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直线电机阅读:352

    一般电动机工作时都是转动的.但是用旋转的电机电机 的供应商驱动的交通工具(比如电动机车和城市中的电车等)需要做直线运动,用旋转的电机驱动的机器的一些部件也要做直线运动,这就需要增加把旋转运动变为直线运动的一套装置,能不能直接运用直线运动的电机来驱动,从而省去这套装,人们就提出了这个问题,现在已制成了直线运动的电动机,即直线电机。

直线电机简介

    直线电机的原理并不复杂.设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开,并且展平,这就成了一台直线感应电动机。在直线电机中,相当于旋转电机定子的,叫初级;相当于旋转电机转子的,叫次级,初级中通以交流,次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动。这时初级要做得很长,延伸到运动所需要达到的位置,而次级则不需要那么长,实际上,直线电机既可以把初级做得很长,也可以把次级做得很长;既可以初级固定、次级移动,也可以次级固定、初级移动。

    直线电机是一种新型电机应用日益广泛,磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的。磁悬浮列车是一种全新的列车.一般的列车,由于车轮和铁轨之间存在摩擦,限制了速度的提高,它所能达到的最高运行速度不超过300km/n.磁悬浮列车是将列车用磁力悬浮起来,使列车与导轨脱离接触,以减小摩擦,提高车速。列车由直线电机牵引,直线电机的一个级固定于地面,跟导轨一起延伸到远处;另一个级安装在列车上,初级通以交流,列车就沿导轨前进。列车上装有磁体(有的就是兼用直线电机的线圈),磁体随列车运动时,使设在地面上的线圈(或金属板)中产生感应电流,感应电流的磁场和列车上的磁体(或线圈)之间的电磁力把列车悬浮起来,悬浮列车的优点是运行平稳,没有颠簸,噪声小,所需的牵引力很小,只要几千kw的功率就能使悬浮列车的速度达到550km/h.悬浮列车减速的时候,磁场的变化减小,感应电流也减小,磁场减弱,造成悬浮力下降,悬浮列车也配备了车轮装置,它的车轮像飞机一样,在行进时能及时收入列车,停靠时可以放下来,支持列车。

    要使质量巨大的列车靠磁力悬浮起来,需要很强的磁场,实用中需要用高温超导线圈产生这样强大的磁场,直线电机除了用于磁悬浮列车外,还广泛地用于其他方面,例如用于传送系统、电气锤、电磁搅拌器等,在中国,直线电机也逐步得到推广和应用.直线电机的原理虽不复杂,但在设计、制造方面有它自己的特点,产品尚不如旋转电机那样成熟,有待进一步研究和改进。

    直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形,它可以看作是一台旋转电机沿其径向剖开,然后拉平演变而成。近年来,随着自动控制技术和微型计算机的高速发展,对各类自动控制系统的定位精度提出了更高的要求,在这种情况下,传统的旋转电机再加上一套变换机构组成的直线运动驱动装置,已经远不能满足现代控制系统的要求,为此,近年来世界许多国家都在研究、发展和应用直线电机,使得直线电机的应用领域越来越广。

    直线电机与旋转电机相比,主要有如下几个特点:一是结构简单,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;二是定位精度高,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;三是反应速度快、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;四是工作安全可靠、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。

直线电机工作原理

    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。

    由定子演变而来的一侧称为初级,由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时,将初级和次级制造成不同的长度,以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级,也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用,以直线感应电动机为例:当初级绕组通入交流电源时,便在气隙中产生行波磁场,次级在行波磁场切割下,将感应出电动势并产生电流,该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定,则次级在推力作用下做直线运动;反之,则初级做直线运动。直线电机的驱动控制技术一个直线电机应用系统不仅要有性能良好的直线电机,还必须具有能在安全可靠的条件下实现技术与经济要求的控制系统。随着自动控制技术与微计算机技术的发展,直线电机的控制方法越来越多。

    对直线电机控制技术的研究基本上可以分为三个方面:一是传统控制技术,二是现代控制技术,三是智能控制技术。传统的控制技术如PID反馈控制、解耦控制等在交流伺服系统中得到了广泛的应用。其中PID控制蕴涵动态控制过程中的信息,具有较强的鲁棒性,是交流伺服电机驱动系统中最基本的控制方式。为了提高控制效果,往往采用解耦控制和矢量控制技术。在对象模型确定、不变化且是线性的以及操作条件、运行环境是确定不变的条件下,采用传统控制技术是简单有效的。但是在高精度微进给的高性能场合,就必须考虑对象结构与参数的变化。各种非线性的影响,运行环境的改变及环境干扰等时变和不确定因数,才能得到满意的控制效果。因此,现代控制技术在直线伺服电机控制的研究中引起了很大的重视。常用控制方法有:自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制及智能控制。主要是将模糊逻辑、神经网络与PID、H∞控制等现有的成熟的控制方法相结合,取长补短,以获得更好的控制性能。

精密直线电机

    在实际工业应用中的稳定增长,证明直线电机可以放心的使用。下面简单介绍直线电机类型和他们与旋转电机的不同,最常用的直线电机类型是平板式,U型槽式和管式。线圈的典型组成是三相,有霍尔元件实现无刷换相,直线电机用HALL换相的相序和相电流。

    该直线电机明确显示动子(forcer,rotor)的内部绕组,磁鉄和磁轨动子是用环氧材料把线圈压成的。而且磁轨是把磁铁固定在钢上。直线电机在过去的10年。经实践上引人注目的增长和工业应用的显著受益才真正成熟。直线电机经常简单描述为旋转电机被展平,而工作原理相同。动子(forcer,rotor)是用环氧材料把线圈压缩在一起制成的,而且磁轨是把磁铁(通常是高能量的稀土磁铁)固定在钢上.电机的动子包括线圈绕组,霍尔元件电路板,电热调节器(温度传感器监控温度)和电子接口。在旋转电机中,动子和定子需要旋转轴承支撑动子以保证相对运动部分的气隙(airgap)。同样的,直线电机需要直线导轨来保持动子在磁轨产生的磁场中的位置。和旋转伺服电机的编码器安装在轴上反馈位置一样,直线电机需要反馈直线位置的反馈装置--直线编码器,它可以直接测量负载的位置从而提高负载的位置精度。

    直线电机的控制和旋转电机一样。象无刷旋转电机,动子和定子无机械连接(无刷),不象旋转电机的方面,动子旋转和定子位置保持固定,直线电机系统可以是磁轨动或推力线圈动(大部分定位系统应用是磁轨固定,推力线圈动)。用推力线圈运动的电机,推力线圈的重量和负载比很小。然而,需要高柔性线缆及其管理系统。用磁轨运动的电机,不仅要承受负载,还要承受磁轨质量,但无需线缆管理系统。相似的机电原理用在直线和旋转电机上。相同的电磁力在旋转电机上产生力矩在直线电机产生直线推力作用。因此,直线电机使用和旋转电机相同的控制和可编程配置。直线电机的形状可以是平板式,U型槽式和管式。哪种构造最适合要看实际应用的规格要求和工作环境。

柱形动磁体直线电机

    圆柱形动磁体直线电机动子是圆柱形结构。沿固定着磁场的圆柱体运动。这种电机是最初发现的商业应用但是不能使用于要求节省空间的平板式和U型槽式直线电机的场合。圆柱形动磁体直线电机的磁路与动磁执行器相似。区别在于线圈可以复制以增加行程。典型的线圈绕组是三相组成的,使用霍尔装置实现无刷换相。推力线圈是圆柱形的,沿磁棒上下运动。这种结构不适合对磁通泄漏敏感的应用。必须小心操作保证手指不卡在磁棒和有吸引力的侧面之间。

    管状直线电机设计的一个潜在的问题出现在,当行程增加,由于电机是完全圆柱的而且沿着磁棒上下运动,唯一的支撑点在两端。保证磁棒的径向偏差不至于导致磁体接触推力线圈的长度总会有限制。

U型槽式直线电机

    U型槽式直线电机有两个介于金属板之间且都对着线圈动子的平行磁轨。动子由导轨系统支撑在两磁轨中间。动子是非钢的,意味着无吸力且在磁轨和推力线圈之间无干扰力产生。非钢线圈装配具有惯量小,允许非常高的加速度。线圈一般是三相的,无刷换相。可以用空气冷却法冷却电机来获得性能的增强。也有采用水冷方式的。这种设计可以较好地减少磁通泄露因为磁体面对面安装在U形导槽里。这种设计也最小化了强大的磁力吸引带来的伤害。

    这种设计的磁轨允许组合以增加行程长度,只局限于线缆管理系统可操作的长度,编码器的长度,和机械构造的大而平的结构的能力。

平板直线电机

    有三种类型的平板式直线电机(均为无刷):无槽无铁芯,无槽有铁芯和有槽有铁芯。选择时需要根据对应用要求的理解。无槽无铁芯平板电机是一系列coils安装在一个铝板上。由于FOCER没有铁芯,电机没有吸力和接头效应(与U形槽电机同)。该设计在一定某些应用中有助于延长轴承寿命。

    动子可以从上面或侧面安装以适合大多数应用。这种电机对要求控制速度平稳的应用是理想的。如扫描应用,但是平板磁轨设计产生的推力输出最低。通常,平板磁轨具有高的磁通泄露。所以需要谨慎操作以防操作者受他们之间和其他被吸材料之间的磁力吸引而受到伤害。

    无槽有铁芯:无槽有铁芯平板电机结构上和无槽无铁芯电机相似。除了铁芯安装在钢叠片结构然后再安装到铝背板上,铁叠片结构用在指引磁场和增加推力。磁轨和动子之间产生的吸力和电机产生的推力成正比,迭片结构导致接头力产生。把动子安装到磁轨上时必须小心以免他们之间的吸力造成伤害。无槽有铁芯比无槽无铁芯电机有更大的推力。

    无槽有铁芯:这种类型的直线电机,铁心线圈被放进一个钢结构里以产生铁芯线圈单元。铁芯有效增强电机的推力输出通过聚焦线圈产生的磁场。铁芯电枢和磁轨之间强大的吸引力可以被预先用作气浮轴承系统的预加载荷。这些力会增加轴承的磨损,磁铁的相位差可减少接头力。

直线电机应用介绍

    直线电机主要应用于三个方面:一是应用于自动控制系统,这类应用场合比较多;其次是作为长期连续运行的驱动电机;三是应用在需要短时间、短距离内提供巨大的直线运动能的装置中。

    高速磁悬浮列车磁悬浮列车是直线电机实际应用的最典型的例子,目前,美、英、日、法、德、加拿大等国都在研制直线悬浮列车,其中日本进展最快。

    直线电机驱动的电梯世界上第一台使用直线电机驱动的电梯是1990年4月安装于日本东京都关岛区万世大楼,该电梯载重600kg,速度为105m/min,提升高度为22.9m。由于直线电机驱动的电梯没有曳引机组,因而建筑物顶的机房可省略。如果建筑物的高度增至1000米左右,就必须使用无钢丝绳电梯,这种电梯采用高温超导技术的直线电机驱动,线圈装在井道中,轿厢外装有高性能永磁材料,就如磁悬浮列车一样,采用无线电波或光控技术控制。

    超高速电动机在旋转超过某一极限时,采用滚动轴承的电动机就会产生烧结、损坏现象。为此近年来,国外研制了一种直线悬浮电动机(电磁轴承),采用悬浮技术使电机的动子悬浮在空中,消除了动子和定子之间的机械接触和摩擦阻力,其转速可达25000~100000r/min以上,因而在高速电动机和高速主轴部件上得到广泛的应用。如日本安川公司新近研制的多工序自动数控车床用5轴可控式电磁高速主轴采用两个经向电磁轴承和一个轴向推力电磁轴承,可在任意方向上承受机床的负载。在轴的中间,除配有高速电动机以外,还配有与多工序自动数控车床相适应的工具自动交换机构。

直线电机研究意义

    在实用的的和买的起的直线电机出现以前,所有直线运动不得不从旋转机械通过使用滚珠或滚柱丝杠或带或滑轮转换而来。对许多应用,如遇到大负载而且驱动轴是竖直面的。

    这些方法仍然是最好的。然而,直线电机比机械系统比有很多独特的优势,如非常高速和非常低速,高加速度,几乎零维护(无接触零件),高精度,无空回。完成直线运动只需电机无需齿轮,联轴器或滑轮,对很多应用来说很有意义的,把那些不必要的,减低性能和缩短机械寿命的零件去掉了。

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