Лабораторный синхронный линейный двигатель. На заднем плане статор - ряд индукционных катушек, на переднем плане - подвижный вторичный элемент, содержащий постоянный магнит. 
Лине́йный дви́гатель — электродвигатель, у которого один из элементов магнитной системы разомкнут и имеет развёрнутую обмотку, создающую магнитное поле, а другой взаимодействует с ним и выполнен в виде направляющей, обеспечивающей линейное перемещение подвижной части двигателя. Сейчас разработано множество разновидностей (типов) линейных электродвигателей, например, линейные асинхронные электродвигатели (ЛАД), линейные синхронные электродвигатели, линейные электромагнитные двигатели, линейные магнитоэлектрические двигатели, линейные магнитострикционные двигатели, линейные пьезоэлектрические (электрострикционные) двигатели и др.
Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя можно получить, если мысленно разрезать статор и ротор с обмотками обычного асинхронного двигателя вдоль оси по образующей и развернуть в плоскость. Образовавшаяся плоская конструкция представляет собой принципиальную схему линейного двигателя. Если теперь обмотки статора такого двигателя подключить к сети трехфазного переменного тока, то образуется магнитное поле, ось которого будет перемещаться вдоль воздушного зазора со скоростью V, пропорциональной частоте питающего напряжения f и длине полюсного деления t: V = 2tf. Это перемещающееся вдоль зазора магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке начнут протекать токи. Взаимодействие токов с магнитным полем приведет к появлению силы, действующей, по правилу Ленца, в направлении перемещения магнитного поля. Ротор — в дальнейшем будем называть его уже вторичным элементом — под действием этой силы начнет двигаться. Как и в обычном асинхронном двигателе, перемещение элемента происходит с некоторым скольжением относительно поля S = (V - v)/V, где v - скорость движения элемента. Номинальное скольжение линейного двигателя равно 2-6%. [1] Вторичный элемент линейного двигателя не всегда снабжается обмоткой. Одно из достоинств линейного асинхронного двигателя заключается в том, что в качестве вторичного элемента может использоваться обычный металлический лист. Вторичный элемент при этом может располагаться также между двумя статорами, или между статором и ферромагнитным сердечником. Вторичный элемент выполняется из меди, алюминия или стали, причем использование немагнитного вторичного элемента предполагает применение конструктивных схем с замыканием магнитного потока через ферромагнитные элементы. Принцип действия линейных двигателей со вторичным элементом в виде полосы повторяет работу обычного асинхронного двигателя с массивным ферромагнитным или полым немагнитным ротором. Обмотки статора линейных двигателей имеют те же схемы соединения, что и обычные асинхронные двигатели, и подключаются обычно к сети трехфазного переменного тока. Линейные двигатели очень часто работают в так называемом обращенном режиме движения, когда вторичный элемент неподвижен, а передвигается статор. Такой линейный двигатель, получивший название двигателя с подвижным статором, находит, в частности, широкое применение на электрическом транспорте. Например, статор неподвижно закреплен под полом вагона, а вторичный элемент представляет собой металлическую полосу между рельс, а иногда вторичным элементом служат сами рельсы. Одной из разновидностей линейных асинхронных двигателей являются трубчатый (коаксиальный) двигатель. Статор такого двигателя имеет вид трубы, внутри которой располагаются перемежающиеся между собой плоские дисковые катушки (обмотки статора) и металлические шайбы, являющиеся частью магнитопровода. Катушки двигателя соединяются группами и образуют обмотки отдельных фаз двигателя. Внутри статора помещается вторичный элемент также трубчатой формы, выполненный из ферромагнитного материала. При подключении к сети обмоток статора вдоль его внутренней поверхности образуется бегущее магнитное поле, которое индуцирует в теле вторичного элемента токи, направленные по его окружности. Взаимодействие этих токов с магнитным полем двигателя создает на вторичном элементе силу, действующую вдоль трубы, которая и вызывает (при закрепленном статоре) движение вторичного элемента в этом направлении. Трубчатая конструкция линейных двигателей характеризуется аксиальным направлением магнитного потока во вторичном элементе в отличие от плоского линейного двигателя, в котором магнитный поток имеет радиальное направление.
Схема синхронного линейного двигателя. Основной областью применения синхронных двигателей, где их преимущества проявляются особенно сильно, является высокоскоростной электрический транспорт. Дело в том, что по условиям нормальной эксплуатации такого транспорта необходимо иметь сравнительно большой воздушный зазор между подвижной частью и вторичным элементом. Асинхронный линейный двигатель имеет при этом очень низкий коэффициент мощности (cosφ), и его применение оказывается экономически невыгодным. Синхронный линейный двигатель, напротив, допускает наличие относительно большого воздушного зазора между статором и вторичным элементом и работает при этом с cosφ, близким к единице, и высоким КПД, достигающем 96%. Применение синхронных линейных двигателей в высокоскоростном транспорте сочетается, как правило, с магнитной подвеской вагонов и применением сверхпроводящих магнитов и обмоток возбуждения, что позволяет повысить комфортабельность движения и экономические показатели работы подвижного состава.
Все линейные двигатели их можно разделить на две категории:
Двигатели низкого ускорения используются в общественном транспорте (маглев, монорельс, метрополитен) как тяговые, а также в станках (лазерных, водорезных, сверлильно-фрезерных) и другом технологическом оборудовании в промышленности. Двигатели высокого ускорения весьма небольшие по длине, и обычно применяются, чтобы разогнать объект до высокой скорости, а затем выпустить его (см. пушка Гаусса). Они часто используются для исследований гиперскоростных столкновений, а также в специальных устройствах, таких, как оружие[источник не указан 308 дней] или пусковые установки космических кораблей[каких?].
Линейные двигатели широко используются также в приводах подачи металлорежущих станков и в робототехнике. Для повышения точности позиционирования часто используются линейные датчики положения.
dik.academic.ru
§ 7.5. Линейные асинхронные двигатели и двигатели со сплошным ротором
Отдельный класс асинхронных машин составляют линейные асинхронные двигатели (ЛАД), в которых подвижный элемент не вращается, как обычный ротор, а перемещается прямолинейно под действием бегущего магнитного поля, создаваемого линейным индуктором с распределенной обмоткой. По протекающим в них электромагнитным процессам линейные двигатели близки к рассмотренным выше асинхронным насосам с линейным плоским или цилиндрическим каналами (см. рис. 7.17) с той разницей, что вместо жидкого металла используется проводящая металлическая полоса или цилиндрическая труба. Возможно также применение в качестве подвижного элемента линейного магнитопровода с короткозамкнутой обхмоткой. Линейные асинхронные двигатели широко применяются в приводе транспортеров и конвейеров, электромагнитных разгонных устройствах, инструментальной технике и т. п. Они представляют значительный интерес для высокоскоростного железнодорожного транспорта.
Если подвижный элемент существенно длиннее индуктора, движется с постоянной скоростью и является немагнитным, то для описания процессов ЛАД пригодны формулы, полученные в § 7.4 в предположении, что металл движется как сплошная полоса. Анализ ЛАД заметно усложняется, когда длина подвижного элемента соизмерима с длиной индуктора и скорость его переменная.
На рис. 7.20 приведен эскиз ЛАД цилиндрического типа. Он состоит из индуктора, содержащего кольцевые катушки 1 и ферромагнитные шайбы 2, внутреннего сердечника <?, корпуса 4У цилиндрического подвижного элемента 5. При подключении катушек 1 к трехфазной сети и циклическом изменении последовательности чередования фаз создается бегущее магнитное поле с периодически изменяющимся направлением движения, благодаря чему подвижный элемент 5 совершает возвратно-поступательные движения, передаваемые механической нагрузке.
Особенность расчетной схемы замещения для ЛАД с возвратно-поступательным движением связана с тем, что при работе двигателя глубина погружения подвижного элемента в статор меняется. Этот фактор учитывается специальным коэффициентом &п-При параллельном соединении катушек 1 все активные и индуктивные сопротивления вторичного контура схемы замещения (см. рис. 1.13, б) делятся на &п. Если подвижный элемент заполняет весь зазор индуктора по длине, то &п= 1, если заполнение зазора частичное, то &п«/'Ди, где /'— длина части элемента 5 в пределах зазора; 1Ш — длина индуктора. В процессе движения элемента 5 коэффициент кп может меняться. При этом характеристики ЛАД определяются поэтапно для различных значений £п.
Рис. 7.20. Линейный цилиндрический асинхронный двигатель
В общем случае необходимо также учитывать переменную скорость
подвижного элемента (переменное скольжение), а также эффекты, связанные с необходимостью торможения подвижного элемента вблизи его крайних положений. Наилучшие энергетические показатели ЛАД обеспечиваются в схемах с рекуперативным торможением элемента 5, когда при его приближении к крайним положениям скольжение делается отрицательным и двигатель переходит в генераторный режим, возвращая часть активной мощности в сеть. В рассмотренном цилиндрическом ЛАД существенную роль может играть продольный краевой эффект. Для его подавления используются компенсирующие катушки на концах индуктора (см. §7.4).
Анализ ЛАД с переменной скоростью можно построить на основе баланса сил, действующих на подвижный элемент: электромаг
нитной силы Еэм, силы инерции /*ин, нагрузочной Ен и силы, ограничивающей ХОД ПОДВИЖНОГО элемента Е0гр (со стороны упругих демпферов, опор и т. п.). Если электрические процессы в ЛАД протекают существенно быстрее механических, то Еэм описывается выражением, аналогичным (1.36), т. е. при заданных параметрах обмоток имеем Еэм = Ы5), гДе> как и в § 7.4, 5= (^1—и)/ии VI — скорость магнитного потока, V — скорость подвижного элемента. Сила инерции ЕИн = —силы Ен и Е0Гр обычно за-\-v1 І (1 — 5)сіі. Таким образом, Ря и ґ0гр зависят отГ(1 —5)<Д,
висят от смещения подвижного элемента
о
а сумма всех сил, равная нулю, дает уравнение, связывающее 5и/. Его решение позволяет найти V (1)} после чего можно определить основные показатели ЛАД. Анализ быстродействующих ЛАД, учитывающий переходные процессы в электрических цепях, является значительно более сложной задачей.
X
Рис. 7.22. Активная зона асинхронного двигателя со сплошным ротором
Рис. 7.21. Линейный асинхронный двигатель для высокоскоростного транспорта
Линейный асинхронный двигатель для высокоскоростного транспорта изображен на рис. 7.21. Двигатель содержит линейный индуктор /, закрепленный на локомотиве, и металлическую полосу 2, уложенную на полотне дороги. Между индуктором и полосой имеется воздушный зазор. При создании индуктором бегущего магнитного поля возникает электромагнитная сила, действующая на полосу в направлении движения поля. Реактивная сила ускоряет локомотив в противоположном направлении. Особенно эффективны такие ЛАД на транспортных установках с магнитным подвесом, а также в электромагнитных разгонных устройствах.
Существенное влияние на характеристики транспортных ЛАД оказывают краевые эффекты, аналогичные таковым в асинхронных насосах (см. § 7.4). Для ослабления поперечного краевого эффекта в полосе 2 прорезают поперечные щели (показаны на рисунке пунктиром). Поскольку полоса 2 ферромагнитная, особенно заметную роль при больших скоростях играет поверхностный эффект, так как из-за больших значений магнитной проницаемости глубина проникновения электромагнитного поля Дв намного меньше, чем для немагнитных материалов.
В электромагнитных разгонных устройствах линейный индуктор с трехфазной обмоткой, имеющей возрастающий по длине шаг, и запитываемой током нарастающей частоты создает бегущее с нарастающей скоростью магнитное поле, которое воздействует на ускоряемый проводящий объект. Разность скоростей ПОЛЯ ив И объекта V по возможности стремятся поддерживать такой, чтобы скольжение s= (vB—v)/vB имело примерно постоянное значение (s^0,1...0,3). В противном случае, при больших s недопустимо возрастают электрические потери в ускоряемом объекте, пропорциональные s (см. § 7.7). Таким способом можно ускорять легкие самолеты (планеры) или маломасштабные объекты до значительных скоростей. Считается, например, возможным ускорить массу 1 кг из легкого немагнитного материала до скоростей порядка 10 км/с.
Разновидностью асинхронных машин являются асинхронные двигатели со сплошным ферромагнитным ротором, которые конструктивно просты и имеют улучшенные пусковые свойства благодаря тому, что при пуске, когда скольжение велико, сильно проявляется поверхностный эффект и ток в роторе вытесняется в наружные области. При этом увеличивается вторичное активное сопротивление, повышается пусковой момент и снижается пусковой ток (см. §7.2).
Анализ АД со сплошным массивным ротором должен учитывать пространственный характер распределения электромагнитных параметров в роторе из-за поверхностного эффекта. Рассмотрим последний более подробно, используя рис. 7.22, на котором показана часть сечения двигателя со статором /, обмоткой 2 и массивным ротором 3, обладающим магнитной проницаемостью ц. Так как поверхностный эффект проявляется в относительно тонком слое, то можно пренебречь кривизной зазора и ввести декартовы координаты ху ijy Zy вращающиеся вместе с ротором. Заменим обмотку бесконечно тонким токовым слоем с поверхностной плотностью $ ==Лпах sin (tost—kx)y где cos — циклическая частота изменения тока в роторе. Если со — циклическая частота тока в обмотке, то cos=cos, где s — скольжение. Таким образом, обмотка создает по отношению к ротору бегущую вдоль оси х волну МДС. Переходя к комплексным величинам, как и в § 7.4, можно записать J ==Jmaxet{oist~kx\ В первом приближении будем считать зазор между токовым слоем и ротором бесконечно малым, а магнитную проницаемость у статора существенно большей, чем у ротора.
Если ввести векторный потенциал магнитного поля А так, что rot А= В, то с учетом (7.14)... (7.16) можно получить при p = const, a=const уравнение
y2A = pidA/dt. (7.41)
Будем считать, что индукция В имеет две составляющие: Вх и Ву. Тогда А имеет только одну составляющую Аг, причем Вх= = дАг/дуу Ву=—dAJdx. Переходя к комплексным амплитудам аналогично тому, как это делалось в § 7.4, и используя (7.19), а также граничные условия.
dAJdy=—\bJ для у—0 и Аг —* 0 для у —>оо, (7.42)
получаем решение (7.41) для комплексной амплитуды Аг и соответствующие ему распределения комплексных амплитуд индукции
315
remolom.narod.ru
Статор реактивного двигателя бывает с распределенной и сосредоточенной обмоткой, и состоит из корпуса и сердечника с обмоткой.
Синхронный реактивный двигатель
Статор синхронного реактивного электродвигателя с распределенной обмоткой
Выделяют три основных типа ротора реактивного двигателя: ротор с явновыраженными полюсами, аксиально-расслоенный ротор и поперечно-расслоенный ротор.
Ротор с явновыраженными полюсами
Аксиально-расслоенный ротор
Поперечно-расслоенный ротор
Переменный ток, проходящий по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле в воздушном зазоре электродвигателя. Крутящий момент создается, когда ротор пытается установить свою наиболее магнито проводящую ось (d-ось) с приложенным полем, для того чтобы минимизировать магнитное сопротивление в магнитной цепи. Амплитуда момента прямо пропорциональна разницы между продольной Ld и поперечной Lq индуктивностями. Следовательно, чем больше разница, тем больше создаваемый момент.
Линии магнитного поля синхронного реактивного электродвигателя
Главная идея может быть объяснена с помощью рисунка представленного ниже. Объект "a" состоящий из анизотропного материала имеет разную проводимость по оси d и оси q, в то время как изотропный магнитный материал объекта "b" имеет одинаковую проводимость во всех направлениях. Магнитное поле, которое прикладывается к анизотропному объекту "a", создает вращающий момент если существует угол между осью d и линиями магнитного поля. Очевидно, что если ось d объекта "a" не совпадает с линиями магнитного поля, объект будет вносить искажения в магнитное поле. При этом направление искаженных магнитных линий будут совпадать с осью q объекта.
Объект с анизотропной геометрией (a) и изотропной геометрией (b) в магнитном поле
Силовые линии магнитного поля вокруг объекта с анизотропной геометрией
В синхронном реактивном электродвигателе магнитное поле создается синусоидально распределенной обмоткой статора. Поле вращается с синхронной скоростью и может считаться синусоидальным.
В такой ситуации всегда будет существовать момент направленный на то, чтобы уменьшить полную потенциальную энергию системы, путем уменьшения искажения поля по оси q (
). Если угол 
сохранять постоянным, например путем контроля магнитного поля, тогда электромагнитная энергия будет непрерывно преобразовываться в механическую.
Ток статора отвечает за намагничивание и за создание момента, который пытается уменьшить искаженность поля. Управление моментом осуществляется путем контроля фазы тока, то есть угла между вектором тока обмоток статора и d-осью ротора во вращающейся системе координат.
engineering-solutions.ru
