7.6直线异步电动机的设计要点

1.原始数据

直线电机设计时通常需要给出下列数据：

起动推力（N)。

额定电压（V)。

相数及接法。

额定频率（Hz)。

同步速（m/s)。

在进行产品设计前，应根据产品的通用标准、技术条件、用户提出的技术要求，t先确定产品的运行环境条件（海拔高度、冷却 介质温度等）、工作方式、冷却方式、绕组的绝缘等级等。

2.电磁负荷的取值范围

电负荷或线负荷4是指在额定负载下初级表面沿纵向单位长度的安培导体数。对于双边型直线电机，其电负荷是指两边之和，在直线电机中电负荷4的选择与初级绕组的散热条件及运行方式 有关，对于散热条件好，负载持续率在40%的直线电机，通常单边型的直线电机4的取值在500A/cm左右，双边型的直线电机则 可取lOOOAAm左右。

磁负荷是指气隙中等效基波磁通密度的幅值仏。由于直线电 机气隙中磁通密度的分布极为复杂，纵向和横向边缘效应造成了磁 场的畸变，为了便T比较，可用等效气隙磁通密度来替代实际的磁 通密度。对于磁通密度的选择，由于直线电机的电磁气隙比旋转电 机的气隙大得多，为减小励磁电流，提高功率因数，一般仏选用 较低的值。电磁气隙愈大，仇值愈小。对于非磁性次直线电机， 其可取0.10〜0.35T，电磁气隙小而极距大的直线电机，^取 较大值，反之则取较小值。

对于钢次级的直线电机，由于其次级钢体既是导电体又是导磁体，故其气隙较非磁性次级的气隙小，因此仏的取值在0.4~0.7T之间。

3.气隙长度的确定

气隙长度S对电机的性能及运行的可靠性影响很大，在确定占值时应考虑以下因素：

(1)为降低励磁电流，改善功率因数，气隙应该尽量小；

(2)为了保证直线电机在长距离运行中的可靠，避免初、次级 之间相擦，因此直线电机的气隙较之旋转电机的气隙要大得多，在 小型的直线电机中其气隙一般在数毫米之间。

4.初级槽数和槽形的选择

由于直线电机的铁心两端开断，所以直线电机的极数选择比较 自由，可以是偶数，也可以是奇数。但选择极数时应注意与绕组型式的配合，例如单层绕组只适合偶数极，而双层绕组就可适合奇数 极和偶数极，为了使绕组端部安置方便些，一般直线电机中均采用 双层绕组，由于铁心两端的开断，如果不采用补偿绕组，那么在两 端有部分槽中只有一个元件边，从而使实际的铁心长度比计算的铁心长度长，目前这种形式的铁心

用得较多，为此，双层绕组的铁心 冲片的设计步骤如下：首先确定每极每相槽数₉₁，一般均取为整 数，在r$10cm时，％取1〜2，当r>10cm时，w取大于2,初 级冲片的实际槽数，根据所选定的计算极数及每极每相槽数 9 i，可按下式计算：

Q_{ =2pm₁</i + y\

式中——用槽数表示的初级绕组节距。

对于中小型直线电机槽形的选择，其初级槽形一般选用半闭口 的圆底槽。由于直线电机的嵌线较旋转电机容易，故其槽满率& 一般取为75%左右，齿部磁通密度艮<1.6T，为嵌线方便，槽口 宽度的选择应恰当，一般可按下式计算：

c/j + 1.6(mm)

式中义——带绝缘漆的导线直径。

由于工艺的原因，齿宽应不小于3mm，否则铁心叠装困难。冲 片的轭部高度按理是根据磁通密度决定的，使B_y< 1.3T。但对 于中小型直线电机而言，其轭部尺寸往往是由机械安装要求而确定

的。

5.绕组设计

直线电机的绕组与旋转电机的绕组基本相似，也是要求电机绕 组对称，各相相轴在空间互差120°电角度，并有相同的有效匝数， 以保证各相的电动势对称。按绕组布置分类，有集中绕组和分布绕 组，直线电机的绕组多数采用60。相带，绕组的型式对扁平型直线 而言，其初级绕组有单层同心式绕组、单层交叉式绕组、单层链式 绕组以及双层绕组，其制造工艺及联结方法基本上与旋转电机相

似。但是由于直线电机的铁心两端开断，所以在铁心两端的绕组元
件的安置和联结方法要比旋转电机复杂得多。对于一般要求的直线
电机，可以用高强度聚酯漆包线作为导电材料，用DM、DMD等复
合材料作为槽绝缘。电机嵌线后，浸漆、烘干之后，便可成为坚固

的一体，能够满足电气性能的要求。对于防潮、防腐性能要求高的直线电机，还可以将电机的初级用环氧树脂封装，构成一个由环氧树脂密
封的整体。

(1)单层同心式绕组是由几个节距大小不同的同心式线圈串联组成，如图7-22所示。在旋转电机中，单层同心式绕组可以安排成二平面绕组，如图7-23所示，组成单层同心两条线圈边可以嵌入槽3、4中，但是在直线电机中，由于铁心是开断的，W相绕组的排列顺序必须作相应的改变，因此W相绕组就要反向嵌入，而且端部组成三平面，如图7-24所示。式两平面绕组。图7-23中，W相的•-个绕组的

(2)单层链式绕组是单层绕组的另一种型式，这种绕组的特点是每个线圈的大小是一样的，闵此，在制作绕组的线模时比同心式绕组要简单方便，但由于线圈的端部彼此交叉重叠，因此，线圈的端部比双层绕组的端部要长。

(3)双层绕组双层绕组是一种采用比较多的绕组形式，它与单层绕组的区别是在一个槽中放置了上层和下层二个线圈边，二个线圈边分别属于二个线圈，与单层绕组相比，双层绕组具有线圈的尺寸相同，线圈的端部排列整齐，且端部的尺寸也小等优点。而且双层绕组可以采用短距的形式。短距绕组不仅是可以缩短端部长度，节约了导线，更重要的是可以削弱高次谐波，改善电机的性能。但是双层绕组的线圈数比单层绕组增加了一倍，增加了绕线的加工工时，且由于增加了层间绝缘，故槽满率也没有单层绕组高。对直线电机而言，由于铁心的开断，线圈不能返回到起始槽，因此在两端的几个槽中仅仅放置了一个线圈边（在没有补偿绕组的情况下），从而减少了电机有效槽数，降低了铁心的利用率。而单层绕组则每个槽中都嵌满了导线

在直线电机中，一般都采用双层绕组，双层绕组可以制成整距绕组或短距绕组。目前在9 = 1的直线电机中，一般均采用整距绕组，在9大于1时，一般均采用短距绕组，为说明在直线电机中整距与短距的差别，在图7-25和图7-26分别表示了一个整距绕组和一个短距绕组的展开图，（注：在实际应用中一般很少采用少极数的直线电机，这里仅为说明问题，简单地只画一个二极电机)。从图7-25和图7-26可以看出，直线电机采用双层绕组后与旋转电机的双层绕组有一个明显的差别。就是嵌人同样数量的线圈，直线电机需要的槽数比旋转电机的槽数多，在铁心两端的几个槽中只嵌入一个线圈边，这些槽称为半线槽。为了使半线槽中的线圈不松动，可以在这些槽中填入不导电、不导磁的材料撑紧。短距绕组与整距绕组相比，除了上述优点外，对于同样数量的线圈，铁心的总槽数和半线槽数要少（少的槽数正好等于短距所短的槽数），如在图7-25中可见，总槽数=线圈数₊节距二6+3=9, 一端的半线槽数节距等于3;在图7-26中可见，总槽数=线圈数+节距=6+ 2= 8,一端的半线槽数节距等于2,而在旋转电机中，总槽数=线圈数=6， 而且没有半线槽。在进行电磁计算时，将半线槽的铁心在纵向的实 际长度的一半作为计算时的有效度，这样在铁心沿纵向的有效长 度比实际长度短了一个节距h。因此对应于图7-25和图7-26,其铁 心的有效长度均为2r，相应为2极，这样的极数称为计算极数。

(4)双层的补偿绕组对于一般的直线电机，由于存在半线 槽，其铁心的利用率下降，即铁心的有效长度比实际氏度短了y。 由于铁心开断的边缘效应，会产生一个脉振磁场，对于极数大于6 极的直线电机，铁心的有效长度的缩短及脉振磁场的产生，其影响不大，因为它们所起的作用不大，但是对干极数小于6极的直线电 机，则这二个因素就不能忽略。同时为了提高铁心的利用率，消除由静态纵向边缘效应所引起的脉振磁场，可以在铁心的两端的半线 槽内加置与正常线圈相同的线圈作为补偿绕组，线圈的个数为2m_l9l个，每个补偿绕组的一个边放入半线槽内，另一个边可以安 放在铁心端部的外面，也可以放在一个特制的大槽内，每个补偿元件，根据其所嵌入半线槽的元件边在相带分布上属哪一组，就分别 串联在相对应的绕组中，作为该相绕组的一部分。有了补偿绕组之后，其铁心的有效长度就等于实际长度，为了使电机磁极波形上下 对称，因此采用补偿绕组之后，直线电机的极数总是取偶数。否 贝IJ,由于磁极波形上下不对称，仍会有一脉振磁场存在。当然采用 补偿绕组之后，在铁心端部的磁动势是始终为零了，可以消除由于铁心开断所造成的脉振磁场，但是这并不能消除三相绕组之间的互感不对称，由于三相互感不对称，即使供给三相对称电压，仍会有三相不对称电流，所以仍将会有零序与负序磁场存在。对于极数大于6极的直线电机，一般是不采用补偿绕组的，但对于极数小于6 极的直线电机，在要求不高的场合下，考虑到节约铜线，目前一般也不釆用补偿绕组。

6.次级材料的选择和尺寸

如前7.2.2 (2)所述次级的结构一般冇三种形式，考虑到运行 时的机械强度和刚度，在实际使用时，对第三种单纯的铜板（或铝 板）结构的非磁性次级是不釆用的，在实际应用时，均采用复合次级的结构形式，在复合次级中，当铜板厚度大于2mm或铝板厚度大于4mm时，计算时可以作为非磁性次级来计算。根据对动态横向边缘效应的分析，次级板横向宽度伸出初级铁心的尺寸c对直线电机的推力是有影响的，但当c/r>0.4时，其对直线电机的推力影响就不显著了。因此考虑到经济性，次级导体板的横向宽度一般取>U+0.8r)为宜（式中为初级铁心的宽度，r为直线电机的极距）。从机械方面考虑，直线电机次级的钢板厚度不应小于10mm，为在整个运行过程中初级与次级均能有效地耦合和正常地工作，在短初级直线电机中，次级的长度不应小于运行工作的距离和直线电机初级长度的和。

7.磁路计算

直线电机的磁路M算与旋转电机基本相同，但是考虑到其初级铁心开断的特殊性，它轭部的磁通密度分布与旋转电机轭部的磁通密度分布不一样。图7-27为双边型直线电机一对极的磁路，由于铁心开断，在图7-27a所示的瞬间，轭部磁通只能单方向流通，而过了四分之一周期，轭部磁通将向两面分开，如图7-27b所示。显然，在图7-27b中，轭部的磁通密度仅是图7-27a中的一半，而在旋转电机中，无论何时轭部中的磁通密度均为图7-27b中的情况。所以直线电机在作磁路计算时，根据图7-27a所示，其轭部的磁通密度应按旋转电机轭部的磁通密度算法所得值的两倍计算；但在计算铁损耗时，其轭部的磁通密度应取图7-27a算得值的j进行计V2算。