频率 C.调节极距 D.切换初级线圈 答案：A 解析：通过X轴、Y轴上两组相互垂直的磁铁，控制步进动作，实现平面内的二维运动。 8.直线电机不宜用于（ ） A.低速轻载 B.高速往复运动 C.大功率重载 D.精密定位 答案：C 解析：直线电机无法通过变速箱扩大推力，大功率重载场景需增大尺寸，经济性差，故不适用。 9.简述管形直线电机的主要优点。 答案：管形直线电机结构简单，直接产生直线运动；初级绕组利用率高，无端部绕组；无横向边缘效应；径向力抵消，无单边磁拉力；易于调节控制，适应性强，适合潮湿等特殊环境。 10.直线电机应用时需遵循哪些基本原则？ 答案：需选择合适运动速度（极距30~300mm对应工频同步速度30~250mm/s）；匹配合适推力，适用于轻载；控制往复频率以避免推力恶性循环；保证定位精度，稳定场合可采用机械限位或制动。 ###四、学法建议 1.分类与结构对应：重点记忆直线电机按机种的分类（感应、同步、步进等），结合平板形与管形的结构差异，理解“初级-次级”与旋转电机“定子-转子”的对应关系。 2.原理与性能关联：从行波磁场、电磁推力等核心原理出发，分析管形电机效率低、推力受电压影响等特性，以及直线同步电机的同步控制机制。 3.应用场景匹配：结合优缺点记忆典型应用，如直线同步电机用于高铁、步进电机用于数控机床，明确功率、速度、精度对选型的影响。 4.参数与限制理解：掌握极距范围、推力特性等关键参数，理解为何直线电机适用于轻载、高速，而不适用于大功率重载场景，强化理论与实际的联系。 四、限时练讲 五、学法建议 重点复习知识点： 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$