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次级无铁轭直线电机设计方法的研究 上海工业大学 蔡廷锡 黄永家 太仓特种电机厂 陈雅民 [摘 要] 本文主要研究超高温环境下搅拌用直线电机的结构特点和设计计算问题。针对该电机用于控制锡液流动必须长期工作在1000℃以上的锡槽里。因此结构上要解决冷却和绝热问题，提出了电机外面包绝热材料，电机本身用水内冷的结构型式。一般的非磁性次级直线电机是将铜板或铝板复合在钢板上，使前者起导电作用后者起导磁作用，而该电机的次级只有锡液作为导电体无导磁体，相当于无铁轭的次级。根据电磁场理论，直线电机可简化为路的方式来计算。本文针对这种特殊结构的电机，导出了有关设计计算公式。样机测试表明，试验值与设计值较好吻合，证实了计算方法和设计公式是正确的。该设计方法对大气隙次级无铁轭的设计具有一定的参考价值。 一、引言 在需要搅拌熔融金属的场合，作为这种搅拌推力，感应直线电机的电磁力最为合适，虽然直线电机在机械技术上，以比较新的传动装置得到了很大的发展。但是，在应用于搅拌熔融金属方面，对一般电气机械设计得心应手的技术人员来说，仍是特殊的，而且是较难应付的领域。目前国内这方面的资料也很少可见，这个领域的关键技术是耐热材料，电机的冷却以及感应直线电机的设计计算。 感应直线电机作为搅拌熔融金属一个很好的场合就是浮法玻璃板的制造装置上。在玻璃板制造工业中为了提高成品玻璃板的平整度。现在采用的方法是让玻璃液在装有熔融锡的锡槽里的锡面上成形，这就是玻璃行业所说的浮法玻璃板的制造工艺。但是，一般在锡槽中，由于熔融的锡所处的位置不同，其温度相差也比较大，锡槽中间的温度高而两侧的温度较低，在这样的锡面成形的玻璃板会造成中间与两旁的厚薄不等，影响玻璃的质量。为此，人们提出利用感应直线电机的电磁推力来搅拌锡槽中的锡液。致使中间与两旁的温度趋于一致。同时，由于感应直线电机的电磁推力与电机的外施电压的平方成正比。因而可以通过调节外施电压来调节电磁推力，从而达到控制搅拌的锡液的流动速度，锡槽内各点温度力趋均匀，这样就大大地提高了成型后的玻璃板的质量。 二、工作特点 利用感应直线电机搅拌锡液的原理是将直线电机的初级（相当于旋转电机的定子）置于锡液与玻璃液的上方（见图1），由于直线电机产生的行波磁场的作用，作为电机次级的锡液受到电磁推力的作用，会沿着磁场运动方向而运动，（此时液态锡就相当于旋转电机中的转子导条）从而促使锡槽中的温度趋于一致。但是锡液是置于很深的锡槽中，而锡只能导电不能导磁，这样就造成这种感应直线电机的次级只存在导电的材料而没有导磁的材料。目前，在机械技术上应用的非磁性感应直线电机，一般均在次级铜板或铝板上复以10mm的钢板，以作为导磁而用。因此，在浮法工艺上应用的感应直线电机是属于一种次级无铁轭的感应直线电机。这在国内尚无找到有关资料，这是与一般的非磁性直线电机的一个差别。第二，与冶金工业上所应用的搅拌用感应直线电机相比，这种电机必须置身于1000℃以上的锡槽内工作，为了使电机能正常工作，解决电机外的耐高温绝热材料是一个关键。第三，在电机外面包上了耐高温绝热材料后，电机本身的发热就必须从内部带走。因此只能采用水内冷，由于电机是工作在高温的锡槽内，因而对铜管焊接的要求极高。 三、结构特点 根据以上所述的三个与一般非磁性直线电机差别，在结构设计上，该种电机必须具有下列几个特点： (1)电机采用水内冷结构的冷却系统，初级绕组的导线一定是用铜管绕制。所以，初级线圈必定做成成型绕组，为了下线方便，其槽形选用开口槽。 (2)次级中无铁轭作为导磁回路，而且在锡液与初级之间尚存在玻璃液，因此该电机的工作气隙与一般非磁性直线电机相比要大得多，直线感应力电机的推力可以用（1）式表示： （1） 式中 －初级相数； －初级电流； －品质因数； －同步速； －转差率； －电机并联等效电路变换成串联等效电路后相应支路的等效电阻。 把的表达式对求导并令其等于零，就可以求得直线感应力电机最大推力所对应的值。计算可知发生在处，对直线感应力电机，通常要求起动时（）具有最大推力，因此非磁性次级的直线力电机的最佳品质因数，也就是要求此时最大推力为： 同时，为了使单位输入功率产生的力尽可能大，从图2电机的等效电路可以看到，应该使力求减小，这样可以使尽可能大。电机的激磁电抗为 (2) 式中 －电机有效极对数； －初级绕组每相串联匝数； －初级绕组系数； －气隙的有效长度，=； 其中为电磁气隙长度，为卡氏系数，是考虑沿轴方向磁通密度不均匀系数，是计及第一类横向边缘效应时的气隙系数。 －饱和系数，在直线电机中，气隙磁密取得很低，所以。 初级漏抗的表达式为：