直線感應電動機磁場氣隙的分析及試驗設(shè)計

直線感應電動機磁場氣隙的分析及試驗設(shè)計

李志宏1，強雄2，計麗霞1，朱岷3

(1. 上海電機學院 電氣學院，上海200240；

2. 上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海200063；

3. 上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海200093)

摘要：介紹了直線感應電動機的特點及市場應用前景，對其結(jié)構(gòu)和工作原理進行了闡述。通過對樣本電機的測試，獲得在不同氣隙下的輸入功率、推力和功率因數(shù)等性能數(shù)據(jù)，分析了磁場氣隙調(diào)整對直線感應電動機性能的重要影響，為設(shè)計、制造和調(diào)整不同工況下氣隙值的選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：直線感應電動機； 氣隙； 磁場； 推力

通訊作者：計麗霞

中圖分類號：TM 306文獻標志碼： A

收稿日期:2015-06-20

Linear Induction Motor Air Gap Magnetic Field of

Analysis and Design of Experiment

LIZhihong1，QIANGXiong2，JILixia1,ZHUMin3

(1. Institute of Electric Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 200240, China；

2. Shanghai Engineering Research Center of Motor System Energy Saving, Shanghai 200063, China;

3. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of

Shanghai for Science & Technology, Shanghai 200093, China)

Abstract：The characteristics and market prospect of application of linear induction motor were introduced, the structure and working principle were expounded. Through to the sample motor test, obtained under different air gap of the input power, thrust and power factor and other performance data, analysis of the air gap magnetic field adjustment important influence on the properties of linear induction motor, adjust the under different working conditions for the design, manufacture and provide reference for the selection of the air gap value. gap magnetic field of the analysis and design of experiment.

Key words： linear motor； air gap； magnetic field； propulsion

0引言

采用直線電機驅(qū)動，與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機相比，最大的優(yōu)勢是取消了機械傳動環(huán)節(jié)。該直接的傳動方式不僅節(jié)省了能量，同時還具有結(jié)構(gòu)簡單、響應速度快、精度高、加減速能力強、運行噪聲低等優(yōu)點。直線感應電動機驅(qū)動的軌道交通日益受到推崇，主要是其牽引力不受輪軌摩擦的限制，而是依靠電動機的一次側(cè)與二次側(cè)之間的電磁推力驅(qū)動運行，具有很大優(yōu)勢。直線電機的原理雖不復雜，但在設(shè)計、制造方面有其自己的特點。對于直線感應電動機來說，磁場氣隙是一個非常重要的參數(shù)，為此作者選取了1臺三相交流380V、Y接、同步速度4.5m/s、額定氣隙8mm的樣本電機進行了試驗設(shè)計和分析，詳細論證磁場氣隙的變化對電動機性能的影響。

1直線感應電動機的結(jié)構(gòu)特點及工作原理

直線感應電動機的結(jié)構(gòu)可以看作是將一臺旋轉(zhuǎn)電動機沿徑向剖開，并將電動機的圓周展開成直線而形成。其定子相當于直線電動機的一次側(cè)，轉(zhuǎn)子相當于直線電動機的二次側(cè)。在實際應用時，將初級和次級制造成不同的長度，以保證在所需行程范圍內(nèi)初級與次級之間的耦合保持不變。直線電機可以是短初級長次級，也可以是長初級短次級，考慮到制造成本、運行費用，目前一般均采用短初級長次級。工作原理上，對于直線感應電動機當一次側(cè)繞組(即初級繞組)通入交流電源后產(chǎn)生一個磁場，該磁場沿著直線方向按正弦規(guī)律分布，它不是旋轉(zhuǎn)而是沿著直線方向平移前進，通常稱為行波磁場，其移動速度類似于旋轉(zhuǎn)電機，也稱為同步速度，即有:

vs=2f1τ

式中:f1——電源頻率；

τ——極距。

行波磁場切割二次側(cè)導條(即次級繞組)在導條中產(chǎn)生感生電勢和電流，電流和磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，推動二次側(cè)順著行波磁場方向向前作直線運動，從而實現(xiàn)運動部件的直線運動。反之，也可以二次側(cè)固定，一次側(cè)作直線運動。

2直線感應電動機的磁場氣隙分析及試驗方法設(shè)計

在電動機中靜止的磁極與旋轉(zhuǎn)的電樞之間的間隙稱為氣隙。在小容量電機中，氣隙一般為0.5～3mm。氣隙數(shù)值雖小，但磁阻很大，為電機磁路的主要組成部分。

旋轉(zhuǎn)電機一旦制造完成后氣隙是固定不變的，而直線感應電動機最大特點在于氣隙是可以調(diào)整的，通過調(diào)整氣隙可獲得不同的推力、電流、功率因數(shù)等特性。推力F隨氣隙δ改變而改變，氣隙越大電機的漏磁會加大，旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子的作用力減小，導致輸出扭矩減小，空載電流變大，轉(zhuǎn)子對線圈的反電動勢減小，耗電增加，效率和功率因數(shù)會降低一些；當氣隙減小時其特性就會改善，推力增大，效率和功率因數(shù)得到提高。其次，直線感應電動機的最大推力出現(xiàn)在高轉(zhuǎn)差區(qū)即s=1時，所以它的起動推力較大，而在高速區(qū)推力相對小些。但氣隙也不宜太小，否則容易發(fā)生一次側(cè)和二次側(cè)之間過大的吸力而發(fā)生碰撞現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子鐵心會與定子鐵心產(chǎn)生摩擦，一旦產(chǎn)生摩擦，就會破壞鐵心的絕緣，產(chǎn)生渦流，電機發(fā)熱，使電機壽命降低。一般要求單邊氣隙至少1～2mm，且可以在實際運用中適當調(diào)整。

在實際應用中由于受到二次側(cè)板加工精度、軌道加工精度及安裝工藝等誤差影響，不一定保持在初始設(shè)計所要求的氣隙值，存在著不確定性。因此需要通過試驗了解氣隙的變化關(guān)系曲線對直線感應電動機各項參數(shù)的影響，并作出相應調(diào)整以期達到較高的推力和能效。為了闡明磁場氣隙與推力、電壓、電流等之間關(guān)系，專門選取了一臺典型規(guī)格樣機，進行了一系列試驗作為分析的依據(jù)。

2.1固定氣隙下直線感應電動機的起動特性

直線感應電動機的起動特性試驗主要是測試在固定氣隙下，隨著電壓變化，推力、電流和功率因數(shù)等的變化情況。通過分析該試驗數(shù)據(jù)可以從中了解直線感應電機內(nèi)在規(guī)律。試驗線路的接線示意圖如圖1所示。試驗之前先調(diào)整好電動機運行方向與傳感器的測力方向保持一致，然后調(diào)節(jié)磁場氣隙為恒定值，具體試驗中δ=2mm。調(diào)節(jié)電源電壓，對應每個電壓，測得相應的電流、輸入功率、推力和功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，如表1所示，以作分析比較。

圖1　試驗線路接線示意圖

電壓/V電流/mA輸入功率/W推力/N功率因數(shù)100606.31.110.611609615.31.440.5920011923.72.230.5830017954.93.570.5838022987.94.100.57420255106.54.840.57

試驗時電源電壓不宜過高，特別是超過額定電壓時，電動機電流較大，二次側(cè)板發(fā)熱加劇，可能影響試驗的準確性，因此讀數(shù)時注意快速進行。這里的電流是指直線感應電動機的堵動電流，推力也是二次側(cè)繞組靜止時產(chǎn)生的推力F(即s=1時數(shù)值)。

由表1中的數(shù)據(jù)和圖2、圖3可以看出，堵動電流隨著電壓升高而逐漸增大，輸入功率和推力也相應增大；低電壓時功率因數(shù)相對較高，電壓較高時功率因數(shù)適當降低，但變化不大，基本維持在0.57～0.59的范圍。這些特性與交流旋轉(zhuǎn)電動機相類似。

圖2　電壓-電流特性

圖3　電壓-推力特性

2.2不同氣隙時直線感應電動機的特性分析

電動機磁場氣隙的大小對直線感應電動機的性能參數(shù)及運行特性有很大影響。直線感應電動機在安裝時需要根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整氣隙的大小。研究電動機磁場氣隙的大小變化關(guān)系對電動機運行特性的影響意義重大。通過試驗可得到一組推力、電流和功率因數(shù)隨氣隙變化的特性關(guān)系，這些特性在設(shè)計、制造和安裝直線感應電動機時，以及在不同工況下氣隙值的選擇都有很大參考作用。

按圖1所示的試驗線路進行試驗，試驗時保持電源電壓為額定值380V，并調(diào)整磁場氣隙在1～8mm變化，對應每個氣隙值讀取電流、輸入功率、推力、功率因數(shù)，如表2所示。

表2數(shù)據(jù)在二次側(cè)靜止即堵動狀態(tài)下測得。由試驗數(shù)據(jù)可以看出在額定電壓380V下，電流隨著氣隙增大而逐漸增大，輸入功率和功率因數(shù)卻隨之降低，推力也逐次減?。环粗?，當氣隙減小時，電動機的性能就會相對改善。直線感應電動機的最大推力出現(xiàn)在高轉(zhuǎn)差區(qū)域(即s=1時的起動位置)附近，而在高速區(qū)域(即s較小時)推力較小，通常起動推力達到技術(shù)要求時，高速區(qū)域的推力都能滿足使用要求。氣隙也不宜過小，否則轉(zhuǎn)子鐵心和定子鐵心會發(fā)生摩擦使電動機發(fā)熱，壽命降低。因此，在直線感應電動機中，氣隙值的選擇顯得尤為重要，只有選擇合適的氣隙值，才能使電動機高效平穩(wěn)運行，滿足實際運行的需要。

圖4　推力-氣隙特性

3結(jié)語

磁場氣隙是直線感應電動機的一個重要參數(shù)，氣隙大小的變化會直接影響到電磁推力、初級繞組電流及功率因數(shù)等特性，而推力和電流的大小對電氣設(shè)備的穩(wěn)定運行至關(guān)重要，故分析直線感應電動機氣隙變化對電機性能影響有較大的意義。

【參 考 文 獻】

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