直线电动机及其应用

徐长发，华中科技大学，2018.3.30

大家都知道电动机在工作时是旋转运动的，现在有一种直线运动的电动机，它的应用也十分广泛。为了理解直线电动机，需先了解一些旋转电动机的一些知识。

一．同步电动机和异步电动机

大家熟悉的旋转电动机品种繁多，分类方式也很多；这里仅介绍两类，一类是按照驱动电源来划分，可分为交流电机和直流电机；另一类是按定子转速和定子的旋转磁场频率是否同步来划分，可分为同步电机和异步电机。

1.交流异步电动机

所谓三相交流异步电动机是指，定子由绕组对和层叠硅钢片构成电磁体，有多对磁极，通入定子绕组的是三相交流电，定子中的多对绕组会产生旋转磁场；转子是层叠硅钢片缠上封闭绕组构成的。当定子通入三相交流电后，定子旋转磁场先在转子的封闭绕组中感应出电流，转子的感应电流再产生转子磁场；于是在磁感应下，转子跟随定子的旋转磁场转动，但又“永远追不上”，因此称其为异步电动机。

异步电机的优点是成本低，工艺简单；其缺点是“异步”造成的，其功率密度与转矩密度比较低。

科研工作者针对交流异步电动机的缺点做了一些改进措施。

最有效的措施之一是，发明和制作出了定子交流电的矢量控制器，它能对磁场的电流分量和转矩的电流分量分别加以检测和控制，让定子和转子的磁场协调起来，产生最佳的电磁转矩，这不仅提高了系统的响应速度，提高了运行质量，而且还提高了无极调速的范围，使得交流异步电动机几乎具有直流同步电动机一样的静态和动态性能。

另一个最有效的措施是，发明和制作出了变频器，变频器主要采用交—直—交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再将直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源。如果通入定子的是固定频率的工频电，要提高电动机的转速，只有增加定子的绕组对，即增加磁极对数才行；但是，采用变频器后，输入定子的电源频率是可调整的，那么电动机就可以实现无极调速，还可以提高转速了。

变频器和定子交流电的矢量控制器结合起来，使得交流异步电动机的效能取得了一些本质的进步，但是也应该看到，变频和控制也增加了能耗。

2.交流同步电动机和交流永磁同步电动机

定子绕组中通入的是三相交流电，形成旋转磁场，带动转子旋转，这和交流异步电动机是一样的，不同的是转子的构造。转子也是由硅钢片叠在一起的，如果转子的绕组中通入直流电，则转子绕组形成固定磁场，转子会随着旋转磁场转动，转速和旋转磁场同步，这就是交流同步电动机；如果转子嵌有永磁体，那么转子的转动依靠转子的永磁场和定子的旋转磁场作用，产生同步转动，这就是交流永磁同步电动机；正是由于采用了永磁转子，交流永磁同步电动机的性能又提高了。对于交流永磁同步电动机，转子的永磁体是凸装情形，其结构示意参见图1。

图2.直线电动机和旋转电动机之间的关系示意图

直线电动机的特点在于：

1）电磁驱动，直线运动，省去了机械传动环节；

2）高速响应，反应异常灵敏快捷；

3）定位精度高，只要通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高运动距离的定位精度；

4）加速和减速过程短，制动效率高；

5）运动安静、噪音低、功率大、效率高、能耗低。

直线电动机有什么用？直接的感觉是，应用于自动控制系统中。对于速度和精度同时要求较高的应用场合，例如机器人、直线平台、光学光纤排列定位、精密机床、半导*造、视觉系统、电子元件接插、工厂自动化等的运动系统，应用直线电机是非常合适的。

根据直线电动机的原理，人们可以做出“交流同步直线电动机”、“交流永磁同步直线电动机”和“直流永磁同步直线电动机”，这些都适用于磁悬浮列车的牵引。

三．高铁的电动机牵引

高铁用什么电动机牵引好？由前面关于电动机的知识可知，由于高铁是轮轨列车，要用旋转电机，所以就旋转式电动机的效率而言，下面的关系是成立的：

交流异步电动机＜ 交流永磁同步电动机＜ 直流同步电动机＜ 直流永磁同步电动机。

高铁是用车轮滚动前进的，不能用直线电动机，直线电动机要在轻度摩擦或悬浮状态下直线运动。

世界轨道交通车辆牵引系统的第一代是直流电动机牵引系统，那个时代还没有解决无刷的问题；第二代是起步于20世纪70年代的交流异步电动机牵引系统；第三代是采用交流永磁同步电动机牵引系统。 

目前我国的高铁基本上还是采用交流异步电动机牵引，不过现在正在研究和应用于高铁的效率更高的电动机，例如，2015年5月，株洲所研制的交流永磁同步牵引电动机成功地安装在长沙地铁1号线上使用；同年，又安装在高铁上获得成功。

看来，在高铁中使用第四代牵引系统--直流永磁旋转式电动机，还有待时日。

三．电磁弹射要采用直线电动机

航空母舰上，飞机的电磁弹射器只能采用直线电动机，这种直线电动机有什么特殊要求呢？

感应动子不是直线匀速运动而是直线加速运动。

感应动子比较短，而定子比较长。

技术难点是尽可能提高它的功率密度和能量效率。

直线弹射的原理和要求都是明确的，但是要实现它就必须具备多方面的条件:

1）舰艇上要有足够强大的电能供给系统。

2）短动子的电磁感应范围短，在此情况下，只有电流足够大，电磁牵引力才能足够强大，动子才能加速运动，这就对产生强磁场的技术提出了更高的要求。

3）飞机在较短的距离中加速起飞，在加速末端，飞机还要及时点火，这对飞机的性能也提出了更高的要求。

可以说，电磁弹射器和磁悬浮列车所使用的直线电机在技术原理上具有相似性，磁悬浮列车技术的发展与电磁弹射器的进步可以起到相辅相成的作用；正是这个原因，我国还是引进修建了德国常导式磁悬浮列车，从中可以学习研究磁悬浮技术，从中可以学习研究电磁弹射技术。

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