譚溥學　孫文龍　舒悅　范天倫

摘 要：綜合該領域最新的研究成果，闡述電磁彈射系統(tǒng)中直線電機的工作原理，并且對基本機械結構進行介紹。該結構可以提高系統(tǒng)的集成和維護性能，但會對電機性能產生輕微影響。給出一種電磁彈射器設計方案，并對輔助系統(tǒng)及相關新技術應用進行探討。

關鍵詞：直線電機 電磁飛機彈射系統(tǒng) 永磁電機 電機機械結構 模塊化定子結構

中圖分類號：TM359.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）006-049-02

1 直線電機的基本部件構成

直線電機雖然應用不算廣泛，但是也并非見不到它的身影，目前在車床上面，特別是磁懸浮列車上面，可以看到直線電機的影子。但是電磁彈射器與這些常用的直線電機還是有區(qū)別的。以磁懸浮列車的直線電機對比來說吧，電磁彈射器的感應動子比較短，只有7米多長，而含有線圈的定子卻超過100米長，磁懸浮列車的直線電機恰恰相反，帶線圈定子（這里所說的定子實際上是運動的）很短，而動子（實際上是固定在軌道之間不動的）卻象軌道一樣無限長。磁懸浮列車的直線電機加速并不快，大部分時間為勻速工作，而電磁彈射器卻是加速度工作。

美國福特級航母上的電磁彈射器定子定際上有288塊直線電機模塊構成，按左右對稱布置，也就是動子兩邊各有144塊直線電機模塊單元。之所以稱為直線電機模塊單元，是因為這288塊直線電機模塊單元完全相同，可以任意對調或更換，維修人員只需把電源及儀表監(jiān)測線路接上就行了，這是為了便于維護及檢修。與磁懸浮列車的直線電機的定子不同，磁懸浮列車的直線電機的定子在動子上面，而且只是單面耦合，因為動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動子進行感應交拖動。電磁彈射器每個直線電機模塊單元寬0.725米，那么144個模塊單元加上緩沖及邊端裝置接近110米長左右（加兩端緩沖裝置），這個長度比蒸汽彈射器稍長一點點。每個模塊單元都是采用特種硅鋼做鐵芯，以銅導線做線圈，之所以如此選擇，傳統(tǒng)上應該選擇的超導體對低溫要求太苛刻，而且過于嬌貴，對維護十分不利，戰(zhàn)時可靠性也受影響，一切為了維護方便出發(fā)，因此美國人和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。

關于動子部分，動子在原理上等同于三相異步電機的轉子。日常我們所見的三相異步電動機的轉子都是短路環(huán)及鐵芯構成，但是電磁彈射器的動子卻有很多匝線圈，鐵芯采用質量很輕、導磁很優(yōu)越的材料構成。我們知道，三相異步電動機的轉子電阻越小越好，因為電阻越小，轉差率也越小，效率也越高，但是轉子電阻越小，啟動電流也越大，啟動轉矩卻并不高，因此我們日常使用的三相異步電動機啟動電流是額定電流的5倍以上，但是啟動轉矩卻不及額定工作時輸出轉矩。電磁彈射器的動子做法與這種船閘提升電動機的轉子非常相同，這是因為電磁彈射器在彈射戰(zhàn)機時是加速度做功，其實就相當于電機啟動，這樣做不僅限制啟動電流，也提供了更大的啟動轉矩。在電磁彈射器中，動子的兩面都是與定子線圈耦合的，因此定子與動子的相對應面超過了10平方米，而我們日常的旋轉型電動機定子與轉子只是單面耦合，因此電動個頭雖然大，但是耦合面其實并不大，電磁彈射器之所以這么做，目的是為了減小動子的重量，因為動子的重量哪怕減小一點點，意義都非同凡響。上述所講的是動子的感應線圈部分，但是動子絕不止感應線圈，雖然它是產生驅動力的核心部件，但是由于戰(zhàn)機在甲板上面，必須有效的與上部采用合理的手段，就象蒸汽彈射器的驅動活塞一樣，它必須有引出裝置與戰(zhàn)機相連。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設備，分別是強迫約束裝置和彈射梭。

強迫約束裝置放置在軌道盒內，而軌道盒是固定在定子線圈上部的，長度與電磁彈射器相同，它采用左右對稱并上下開口，上部開口是為了彈射梭的運行，彈射梭是掛戰(zhàn)機彈射掛鉤的。下部開口為了動子線圈。彈射梭和動子感應線圈均與強迫約束裝置采用剛性連接。強迫約束裝置在原理上差不多相同于蒸汽彈射器的小車，因為動子感應線圈與上部彈射梭雖然在驅動力方向上一致，但是高度不同，也就是受力點不在一個平面上，必須要有一個裝置來平衡這種受力不在一個水平上的問題。強迫約裝置在上部有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。上下的軸承組當然是平衡彈射戰(zhàn)機時這種受力不在一個水平上的問題，而左上、左下及右上、右下則是平衡動子線圈左右傾斜的問題。如果在動子線圈下部設一排軸承組，這樣來防止動子線圈左右傾斜效果應該更好，但是，這些軸承組是易損件，如果更換動子線圈下部的軸承組則要拆下定子線圈，維護量太大，因此采用了在強迫約束裝置上進行工作，雖然在效果上比不上動子線圈下部設置，但是維護量大大降低了。

在彈射做功過程中，當戰(zhàn)機的彈射掛鉤掛住電磁彈射器的彈射梭時，且強迫儲能裝置已經充好了電，這時就可以彈射了，首先就是發(fā)動機發(fā)動，當發(fā)動機推力達到最大推力的80%的時候，第1段也就是第1回路的真空斷路器先合閘，其它7個回路均斷開的，大功率控制裝置（形同高壓變頻器）開始給第1回路的36個直線電機模塊單元供電，并產生移動電磁波，推動動子以總共4G（具體多少個加速度根據情況而定）進行運行，戰(zhàn)機被推動加速，當進入第2段也就是第2回路時，提前0.2秒給第2回路供電，這部分控制美國人采用安裝在動子兩邊端邊的接近感應開關，而英國人采用時間繼電器通過PLC進行控制，也就是說美國人更精確，而英國人的控制更簡單，當然他們都無一例外的都有激光測距儀以反應動子的精確位置。由于動子速度變化且不斷增加，因此動子前部接近感應開關用于下一個回路通電的應提前位置安裝，提前的多少分別不同，但是都是動子到達提前0.2秒。由于感應開關采用無觸點開關，類似CMOS管，導通時間極短，而且到達PLC后再經過運算再輸出到真空斷路器的時間極短，因此基本上可以忽略這部分時間，但是真空斷路器合閘時間卻沒辦法縮短，它的動作時間只能小于0.1秒，因此在動子到來前的0.1秒下一個回路已經通電了。而動子尾部的感應點則用于停止上一個回路的電源，以減少空載電流及直線電機模塊的通電時間，這部分不需要提前，信號與給下一個回路通電一樣經過PLC再經過運輸后，通過開關量輸出來控制，這部分反應速度要快些，由于真空斷路器斷開時間小于0.04秒，因此基本上可以保證動子完全離開這一回路時經過小于0.05秒時即斷開電源。隨著動了不斷進入每一個回路，而真空斷路器不斷的切換回路，動子連同戰(zhàn)機加速到起飛的速度，它必須在最后一個回路進行制動，這是事先程序已經編好的，因為如果距離太短，過載越大，電磁彈射器就是盡可能避免最大過載，在彈射過程力求加速度平穩(wěn)，因此加速度距離不可太短，而最后的制動也必須精準，否則極有可能釀成事故。當然，這一切都是PLC控制，反應是很快的。

2 直線電機的基本工作原理

直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉電機按徑向剖開，并展成平面而成。對應旋轉電機定子的部分叫初級，對應轉子的部分叫次級。在初級繞組中通多相交流電，便產生一個平移交變磁場稱為行波磁場。在行波磁場與次級永磁體的作用下產生驅動力，從而實現(xiàn)運動部件的直線運動。

圖1 工作原理

3 直線電機的特點及其優(yōu)勢

直線電機與旋轉電機相比，主要有如下幾個特點：

（1）結構簡單，由于直線電機不需要把旋轉運動變成直線運動的附加裝置，因而使得系統(tǒng)本身的結構大為簡化，重量和體積大大地下降；

（2）定位精度高，在需要直線運動的地方，直線電機可以實現(xiàn)直接傳動，因而可以消除中間環(huán)節(jié)所帶來的各種定位誤差，故定位精度高，如采用微機控制，則還可以大大地提高整個系統(tǒng)的定位精度；

（3）反應速度快、靈敏度高，隨動性好。直線電機容易做到其動子用磁懸浮支撐，因而使得動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、快速性和隨動性；

（4）工作安全可靠、壽命長。直線電機可以實現(xiàn)無接觸傳遞力，機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。

（5）高速度。直線電機通過直接驅動負載的方式，可以實現(xiàn)從高速到低速等不同范圍的高精度位置定位控制。直線電機的動子（初級）和定子（次級）之間無直接接觸，定子及動子均為剛性部件，從而保證直線電機運動的靜音性以及整體機構核心運動部件的高剛性。直線電機的行程可通過拼接定子來實現(xiàn)行程的無限制，同時也可以通過在同一個定子上配置多個動子來實現(xiàn)同一個軸向的多個獨立運動控制。直線電機驅動的機構可以通過增強機構以及反饋元件的剛性以及精度，輔之以恒溫控制等措施來實現(xiàn)超精密運動控制。

直線電機的幾大優(yōu)勢：

（1）免維護；（2）無滾珠絲桿、齒輪箱、齒條與齒輪、傳動帶/皮帶輪；（3）零回程間隙和柔度；（4）高剛度；（5）高定位精度；（6）緊湊的機械裝配；（7）減少機器中的部件數量；（8）速度非常平穩(wěn)；（9）靜音運行。

4 結論

采用直線電機驅動的新型裝置與非直線電機驅動相比，它具有的結構簡單、無接觸、無磨損、噪聲低、速度快、精度高、組合靈活等優(yōu)點是明顯的，但由于直線電機本身所具有的磁路開斷所引起的邊端效應以及安裝氣隙較大等問題，故在一些直線運動的裝置或系統(tǒng)中，是否采用新型的直線電機來驅動，要權衡利弊得失，選擇能充分發(fā)揮直線電機自身優(yōu)勢的直線運動裝置或系統(tǒng)中發(fā)展應用，在科學技術飛速發(fā)展的今天，在一些旋轉電機或其他驅動裝置無能為力或勉強應付的地方，尋找直線電機能充分發(fā)揮優(yōu)勢的位置，在滿足人類需求和完善人類美好愿意的進程中求得自身的發(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2012年國家級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目組共同完成，項目組成員：柴睿、譚溥學、孫文龍、舒悅和范天倫5人。）

參考文獻：

[1] 劉菊香.直線電機建模與半實物仿真研究[D].中南大學，2006.

[2] 方清賢.真空開關永磁直線電機設計仿真、驅動控制與保護系統(tǒng)研究[D].浙江大學，2008.