直线感应电机及其应用.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第三级,第四级,*,直线感应电机及其应用,山东大学电气工程学院,李光友,ligy,2.,直线感应电动机的结构和基本原理,3.,直线感应电动机的边端效应,4.,直线感应电动机的等效电路和基本特性,5.,直线感应电动机的应用及发展趋势,主要内容,6.,本人在直线电机方面开展的工作,1.,直线电机的发展历史,1.,直线电机的发展历史,直线电动机的动子为往复直线运动，它将电能直接转换成直线运动的机械能。,在许多装置中需要直线运动，若采用旋转电动机驱动，需要通过中间转换装置。中间转换传动机构的存在，使整机存在着体积大、效率低、精度差、噪声大等问题。,直线电机的历史，可追溯到,1840,年惠斯登（,Wheatstone,）开始提出和制作了略具雏形但并不成功的直线电机。至今，已有,170,多年的历史，直线电机经历了探索实验、开发应用和实用商品化三个阶段。,探索实验：,18401955,开发应用：,19561970,实用商品化：,1971,至今,我国的直线电机，起始于,20,世纪,70,年代，目前处于开发应用和实用商品化阶段，但与世界先进水平还有差距。,1.,直线电机的发展历史,1.,直线电机的发展历史,国内从事直线电机研究的单位：,浙江大学；中科院电工所；河南理工大学；东南大学；山东大学；西安交通大学；沈阳工业大学；太原理工大学；上海电机厂；哈尔滨泰富电气有限公司等。,国内从事直线电机研究的人员：,早期：,龙遐令；胡之光；陈世坤；顾积栋；凌金福；蔡廷锡；陈永校；熊光煜；乔忠寿；袁世鹰；程树前等,当前：,叶云岳；金能强；郭庆鼎；卢琴芬；焦留成；汪旭东；胡敏强等。,电机,旋转电机,直线电机,直线感应电机,直线同步电机,直线直流电机,直线步进电机,直线特种电机,变压器,2.,直线感应电动机的结构和基本原理,2.1,直线电机的分类,2.,直线感应电动机的结构和基本原理,2.2,直线感应电动机的结构,图,1,旋转电机和直线电机示意图,a,）旋转电机,b),直线电机,馈电的一侧称为,初级,，无馈电的一侧称为,次级,。静止的一侧称为,定子,，运动的一侧称为,动子,。,1,）扁平型直线感应电机,图,2,由旋转电机演变为直线电机的过程,a,）沿径向剖开,b,）把圆周展成直线,直线感应电机根据其形状不同可分为,扁平型、圆筒型、圆弧型和圆盘型,4,类。,2.,直线感应电机的结构和基本原理,初级和次级长度相等的直线电机不能正常运行，根据其长度的不同，可分为,短初级型,和,短次级型,。,图,3,单边型直线感应电机,a),短初级,b),短次级,2.,直线感应电机的结构和基本原理,图,4,双边型直线感应电机,a),短初级,b,）短次级,2.,直线感应电机的结构和基本原理,直线感应电机的次级，分为磁性次级、非磁性次级和复合次级三种,。磁性次级的材料为低碳钢板，非磁性次级的材料为铜或铝，复合次级是二者的复合，如图,5,所示。由于低碳钢板的导电性能不好，所以磁性次级的直线感应电动机效率较低。非磁性次级的直线电动机，由于次级材料的导磁性能差，因此功率因数较低。复合次级的直线感应电动机具有较好的性能指标。,2.,直线感应电机的结构和基本原理,a),磁性次级,b),非磁性次级,c),复合次级,图,5,直线感应电机的次级横截面图,由于直线感应电动机的电磁气隙（,210mm,）较旋转电机的（,0.21mm,）大得多，加之,边端效应,的影响，直线感应电动机的功率因数和效率较同容量旋转电机低。,图,6,旋转电机演变为圆筒型直线电机的过程,a),旋转电机,b)扁平型单边直线电机,c),圆筒型,(,管型,),直线电机,2,）圆筒型直线感应电机,2.,直线感应电机的结构和基本原理,3,）圆弧型和圆盘形直线感应电机,图,7,圆弧型直线电动机 图,8,圆盘型直线电机,2.,直线感应电机的结构和基本原理,2.3,直线感应电机的工作原理,图,9,直线电机的基本工作原理,1,初级,2,次级,3,行波磁场,三相绕组中通入三相对称正弦电流，产生行波气隙磁场。其磁场移动速度用,v,s,（,m/s,）表示，称为,同步速度,，且,式中，,为极距；,f,为电源频率。,行波磁场切割次级导体，感应电动势并产生电流。电流与气隙磁场相互作用产生电磁推力。次级在推力作用下顺着行波磁场运动的方向作直线运动，动子,移动速度用,v,表示,，,转差率,用,s,表示，则有,电动机运行状态下，,s,在,0,和,1,之间。,2.,直线感应电机的结构和基本原理,3.,直线感应电机的边端效应,3.1,纵向边端效应及其改善,1,）三相绕组不对称引起的负序和零序磁场,与旋转电机不同，由于直线电机的铁心两端是开断的，铁心及安置在其槽中的绕组在两端不连续，所以各相之间的互感就不相等，即使在初级绕组加三相对称的电压，各相绕组中的电流也不对称。利用对称分量法可以把不对称的电流分解成,正序、负序和零序分量,。对应这三种电流将产生,正向行波磁场、反向行波磁场和脉振磁场,。后两类磁场在次级运行过程中将产生阻力并产生附加损耗。,2,）铁心开断引起的脉振磁场,即使三相电流对称，而直线电机由于铁心开断仍然会产生相对于初级不移动的脉振磁场。,图,10,直线电机中脉振磁场的形成,t,=0,时电密和磁动势的分布,t,=0,时磁密的分布,t,=,T,/4,时磁动势和磁密的分布,3.,直线感应电机的边端效应,随着时间的变化，磁动势曲线相对于初级铁心是移动的，因此在上、下铁心的端面之间所作用的磁动势将随时间做正弦变化。与此相对应，分路磁通,sh,和磁通密度,B,sh,随时间按正弦规律脉振。这种磁场在有效区域内与空间位置无关，因此，它与通常的行波磁场不同，常被称为脉振磁场。,3,）静态纵向边端效应,铁心开断所产生的脉振磁场、反向磁场存在的现象，称为直线感应电机的,静态纵向边端效应,。,3.,直线感应电机的边端效应,4,）动态纵向边端效应,图,11,直线感应电机的纵向边端效应,对于旋转电机，转子以同步速旋转时，转子绕组的感应电动势和电流等于,0,。,而对于直线电动机，次级以同步速移动，当时间为,t0,、,t1,、,t2,、,t3,和,t4,时，次级导体上电路,C,的相应位置是,C0,，,C1,，,C2,，,C3,和,C4,。当,C,在,C0,、,C2,和,C4,位置时，电路中没有感应电动势；但是当,C,在,C1,和,C3,位置时，在电路,C,中就有感应电动势和电流产生。,这种感生电流称为,动态纵向边端效应电流,，它会产生附加损耗和附加力。,3.,直线感应电机的边端效应,5,）削弱纵向边端效应的方法,方法,1,：三相绕组换位接法,图,12,消除负序和零序电流的一种方法,a),第一台电机；,b),第二台电机；,c),第三台电机；,c,）三相绕组换位的,Y,接；,e),三相绕组换位的,接,3.,直线感应电机的边端效应,方法,2,：增加极数,当电机的极数大于,6,时，脉振磁通可忽略不计。与旋转电机不同，,直线电机的极数可以是奇数,。,方法,3,：装补偿元件,由于直线电机两端是断开的，实际槽数必须大于极数要求的槽数，对于双层绕组，边端有单层的槽，为减小边端效应的影响，可在相应的半槽中安放补偿元件。,3直线感应电机的边端效应,图,13,补偿原件安装位置示意图,3.,直线感应电机的边端效应,3.2,横向边端效应及其改善,1,）横向边端效应,图,14,次级电流路径,一般直线感应电机的次级是导电板，而不是鼠笼条，电机运行时，次级板中的电流如图,14,所示，电流不但有横向分量，还有纵向分量。纵向分量的存在，产生,横向边端效应,。横向边端效应使次级的等效电阻增大。,3.,直线感应电机的边端效应,2,）削弱横向边端效应的措施,适当加大次级板的宽度，如图,15,所示。,图,15,次级伸出的双边直线感应电机的横截面图,3.,直线感应电机的边端效应,4.,直线感应电动机的等效电路和基本特性,图,16,直线感应电动机的等效电路,R,f,为边端作用有效部分功率等效电阻初级换算值；,R,L,为边端效应无效部分功率等效电阻初级换算值。由该等效电路可进行各种定量计算。,与旋转电机类似，直线感应电动机的等效电路如图,16,所示。由于直线感应电动机铁心中磁密一般较低，,铁耗可忽略,不计，,次级板的漏电抗较小也可忽略,不计。,R,e,为边端效应消耗功率的等效电阻,初级换算值；,4.1,等效电路,1,）推力,-,速度特性,4.2,基本特性,图,17,直线感应电动机与旋转感应,电动机的推力,-,速度特性的比较,图,18,近似直线的推力,-,速度特性,F,st,为起动推力，,V,s,为同步速度，,F,u,为摩擦力，V,f,为空载速度,4.,直线感应电动机的等效电路和基本特性,2,）推力,-,气隙特性,3,）电流,-,气隙特性,图,19,推力,-,气隙特性,图,20,电流,-,气隙特性,4.,直线感应电动机的等效电路和基本特性,随着气隙的增加，电流增加，推力减小。,4,）推力,-,电压特性,图,22,推力,-,线电压特性,5,）推力,-,功率特性,图,23,推力,-,输入功率特性,4.,直线感应电动机的等效电路和基本特性,5.,直线感应电动机应用及发展趋势,5.1,轨道交通,由直线电机驱动的轨道交通称为直线电机轨道交通。,直线电机轨道交通,磁悬浮轨道交通,直线电机轮轨交通,直线电机单轨交通,直线电机气浮轨道交通,直线感应电机轮轨交通,我国的直线电机地铁已建成的有北京国际机场线、广州,4,、,5,、,6,号地铁线。采用直线感应电动机驱动，长次级短初级结构。短初级装在车上，长次级（感应板）铺设在轨道中间，初、次级相互作用产生推力。依靠钢轮,-,钢轨系统进行支撑和导向。世界上大部分直线电机轮轨交通采用这种方式。,图,25,北京国际机场线线路图,图,24,北京国际机场线,5.,直线感应电动机应用及发展趋势,图,26,长次级感应板,图,27,分段长初级,5.,直线感应电动机应用及发展趋势,直线电机轮轨交通系统的特点,1),爬坡能力强,由于车辆的运动是依靠直线电机所产生的电磁力来推进，而车辆车轮仅起支撑承载作用，不传递力，不再受到轮轨黏着因素的制约。因此，车辆可以获得很强的起动、加速和减速动力性能，尤其具有突出的爬坡能力，线路最大坡度可以允许在,8%,以上，传统的地铁车辆最大允许,3%,，并能在恶劣的环境和轨面条件下保持良好的性能。,图,28,爬坡能力的比较,5.,直线感应电动机应用及发展趋势,2),转弯半径小,由于直线电机驱动方式，车轮不再传递牵引,/,制动力，所以轴箱定位结构可以大大简化，这样就很容易实现结构简单的径向转向架，提高了车辆的曲线通过性能和运行平稳性。由于转向架具有径向功能且轴距小，使地铁运营线路的最小曲线半径可低到,80m,左右，传统的地铁车辆要,250m,以上。,图,29转弯半径的比较,5.,直线感应电动机应用及发展趋势,3),横断面结构的小型化,由于直线电机驱动方式不需要中间传动装置，因此可以采用小的车轮直径,610mm,，传统地铁车辆为,860mm,。再者，由于不需要旋转电机的悬挂安装空间，车辆地板面可降至距轨面,700mm,，传统地铁车辆为,1100mm,以上。综合各项小型化措施，使该型地铁车辆的横断面面积大大减小，与传统地铁车辆相比大约减少,40%,。,图,30,普通地铁与直线电机地铁隧道断面比较,5.,直线感应电动机应用及发展趋势,4),降低振动和噪声,直线电机驱动的地铁车辆，没有齿轮传动机构的齿合振动和噪声；,车轮也不是驱动轮，没有动力轮对与钢轨蠕滑滚动产生的振动和噪声；,径向转向架良好的曲线通过性能，避免了过曲线时轮轨冲角带来的振动和噪声。所以该型地铁车辆具有振动小，噪声低的优点，有利于环境保护。,5.,直线感应电动机应用及发展趋势,5),良好的安全性和可靠性,直线电机驱动地铁车辆是典型的非黏着驱动方式，牵引,/,制动性能发挥不依赖于环境，是一种全天候的运载工具。,直线电机驱动的电磁力的分力是轮轨间产生一定的附加压力，有利于提高轮轨运动的稳定性，因此其安全性指标高。,取消了旋转电机驱动所必需的滚动轴承、传动齿轮，磨损小，大大提高了车辆运行的可靠性和可维护性，维修工作量较小，维护成本较低。,5.,直线感应电动机应用及发展趋势,6),良好的编组灵活性和运营适应性,直线电机驱动的地铁车辆具有比传统车辆更强的加减速性能，有更高的停车位置控制精度，因此更容易实现小编组，高密度，自动驾驶的运行模式。,可以以,26,辆灵活编组，适应不同的客流量需要。,采用钢车轮和钢轨来支撑和引导车辆运行，所以仍可采用长期运用成熟的、安全可靠的轨道电路信号系统来实行对列车的信号传输，运行监控和集中调度，运营适应性较好。,5.,直线感应电动机应用及发展趋势,7),低效率、低功率因数,地铁车辆上工程应用的直线电机，由于车载定子与地面转子是处在一个相对直线运动的弹性,(,轴箱垂向弹性定位,),系统间，不可避免地会造成相互间隙变化，因此气隙设计的不能太小，否则会导致不安全因素，一般定在,12mm,左右。再加上直线电机是有端部的，因此漏磁场较大，机电能量转化率低，所以直线电机效率较低，一般在,70%80%,之间，功率因数也较低，一般在,0.50.6,之间。,5.,直线感应电动机应用及发展趋势,项目,MK,型车辆,东京大江户线,广州地铁,4,号线,极数,6,8,8,电压,/V,570,1100,1100,持续电流,/A,400,170,162,峰值电流,/A,550,210,最大推力,/,kN,18.6,13.2,最大功率,/kW,187,120,155,吸力,/,kN,25,26,重量,/kg,640,1400,1550,长度,/m,2.23,铁心长度,/m,1.95,2.476,宽度,/m,0.67,铁心宽度,/m,0.366,0.3,冷却方式,强迫风冷,自然冷却,自然冷却,气隙,/mm,12,12,10,5.2,其他应用,直线电机推车机,直线电机冲床,直线电机电梯,直线电机驱动的压缩机,数控机床,电磁炮,5.3,直线电机的发展趋势,1,）电机本体,高精度、大容量,永磁直线电机,直线振荡电机,2,）控制技术,矢量控制技术,直接转矩控制技术,无位置传感技术,6.,本人在直线电机方面进行的工作,1,）直线电机推车机电机,磁性次级，功率因数,0.4,左右；复合次级功率因数,0.6,左右。,Holmse,直线感应电机,可提高功率因数。,6.,本人在直线电机方面进行的工作,副绕组串电容的直线感应电机,可提高功率因数、推力、削弱谐波。,6.,本人在直线电机方面进行的工作,2,）对定、动子极距不等的同步直线电机进行分析,上海磁悬浮线，采用同步直线电机驱动，定子为三相单层集中绕组。定子极距,258mm,，动子极距,266.5mm,。,定、动子极距不等，可以削弱齿槽力、削弱谐波电动势。,6.,本人在直线电机方面进行的工作,等效绕组系数,3,）潜油泵永磁直线电机,潜油圆筒形直线永磁同步电动机结构,额定电压,660V,，最大推力,2400kg,；最大速度,0.7m/s,，额定效率,60%,，外径,135mm,，圆筒式结构，采用,9,槽,/10,极配合，极距,21.6mm,，定子齿距,24mm,，单元电机长度,216mm,。,总体结构,6.,本人在直线电机方面进行的工作,轴向磁体结构,工字形硅钢片定子铁心结构,转子结构,铁心结构,6.,本人在直线电机方面进行的工作,样机电机实物图,6.,本人在直线电机方面进行的工作,谢谢！,