基于電磁彈射系統(tǒng)的直線電機(jī)研究

譚溥學(xué)　孫文龍　舒悅　范天倫

摘 要：綜合該領(lǐng)域最新的研究成果，闡述電磁彈射系統(tǒng)中直線電機(jī)的工作原理，并且對(duì)基本機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。該結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)的集成和維護(hù)性能，但會(huì)對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生輕微影響。給出一種電磁彈射器設(shè)計(jì)方案，并對(duì)輔助系統(tǒng)及相關(guān)新技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：直線電機(jī) 電磁飛機(jī)彈射系統(tǒng) 永磁電機(jī) 電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu) 模塊化定子結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TM359.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）006-049-02

1 直線電機(jī)的基本部件構(gòu)成

直線電機(jī)雖然應(yīng)用不算廣泛，但是也并非見(jiàn)不到它的身影，目前在車床上面，特別是磁懸浮列車上面，可以看到直線電機(jī)的影子。但是電磁彈射器與這些常用的直線電機(jī)還是有區(qū)別的。以磁懸浮列車的直線電機(jī)對(duì)比來(lái)說(shuō)吧，電磁彈射器的感應(yīng)動(dòng)子比較短，只有7米多長(zhǎng)，而含有線圈的定子卻超過(guò)100米長(zhǎng)，磁懸浮列車的直線電機(jī)恰恰相反，帶線圈定子（這里所說(shuō)的定子實(shí)際上是運(yùn)動(dòng)的）很短，而動(dòng)子（實(shí)際上是固定在軌道之間不動(dòng)的）卻象軌道一樣無(wú)限長(zhǎng)。磁懸浮列車的直線電機(jī)加速并不快，大部分時(shí)間為勻速工作，而電磁彈射器卻是加速度工作。

美國(guó)福特級(jí)航母上的電磁彈射器定子定際上有288塊直線電機(jī)模塊構(gòu)成，按左右對(duì)稱布置，也就是動(dòng)子兩邊各有144塊直線電機(jī)模塊單元。之所以稱為直線電機(jī)模塊單元，是因?yàn)檫@288塊直線電機(jī)模塊單元完全相同，可以任意對(duì)調(diào)或更換，維修人員只需把電源及儀表監(jiān)測(cè)線路接上就行了，這是為了便于維護(hù)及檢修。與磁懸浮列車的直線電機(jī)的定子不同，磁懸浮列車的直線電機(jī)的定子在動(dòng)子上面，而且只是單面耦合，因?yàn)閯?dòng)子是固定在軌道上的，軌道下面也不可能再放置一面定子的。而電磁彈射器是雙面耦合，左右的定子線圈均可以對(duì)動(dòng)子進(jìn)行感應(yīng)交拖動(dòng)。電磁彈射器每個(gè)直線電機(jī)模塊單元寬0.725米，那么144個(gè)模塊單元加上緩沖及邊端裝置接近110米長(zhǎng)左右（加兩端緩沖裝置），這個(gè)長(zhǎng)度比蒸汽彈射器稍長(zhǎng)一點(diǎn)點(diǎn)。每個(gè)模塊單元都是采用特種硅鋼做鐵芯，以銅導(dǎo)線做線圈，之所以如此選擇，傳統(tǒng)上應(yīng)該選擇的超導(dǎo)體對(duì)低溫要求太苛刻，而且過(guò)于嬌貴，對(duì)維護(hù)十分不利，戰(zhàn)時(shí)可靠性也受影響，一切為了維護(hù)方便出發(fā)，因此美國(guó)人和DDG1000一樣，仍采用了磁通率較高的硅鋼（飽和磁通率在25000以上）和日常最普及的純銅做材料。

關(guān)于動(dòng)子部分，動(dòng)子在原理上等同于三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子。日常我們所見(jiàn)的三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子都是短路環(huán)及鐵芯構(gòu)成，但是電磁彈射器的動(dòng)子卻有很多匝線圈，鐵芯采用質(zhì)量很輕、導(dǎo)磁很優(yōu)越的材料構(gòu)成。我們知道，三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻越小越好，因?yàn)殡娮柙叫?，轉(zhuǎn)差率也越小，效率也越高，但是轉(zhuǎn)子電阻越小，啟動(dòng)電流也越大，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻并不高，因此我們?nèi)粘Ｊ褂玫娜喈惒诫妱?dòng)機(jī)啟動(dòng)電流是額定電流的5倍以上，但是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻不及額定工作時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩。電磁彈射器的動(dòng)子做法與這種船閘提升電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子非常相同，這是因?yàn)殡姶艔椛淦髟趶椛鋺?zhàn)機(jī)時(shí)是加速度做功，其實(shí)就相當(dāng)于電機(jī)啟動(dòng)，這樣做不僅限制啟動(dòng)電流，也提供了更大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在電磁彈射器中，動(dòng)子的兩面都是與定子線圈耦合的，因此定子與動(dòng)子的相對(duì)應(yīng)面超過(guò)了10平方米，而我們?nèi)粘５男D(zhuǎn)型電動(dòng)機(jī)定子與轉(zhuǎn)子只是單面耦合，因此電動(dòng)個(gè)頭雖然大，但是耦合面其實(shí)并不大，電磁彈射器之所以這么做，目的是為了減小動(dòng)子的重量，因?yàn)閯?dòng)子的重量哪怕減小一點(diǎn)點(diǎn)，意義都非同凡響。上述所講的是動(dòng)子的感應(yīng)線圈部分，但是動(dòng)子絕不止感應(yīng)線圈，雖然它是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的核心部件，但是由于戰(zhàn)機(jī)在甲板上面，必須有效的與上部采用合理的手段，就象蒸汽彈射器的驅(qū)動(dòng)活塞一樣，它必須有引出裝置與戰(zhàn)機(jī)相連。我們知道，蒸汽彈射器有小車和彈射梭裝置，電磁彈射器也有它的相應(yīng)設(shè)備，分別是強(qiáng)迫約束裝置和彈射梭。

強(qiáng)迫約束裝置放置在軌道盒內(nèi)，而軌道盒是固定在定子線圈上部的，長(zhǎng)度與電磁彈射器相同，它采用左右對(duì)稱并上下開(kāi)口，上部開(kāi)口是為了彈射梭的運(yùn)行，彈射梭是掛戰(zhàn)機(jī)彈射掛鉤的。下部開(kāi)口為了動(dòng)子線圈。彈射梭和動(dòng)子感應(yīng)線圈均與強(qiáng)迫約束裝置采用剛性連接。強(qiáng)迫約束裝置在原理上差不多相同于蒸汽彈射器的小車，因?yàn)閯?dòng)子感應(yīng)線圈與上部彈射梭雖然在驅(qū)動(dòng)力方向上一致，但是高度不同，也就是受力點(diǎn)不在一個(gè)平面上，必須要有一個(gè)裝置來(lái)平衡這種受力不在一個(gè)水平上的問(wèn)題。強(qiáng)迫約裝置在上部有4排軸承組，下部有2排軸承組，左上和左下有1排排軸承組，同理，右上和右下也有2排軸承組。上下的軸承組當(dāng)然是平衡彈射戰(zhàn)機(jī)時(shí)這種受力不在一個(gè)水平上的問(wèn)題，而左上、左下及右上、右下則是平衡動(dòng)子線圈左右傾斜的問(wèn)題。如果在動(dòng)子線圈下部設(shè)一排軸承組，這樣來(lái)防止動(dòng)子線圈左右傾斜效果應(yīng)該更好，但是，這些軸承組是易損件，如果更換動(dòng)子線圈下部的軸承組則要拆下定子線圈，維護(hù)量太大，因此采用了在強(qiáng)迫約束裝置上進(jìn)行工作，雖然在效果上比不上動(dòng)子線圈下部設(shè)置，但是維護(hù)量大大降低了。

在彈射做功過(guò)程中，當(dāng)戰(zhàn)機(jī)的彈射掛鉤掛住電磁彈射器的彈射梭時(shí)，且強(qiáng)迫儲(chǔ)能裝置已經(jīng)充好了電，這時(shí)就可以彈射了，首先就是發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)推力達(dá)到最大推力的80%的時(shí)候，第1段也就是第1回路的真空斷路器先合閘，其它7個(gè)回路均斷開(kāi)的，大功率控制裝置（形同高壓變頻器）開(kāi)始給第1回路的36個(gè)直線電機(jī)模塊單元供電，并產(chǎn)生移動(dòng)電磁波，推動(dòng)動(dòng)子以總共4G（具體多少個(gè)加速度根據(jù)情況而定）進(jìn)行運(yùn)行，戰(zhàn)機(jī)被推動(dòng)加速，當(dāng)進(jìn)入第2段也就是第2回路時(shí)，提前0.2秒給第2回路供電，這部分控制美國(guó)人采用安裝在動(dòng)子兩邊端邊的接近感應(yīng)開(kāi)關(guān)，而英國(guó)人采用時(shí)間繼電器通過(guò)PLC進(jìn)行控制，也就是說(shuō)美國(guó)人更精確，而英國(guó)人的控制更簡(jiǎn)單，當(dāng)然他們都無(wú)一例外的都有激光測(cè)距儀以反應(yīng)動(dòng)子的精確位置。由于動(dòng)子速度變化且不斷增加，因此動(dòng)子前部接近感應(yīng)開(kāi)關(guān)用于下一個(gè)回路通電的應(yīng)提前位置安裝，提前的多少分別不同，但是都是動(dòng)子到達(dá)提前0.2秒。由于感應(yīng)開(kāi)關(guān)采用無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，類似CMOS管，導(dǎo)通時(shí)間極短，而且到達(dá)PLC后再經(jīng)過(guò)運(yùn)算再輸出到真空斷路器的時(shí)間極短，因此基本上可以忽略這部分時(shí)間，但是真空斷路器合閘時(shí)間卻沒(méi)辦法縮短，它的動(dòng)作時(shí)間只能小于0.1秒，因此在動(dòng)子到來(lái)前的0.1秒下一個(gè)回路已經(jīng)通電了。而動(dòng)子尾部的感應(yīng)點(diǎn)則用于停止上一個(gè)回路的電源，以減少空載電流及直線電機(jī)模塊的通電時(shí)間，這部分不需要提前，信號(hào)與給下一個(gè)回路通電一樣經(jīng)過(guò)PLC再經(jīng)過(guò)運(yùn)輸后，通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出來(lái)控制，這部分反應(yīng)速度要快些，由于真空斷路器斷開(kāi)時(shí)間小于0.04秒，因此基本上可以保證動(dòng)子完全離開(kāi)這一回路時(shí)經(jīng)過(guò)小于0.05秒時(shí)即斷開(kāi)電源。隨著動(dòng)了不斷進(jìn)入每一個(gè)回路，而真空斷路器不斷的切換回路，動(dòng)子連同戰(zhàn)機(jī)加速到起飛的速度，它必須在最后一個(gè)回路進(jìn)行制動(dòng)，這是事先程序已經(jīng)編好的，因?yàn)槿绻嚯x太短，過(guò)載越大，電磁彈射器就是盡可能避免最大過(guò)載，在彈射過(guò)程力求加速度平穩(wěn)，因此加速度距離不可太短，而最后的制動(dòng)也必須精準(zhǔn)，否則極有可能釀成事故。當(dāng)然，這一切都是PLC控制，反應(yīng)是很快的。

2 直線電機(jī)的基本工作原理

直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。它可以看成是一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)按徑向剖開(kāi)，并展成平面而成。對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子的部分叫初級(jí)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子的部分叫次級(jí)。在初級(jí)繞組中通多相交流電，便產(chǎn)生一個(gè)平移交變磁場(chǎng)稱為行波磁場(chǎng)。在行波磁場(chǎng)與次級(jí)永磁體的作用下產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件的直線運(yùn)動(dòng)。

圖1 工作原理

3 直線電機(jī)的特點(diǎn)及其優(yōu)勢(shì)

直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于直線電機(jī)不需要把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)的附加裝置，因而使得系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，重量和體積大大地下降；

（2）定位精度高，在需要直線運(yùn)動(dòng)的地方，直線電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)直接傳動(dòng)，因而可以消除中間環(huán)節(jié)所帶來(lái)的各種定位誤差，故定位精度高，如采用微機(jī)控制，則還可以大大地提高整個(gè)系統(tǒng)的定位精度；

（3）反應(yīng)速度快、靈敏度高，隨動(dòng)性好。直線電機(jī)容易做到其動(dòng)子用磁懸浮支撐，因而使得動(dòng)子和定子之間始終保持一定的空氣隙而不接觸，這就消除了定、動(dòng)子間的接觸摩擦阻力，因而大大地提高了系統(tǒng)的靈敏度、快速性和隨動(dòng)性；

（4）工作安全可靠、壽命長(zhǎng)。直線電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸傳遞力，機(jī)械摩擦損耗幾乎為零，所以故障少，免維修，因而工作安全可靠、壽命長(zhǎng)。

（5）高速度。直線電機(jī)通過(guò)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的方式，可以實(shí)現(xiàn)從高速到低速等不同范圍的高精度位置定位控制。直線電機(jī)的動(dòng)子（初級(jí)）和定子（次級(jí)）之間無(wú)直接接觸，定子及動(dòng)子均為剛性部件，從而保證直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)的靜音性以及整體機(jī)構(gòu)核心運(yùn)動(dòng)部件的高剛性。直線電機(jī)的行程可通過(guò)拼接定子來(lái)實(shí)現(xiàn)行程的無(wú)限制，同時(shí)也可以通過(guò)在同一個(gè)定子上配置多個(gè)動(dòng)子來(lái)實(shí)現(xiàn)同一個(gè)軸向的多個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)控制。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)可以通過(guò)增強(qiáng)機(jī)構(gòu)以及反饋元件的剛性以及精度，輔之以恒溫控制等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)超精密運(yùn)動(dòng)控制。

直線電機(jī)的幾大優(yōu)勢(shì)：

（1）免維護(hù)；（2）無(wú)滾珠絲桿、齒輪箱、齒條與齒輪、傳動(dòng)帶/皮帶輪；（3）零回程間隙和柔度；（4）高剛度；（5）高定位精度；（6）緊湊的機(jī)械裝配；（7）減少機(jī)器中的部件數(shù)量；（8）速度非常平穩(wěn)；（9）靜音運(yùn)行。

4 結(jié)論

采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的新型裝置與非直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，它具有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)接觸、無(wú)磨損、噪聲低、速度快、精度高、組合靈活等優(yōu)點(diǎn)是明顯的，但由于直線電機(jī)本身所具有的磁路開(kāi)斷所引起的邊端效應(yīng)以及安裝氣隙較大等問(wèn)題，故在一些直線運(yùn)動(dòng)的裝置或系統(tǒng)中，是否采用新型的直線電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，要權(quán)衡利弊得失，選擇能充分發(fā)揮直線電機(jī)自身優(yōu)勢(shì)的直線運(yùn)動(dòng)裝置或系統(tǒng)中發(fā)展應(yīng)用，在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，在一些旋轉(zhuǎn)電機(jī)或其他驅(qū)動(dòng)裝置無(wú)能為力或勉強(qiáng)應(yīng)付的地方，尋找直線電機(jī)能充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的位置，在滿足人類需求和完善人類美好愿意的進(jìn)程中求得自身的發(fā)展，前景是廣闊的，但發(fā)展是需要付出巨大努力的。

（本文由西北工業(yè)大學(xué)2012年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目組共同完成，項(xiàng)目組成員：柴睿、譚溥學(xué)、孫文龍、舒悅和范天倫5人。）

參考文獻(xiàn)：

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