基于电磁弹射系统的直线电机研究

谭溥学　孙文龙　舒悦　范天伦

摘 要：综合该领域最新的研究成果，阐述电磁弹射系统中直线电机的工作原理，并且对基本机械结构进行介绍。该结构可以提高系统的集成和维护性能，但会对电机性能产生轻微影响。给出一种电磁弹射器设计方案，并对辅助系统及相关新技术应用进行探讨。

关键词：直线电机 电磁飞机弹射系统 永磁电机 电机机械结构 模块化定子结构

中图分类号：TM359.4 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）006-049-02

1 直线电机的基本部件构成

直线电机虽然应用不算广泛，但是也并非见不到它的身影，目前在车床上面，特别是磁悬浮列车上面，可以看到直线电机的影子。但是电磁弹射器与这些常用的直线电机还是有区别的。以磁悬浮列车的直线电机对比来说吧，电磁弹射器的感应动子比较短，只有7米多长，而含有线圈的定子却超过100米长，磁悬浮列车的直线电机恰恰相反，带线圈定子（这里所说的定子实际上是运动的）很短，而动子（实际上是固定在轨道之间不动的）却象轨道一样无限长。磁悬浮列车的直线电机加速并不快，大部分时间为匀速工作，而电磁弹射器却是加速度工作。

美国福特级航母上的电磁弹射器定子定际上有288块直线电机模块构成，按左右对称布置，也就是动子两边各有144块直线电机模块单元。之所以称为直线电机模块单元，是因为这288块直线电机模块单元完全相同，可以任意对调或更换，维修人员只需把电源及仪表监测线路接上就行了，这是为了便于维护及检修。与磁悬浮列车的直线电机的定子不同，磁悬浮列车的直线电机的定子在动子上面，而且只是单面耦合，因为动子是固定在轨道上的，轨道下面也不可能再放置一面定子的。而电磁弹射器是双面耦合，左右的定子线圈均可以对动子进行感应交拖动。电磁弹射器每个直线电机模块单元宽0.725米，那么144个模块单元加上缓冲及边端装置接近110米长左右（加两端缓冲装置），这个长度比蒸汽弹射器稍长一点点。每个模块单元都是采用特种硅钢做铁芯，以铜导线做线圈，之所以如此选择，传统上应该选择的超导体对低温要求太苛刻，而且过于娇贵，对维护十分不利，战时可靠性也受影响，一切为了维护方便出发，因此美国人和DDG1000一样，仍采用了磁通率较高的硅钢（饱和磁通率在25000以上）和日常最普及的纯铜做材料。

关于动子部分，动子在原理上等同于三相异步电机的转子。日常我们所见的三相异步电动机的转子都是短路环及铁芯构成，但是电磁弹射器的动子却有很多匝线圈，铁芯采用质量很轻、导磁很优越的材料构成。我们知道，三相异步电动机的转子电阻越小越好，因为电阻越小，转差率也越小，效率也越高，但是转子电阻越小，启动电流也越大，启动转矩却并不高，因此我们日常使用的三相异步电动机启动电流是额定电流的5倍以上，但是启动转矩却不及额定工作时输出转矩。电磁弹射器的动子做法与这种船闸提升电动机的转子非常相同，这是因为电磁弹射器在弹射战机时是加速度做功，其实就相当于电机启动，这样做不仅限制启动电流，也提供了更大的启动转矩。在电磁弹射器中，动子的两面都是与定子线圈耦合的，因此定子与动子的相对应面超过了10平方米，而我们日常的旋转型电动机定子与转子只是单面耦合，因此电动个头虽然大，但是耦合面其实并不大，电磁弹射器之所以这么做，目的是为了减小动子的重量，因为动子的重量哪怕减小一点点，意义都非同凡响。上述所讲的是动子的感应线圈部分，但是动子绝不止感应线圈，虽然它是产生驱动力的核心部件，但是由于战机在甲板上面，必须有效的与上部采用合理的手段，就象蒸汽弹射器的驱动活塞一样，它必须有引出装置与战机相连。我们知道，蒸汽弹射器有小车和弹射梭装置，电磁弹射器也有它的相应设备，分别是强迫约束装置和弹射梭。

强迫约束装置放置在轨道盒内，而轨道盒是固定在定子线圈上部的，长度与电磁弹射器相同，它采用左右对称并上下开口，上部开口是为了弹射梭的运行，弹射梭是挂战机弹射挂钩的。下部开口为了动子线圈。弹射梭和动子感应线圈均与强迫约束装置采用刚性连接。强迫约束装置在原理上差不多相同于蒸汽弹射器的小车，因为动子感应线圈与上部弹射梭虽然在驱动力方向上一致，但是高度不同，也就是受力点不在一个平面上，必须要有一个装置来平衡这种受力不在一个水平上的问题。强迫约装置在上部有4排轴承组，下部有2排轴承组，左上和左下有1排排轴承组，同理，右上和右下也有2排轴承组。上下的轴承组当然是平衡弹射战机时这种受力不在一个水平上的问题，而左上、左下及右上、右下则是平衡动子线圈左右倾斜的问题。如果在动子线圈下部设一排轴承组，这样来防止动子线圈左右倾斜效果应该更好，但是，这些轴承组是易损件，如果更换动子线圈下部的轴承组则要拆下定子线圈，维护量太大，因此采用了在强迫约束装置上进行工作，虽然在效果上比不上动子线圈下部设置，但是维护量大大降低了。

在弹射做功过程中，当战机的弹射挂钩挂住电磁弹射器的弹射梭时，且强迫储能装置已经充好了电，这时就可以弹射了，首先就是发动机发动，当发动机推力达到最大推力的80%的时候，第1段也就是第1回路的真空断路器先合闸，其它7个回路均断开的，大功率控制装置（形同高压变频器）开始给第1回路的36个直线电机模块单元供电，并产生移动电磁波，推动动子以总共4G（具体多少个加速度根据情况而定）进行运行，战机被推动加速，当进入第2段也就是第2回路时，提前0.2秒给第2回路供电，这部分控制美国人采用安装在动子两边端边的接近感应开关，而英国人采用时间继电器通过PLC进行控制，也就是说美国人更精确，而英国人的控制更简单，当然他们都无一例外的都有激光测距仪以反应动子的精确位置。由于动子速度变化且不断增加，因此动子前部接近感应开关用于下一个回路通电的应提前位置安装，提前的多少分别不同，但是都是动子到达提前0.2秒。由于感应开关采用无触点开关，类似CMOS管，导通时间极短，而且到达PLC后再经过运算再输出到真空断路器的时间极短，因此基本上可以忽略这部分时间，但是真空断路器合闸时间却没办法缩短，它的动作时间只能小于0.1秒，因此在动子到来前的0.1秒下一个回路已经通电了。而动子尾部的感应点则用于停止上一个回路的电源，以减少空载电流及直线电机模块的通电时间，这部分不需要提前，信号与给下一个回路通电一样经过PLC再经过运输后，通过开关量输出来控制，这部分反应速度要快些，由于真空断路器断开时间小于0.04秒，因此基本上可以保证动子完全离开这一回路时经过小于0.05秒时即断开电源。随着动了不断进入每一个回路，而真空断路器不断的切换回路，动子连同战机加速到起飞的速度，它必须在最后一个回路进行制动，这是事先程序已经编好的，因为如果距离太短，过载越大，电磁弹射器就是尽可能避免最大过载，在弹射过程力求加速度平稳，因此加速度距离不可太短，而最后的制动也必须精准，否则极有可能酿成事故。当然，这一切都是PLC控制，反应是很快的。

2 直线电机的基本工作原理

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。对应旋转电机定子的部分叫初级，对应转子的部分叫次级。在初级绕组中通多相交流电，便产生一个平移交变磁场称为行波磁场。在行波磁场与次级永磁体的作用下产生驱动力，从而实现运动部件的直线运动。

图1 工作原理

3 直线电机的特点及其优势

直线电机与旋转电机相比，主要有如下几个特点：

（1）结构简单，由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大大地下降；

（2）定位精度高，在需要直线运动的地方，直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位精度高，如采用微机控制，则还可以大大地提高整个系统的定位精度；

（3）反应速度快、灵敏度高，随动性好。直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性；

（4）工作安全可靠、寿命长。直线电机可以实现无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零，所以故障少，免维修，因而工作安全可靠、寿命长。

（5）高速度。直线电机通过直接驱动负载的方式，可以实现从高速到低速等不同范围的高精度位置定位控制。直线电机的动子（初级）和定子（次级）之间无直接接触，定子及动子均为刚性部件，从而保证直线电机运动的静音性以及整体机构核心运动部件的高刚性。直线电机的行程可通过拼接定子来实现行程的无限制，同时也可以通过在同一个定子上配置多个动子来实现同一个轴向的多个独立运动控制。直线电机驱动的机构可以通过增强机构以及反馈元件的刚性以及精度，辅之以恒温控制等措施来实现超精密运动控制。

直线电机的几大优势：

（1）免维护；（2）无滚珠丝杆、齿轮箱、齿条与齿轮、传动带/皮带轮；（3）零回程间隙和柔度；（4）高刚度；（5）高定位精度；（6）紧凑的机械装配；（7）减少机器中的部件数量；（8）速度非常平稳；（9）静音运行。

4 结论

采用直线电机驱动的新型装置与非直线电机驱动相比，它具有的结构简单、无接触、无磨损、噪声低、速度快、精度高、组合灵活等优点是明显的，但由于直线电机本身所具有的磁路开断所引起的边端效应以及安装气隙较大等问题，故在一些直线运动的装置或系统中，是否采用新型的直线电机来驱动，要权衡利弊得失，选择能充分发挥直线电机自身优势的直线运动装置或系统中发展应用，在科学技术飞速发展的今天，在一些旋转电机或其他驱动装置无能为力或勉强应付的地方，寻找直线电机能充分发挥优势的位置，在满足人类需求和完善人类美好愿意的进程中求得自身的发展，前景是广阔的，但发展是需要付出巨大努力的。

（本文由西北工业大学2012年国家级大学生创新训练计划项目组共同完成，项目组成员：柴睿、谭溥学、孙文龙、舒悦和范天伦5人。）

参考文献：

[1] 刘菊香.直线电机建模与半实物仿真研究[D].中南大学，2006.

[2] 方清贤.真空开关永磁直线电机设计仿真、驱动控制与保护系统研究[D].浙江大学，2008.