专题五十七 直线电机（教案）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

专题五十六 直线电机（教案）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

一、考纲解读

1.掌握三类直线电机的基本分类与核心结构——侧重“结构差异”识别，需明确异步电机、同步电机的关键区别。

2.理解三类直线电机的工作原理，需掌握异步电机“电磁感应”、同步电机“磁场同步牵引”、步进电机“按指令分步转动”的核心逻辑，不涉及公式推导。

3.掌握三类直线电机的特性与典型用途，需将“高速异步”“精准同步”“可控步进”的特性与输送线、精密机床、自动化平台等应用场景对应。

4.能根据具体设备或场景，判断其中直线电机的类型，并简要分析选择该类型电机的原因。

二、知识点梳理

一、直线异步电机

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。

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。管形直线准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。

(2)管形直线电机的优缺点

优点——1.结构简单。2.适合高速直线运动。3.初级绕组利用率高。4.无横向边缘效应。5.容易克服单边磁拉力问题。6.易于调节和控制。7.适应性强。

缺点——1.效率和功率因数较低。2.启动推力易受到电压波动的影响。3.运行速度范围受到电机极距的限制。4.馈电比较复杂。5.散热较困难。

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(2)要有合适的推力(3)要有合适的往复频率(4)要有合适的定位精度

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、电磁踹趕啾盼、电磁搅拌器和电磁泵、金属分离器、帘幕驱动器等。

三、真题练讲

1.（2021年河北省统一考试）直线步进电机的控制逻辑相比其他直线电机（  ）

A. 更复杂

B. 更简单

C. 相同

D. 需专业芯片

答案：B

解析：只需控制脉冲的数量和频率即可实现位置和速度控制，无需复杂的磁场同步调节，逻辑简单。

2.（2023年山东省统一考试）关于直线步进电机的“自锁”功能，下列说法正确的是（  ）

A. 断电后仍能保持位置