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直线电机代替液压（气动）缸结构部分的研究
【摘要】 本文从现有液压与气动系统存在的弊端出发，列举了直线电机的优点，验证了直线电机代替液压缸、气缸的可行性；从结构角度出发，介绍了直线电机的工作原理，重点介绍了直线电机的结构，详述了直线电机的边缘效应。
【关键词】 直线电机 边缘效应 三相绕组
液压传动是以油液为传动介质，依靠能量转换元件（液压缸与液压马达）的密封容积变化产生运动的一种传动方式。而气压传动是以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号的一门技术。
液压与气压传动存在着以下共同的优点：各种控制元件可根据需要方便、灵活地布置；操纵控制方便，可实现无级调速；容易实现自动化和过载保护；各种元件易于实现系列化、标准化和通用化，便于系统设计、制造；可以减少震动和冲击，能高速启动、制动和换向；容易实现直线运动等优点。
但是在应用过程中，也存在着一些共同的缺点：泄露和流体的可压缩性的存在，无法保证严格的传动比，气动尤为显著；系统传动效率不高；工件制造精度高，液压元件尤为如此，更有管路系统复杂，故障不易诊断和排除；因泄漏的存在，对环境污染较大；体积受空间的限制而不宜远程控制等。
从发展趋势来看，传动正朝着高压、高速、大流量、大功率、高效率、集成化、智能化、长寿命、低噪声、无污染等方向发展。考虑是否能用其他元件代替，消除传统传动的弊病，迎合新技术，新趋势的要求，因直线电机的特点，恰能符合以上要求，决定用直线电机代替液压与气压传动中的执行元件——液压缸与气缸，暂且把应用在此系统中的直线电机称为—-电推缸。
直线电机存在以下优点：不需要从旋转运动到直线运动的变换装置，免去了这部分装置引起的损耗；电动机行程可以无限长，可以实现远程作业；在运动过程中可以达到无级变速；整个工作行程的传动力均衡；可采用RT 部分或绕组部分移动；只需要在电气上改变相序即可简单实现移动方向；容易实现无触点控制；可采用与感应电动机完全相同的方法实现制动；感应电动机同样故障少，维护方便；结构简单、无接触、无磨损、噪声低、速度快、精度高、组合灵活等。
1． 直线电机工作原理
直线电机是在与旋转电动机相同的电磁理论基础上，结合直线运动的特点发展起来的，可以看成由旋转电机演变而来的一种电动机。设想将一台笼形电动机沿其直径剖开，然后拉直变为一台直线感应电动机。如图1。

图1 旋转电机演变为直线电机
当直线感应电动机的初级三相绕组中通入了对称三相交流电流以后，就建立了三相合成磁动势，在合成磁动势作用下，和旋转的异步电动机一样，也产生气隙磁场。不同的是，这个气隙磁场不是旋转的，而是按照A、B、C相序沿直线移动的行波磁场。如图2。

图2 直线运动的感应电动机 图3 动态纵向边缘效应解释示意图
1-初级 2-次级 3-行波磁场
显然，行波磁场直线移动速度与旋转磁场定子内圆表面上的线速度是一样的。行波磁场切割拉直的转子(次级导条)，将在其中感应产生电动势及电流。根据电磁定律，所有导条中的电流与气隙中行波磁场相互作用，便产生电磁力。若初级固定，次级条铁将沿着移动磁场方向移动。
2．直线电机的边缘效应
直线感应电动机与旋转感应电动机虽有相似之处，但由于铁心结构的差别，在一些电磁现象上也基本不同。直线感应电动机的初级铁心是断开的，绕组在两端不连续。直线感应电动机铁磁物质的磁导率虽比旋转感应电动机铁磁物质的磁导率要小得多，但不能认为铁心以外的空气中无磁场存在，而实际应用中会产生边缘效应。
2.1纵向边缘效应
2.1.1静态纵向边缘效应
直线感应电动机的初级铁心在纵向两端是断开的，形成了两个纵向边缘，使三相绕组之间互感不相等，电动机运行不对称，并引起负序和零序磁场。
2.1.2动态纵向边缘效应
动态纵向边缘效应存在于短初级直线感应电动机中，假设次级导电板上有一闭合电路在运动过程中有四个不同的位置。如图3。其磁场和磁通以及涡流的情况叙述如下：
A、D位置：闭合电路进入、离开初级铁心下面，不匝链磁通，不感应涡流。
A-B、C-D位置：匝链磁通，闭合回路内磁通变化将引起涡流。涡流反过来影响磁场分布。
其中，A-B效应称为入口端边缘效应，C-D效应称为出口端边缘效应。这种纵向边缘效应只有在磁极运动时才会发生，称为动态纵向边缘效应。
动态边缘效应与次级运动速度有关，速度越高，效应越严重，当速度达到同步时，依然存在。动态纵向边缘效应产生的涡流将增加电动机的损耗，降低功率因数，减小电动机的输出功率。
考虑到高同步转速低转差运行的直线感应电动机此效应较严重，学术界提出了一种较有效的使用直线感应电动机一维电磁场模型的解析法。即经过假设和处理，次级导电板中的电磁场沿法向是均匀的，仅沿纵向变化。
2.2横向边缘效应
直线感应电动机采用实心结构时，次级导电板中的感应电流呈涡流形状，即使在初级铁心范围内，次级电流也存在纵向分量。在它的作用下，气隙磁通密度沿横向的分布量呈马鞍状。此效应即为横向边缘效应。图4即次级电流和气隙磁通密度的分布情况。

图4 横向边缘效应解释示意图
该效应的存在，使电动机的平均间隙磁通密度降低，输出功率减小的同时，次级导电板损耗增大，电动机效率降低。横向边缘的大小，与次级导电板横向伸出的初级铁心的长度c与极距τ的比值有关，c/τ越大，横向边缘效应越小，通常取c /τ=0.4左右最合适，超过0.4后，对横向边缘效应的影响就不显著了。
不考虑纵向边缘效应时，气隙磁通密度和次级电密都是沿纵向行进的正弦行波场。假设和处理可以得到分析横向边缘效应的电磁场模型。
3．直线感应电动机的结构
一台典型的单边平板形短初级直线感应电动机的结构如图5示。

图5 单边平板型短初级直线感应电动机
1-次级铁心 2-次级导电板 3-三相绕组 4-初级铁心 5-支架 6-固定用角铁 7-环氧树脂
3．1直线感应电动机的基本结构
直线感应电动机按结构类型分为平板形、管形、圆盘形和弧形。平板形的结构是最简单的，也是最常用的。对于平板形结构，可以仅仅在次级的一侧安放初级，成为单边结构；也可以在两侧安放次级，成为双边结构。双边结构可以消除单边磁拉力（当初级和次级都具有铁心时），次级的材料利用率也高。
按照直线感应电动机初级与次级之间的相对长度可分为短初级和短次级，按初级运动还是次级运动来分可分为动初级和动次级。
旋转电机的铁心是圆环形的，磁路不存在始端和终端。直线电机的铁心是平直的，且两端开断，如果将直线感应电动机固定部件和移动部件做成一样长，由于相对运动，移动部件则离固定部件远去，两者失去耦合作用，使移动部件停止运动。所以移动部件与固定部件长度不能相等。实际的直线感应电动机常把固定部件和移动部件做成长短不等，使长的部件有足够长度，保证在所需行程范围内，初级、次级有不变的耦合性。
3．2直线感应电动机的绕组
直线感应电动机的初级绕组与旋转电动机的定子之间有一个很大的差别，前者初级铁心的纵向两端是断开的，形成了两个纵向边缘，铁心和绕组不能像旋转电动机那样在两端相互连接。这将对电动机的磁场和性能产生一定的影响。
当采用双层绕组时，直线感应电动机初级铁心的槽数一般要比相应的旋转电动机的槽数多一些，才能放下三相绕组。这时在铁心两端的一些槽内只放置一层线圈边，而空出半个槽。

图6 直线感应电动机的三相绕组
图6是一个4极、每极每相1槽的三相双层整距绕组展开图。槽数为15，比相应的旋转电动机多出3槽。可以用增加极数的办法来减少各相之间互感的差别。
初级铁心的两端开断还会引起脉震磁场。消除脉震磁场的一个有效的办法是安装补偿线圈。补偿线圈的线规和匝数与原有的线圈相同，另一个线圈边放在铁心端部外面。补偿线圈按其在槽中的线圈边的位置决定连接入哪一相。带有补偿线圈后，不会引起脉震磁场,同时对改善三相电流不对称也有一定的作用。
当直线感应电动机带有补偿线圈时，直线感应电动机初级铁心的槽数降低到12，与相应的旋转电动机的槽数相等，这使初级铁心的长度有所缩短，但总的线圈数增加。尚需指出，带有补偿线圈的直线感应电动机的极数只能为偶数，而不带补偿线圈的直线感应电动机的极数可以为奇数。
直线感应电动机的三相绕组的端部一般是裸露在外面的，可以用环氧树脂封装。
3．3直线感应电动机的固定和安装
初级铁心可以在铁心叠片压紧的状态下，在铁心轭部两侧放置角铁，用穿心螺栓将角铁的一个面与铁心固定，角铁的另一面用于将铁心固定在支架上。
直线感应电动机的次级有两种结构类型。一种是栅型结构：次级铁心上开槽，槽中放置导条，并在两端用端部导条连接所有槽中导条。另一种是实心结构：采用整块均匀的金属材料。实心结构次级又分成非磁性次级和钢次级。非磁性次级的材料要求具有良好的导电性能，一般为铜或铝。
从电动机的性能来说，采用栅型结构，电动机的效率和功率因数最高，非磁性材料次级时次之，钢次级最差。但从成本来说，钢次级成本最低，非磁性材料次之，栅型结构成本最高。栅型结构通常只用于短次级场合，也可以用于行程不太长的短初级场合。当采用非磁性次级单边结构时，非磁性次级必须复合在次级铁轭上，由次级铁轭构成次级轭部磁路。双边结构则不需要次级铁轭，因为磁通从初级一侧出发，垂直穿过次级后进入初级另一侧，不存在次级轭部磁路。
对于低速直线电机，通常采用滚轮实现支撑和导向;对于高速直线感应电动机，譬如用直线感应电动机传动高速列车的情况，由于粘着力和其他机械上的原因，采用滚轮结构是不理想的，这时应采用无接触的气悬浮或磁悬浮支撑。
4．代替液压气动缸的直线感应电动机
在采用直线感应电动机代替液压缸和气缸的研究中，采用长初级、短次级的结构来实现所希望达到的要求。在工作中，代替液压缸、气缸活塞杆的直线电动机的移动部分作为电动机的次级，而初级部分固定在工作台上。当需要双向运动时，可以在次级两边都加上导杆。通电时，电机正常运转，断电时，复位弹簧将次级复位。
5.结论
采用直线感应电动机，不但省去了机械传动机构，而且可以将直线感应电动机的初级和次级直接作为运动机械的一部分，还可以降低成本和提高效率。必须要遵循以下几条选用原则，以便能恰到好处地应用它。
（1）要有合适的运动速度 直线感应电动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。因本设计做的是定向研究，无法预测太多的情况，故没有详细说明。
（2）要有合适的推力 直线感应电动机适用于工业应用中的轻型负载。
（3）要有合适的往复频率 工业应用中，直线感应电动机大多是往复运动的，因此，要有此类装置。
（4）要有合适的定位精度 因直线感应电动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之时的初速度。通过行程开关来控制的方法只能适用于电源电压稳定而且负载稳定的场合，否则，应当配上自动控制系统。
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