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控制系统 - 运动控制技术社区

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    直线电动机

    GeorgeEllis 2010-01-08 15:35

    直线电动机

         前面讨论的电动机所产生的机械运动均是旋转方式,本节介绍直线电动机所产生的机械运动是直线形式。直线电动机是近年来国际上积极研究发展的一种新型电动机,它可以将电能直接转换成直线运动的机械能,从而消除了旋转电机所必需的由旋转到直线运动的中间机构,使精度提高,结构简化。
         目前在交通运输、工业生产和仪表中,直线电动机已得到推广和应用。在铁路运输上采用直线感应电动机可以实现250~300km/h的高速列车,并且向更高的400~500km/h的超高速列车的目标发展。在生产线上,各种传送带已开始采用直线电动机来驱动。在仪器仪表系统中,直线电动机作为驱动、指示和测量的应用更加广泛,如快速记录仪,x-y绘图仪,磁头定位系统,打字机以及电子缝纫机中都得到应用,可以预见在直线运动领域里旋转电机将逐渐被直线电动机所取代。
         直线电动机的主要类型有:直线直流电动机、直线感应电动机、直线同步电动机、直线步进电动机、直线振动驱动器、直线直流螺线管和液态金属电磁泵等。
         直线电动机可以认为是旋转电动机在结构上的一种演变,它可以看作将旋转电动机沿径向剖开,然后将电动机沿着圆周展成直线,如图所示。

         在直线电动机中,电机结构中不动的部件仍然可称为定子,然而其运动部件一般称之为动子。旋转电动机中的转矩变成了沿直线方向的力,交流旋转电动机中的旋转磁场变成了平移磁场.。旋转电动机的行程可以说是无限的,而直线电动机的行程则是有限的。按原理来说,直线电动机可以分为直流、异步、同步和步进等几种类型。各种类型的直线电动机,根据使用要求,做成不同结构形式。电机的结构并不一定是圆周结构的简单展开,而可能采用新的结构。例如可以沿着和直线运行相垂直的方向卷成圆柱状(或管状),这种直线电动机通常称为管型直线电动机。
         除了上述一维直线运动的直线电动机外,还有两维直线运动的电动机,后者通称为平面式电动机。目前,实用的平面式电动机仅限于步进电动机的形式。
         在1993年9月德国汉诺威欧洲机床展览会上,出现了第一台采用直线伺服电机传动的加工中心。这之后,直线电机在多种产品上得到应用。但是,直线电机传动还存在以下问题:伺服控制难度加大;应用于垂直行程部件时,由于存在着加速度,故要求采取复杂的平衡措施;往往要采取冷却措施;装配和防护难度加大。
      直线直流电动机
         永磁式直线电动机是常用的直线直流电动机,它作为执行元件广泛应用于直线运动结构中。永磁式直线直流电动机分为动圈式和动磁式两种。动圈式电动机为磁场固定、电枢线圈可动,其结构形式及工作原理与扬声器一样,因此又称其为音圈电动机。动磁式电动机是电枢线圈固定、磁场运动,适用于大行程的场合。


         动圈式直线直流电动机的工作原理如图所示。它包括定子和动子两个主要部件,属于管型直线电动机结构形式。其定子内嵌有永磁体,在极靴处形成径向磁场如截面图所示。其动子只是一个线圈,其内铁心并不动作。当线圈中通过电流时即与磁场作用产生电磁力,形成运动口。由于动子质量小,因此惯量也小,可以得到很好的动态响应。常用于磁盘存储器中,代替原来的步进电机和齿条机构,从而简化结构,减小惯量,闭环控制方便,使位置精度和速度有很大的提高。达到提高存储器容量和存取速度的结果。目前磁盘存储器的磁头定位精度已达到±μm。

         图是IDC公司生产的一种专利型的LD系列直线电动机,这种电动机很像机床上的滚珠丝杠,而且实际上可以直接取代滚珠丝杠作为机床上的直线传动,避免了旋转电动机与直线运动之间的转换环节。这种电动机的独特之处在于其作为定子的管状永磁导杆(tubular magnetic rod)和作为动子的方形拖板(rectangular thrust block)的设计。其圆柱形导杆包含永磁材料,产生如图(c)所示的沿导杆径向分布的磁场,这个磁场完全被内含换向线圈的拖板所捕获。拖板里的线圈完全包含导杆,并且其电流方向与导杆圆周相切。因此导杆的径向磁场总是与电流方向垂直相交,由电流和磁场的矢量积(叉积)产生最大可能的电磁力来对拖板及其负载(如刀架)加速。电磁力的方向可根据右手定则来获得。因为LD系列电动机内部的磁场是沿圆周平衡分布的,因此在拖板和导杆之间既无吸力也无斥力,这样就大大减少了直线导杆支承所承受的力量,从而延长了支承的寿命。电动机的绕组安装在作为运动部件的拖板内部,拖板外部制成散热片形状以改善散热条件,使得这种电动机无须强迫通风。

         由于直线电动机的定子、动子结构的特殊性,使直线电动机的磁场存在“进口端”和“出口端”两个纵向边端,因此直线电动机的磁场分析较为特殊,此处不再详细讨论。
         直线电动机因为行程有限,一般多用在往复运动的场合,因此在运行中总是处在暂态过程中。所以对直线电动机通常只讨论它的动态特性及其参数。直线电动机的特性也是在理想化条件下分析其基本方程式,求出动态解的。下面列出直流直线电动机的基本方程式。
    电压方程:u=La*di/dt+Rai+Kev
    运动方程:m*dv/dt+Kdv+Ff=Bli=Kei
        不计式()中由第二、三项所代表的阻尼和摩擦,解式()和式(),可得速度方程式

    式中Vm-不计摩擦及阻尼时的最大运动速度,Vm=u/Bl;
        Te-电气时间常数,Te=La/Ra;
        Tm-机械时间常数,Tm=Ra/(Bl)²;
        m-运动物体的质量;
        l——运动工作的行程;
        Ke——电动势常数,Ke=Bl。

    若电气时间常数忽略不计,直线电动机的速度方程可简化成Tm*dv/dt+v=vm
    得出速度的时间函数为

    式中vo-初始速度。
         从上面分析可以认为,直线直流电动机的动态特性是和直流电动机的动态特性完全一样的。它的参数也可以用直流电动机的参数相等效。例如,直线直流电动机的比推力Bt可等效于直流电动机的电动势常数Ke,直线直流电动机的动子总质量(含负载运动质量)等效于直流电动机的转子总惯量,直线直流电动机的速度等效于直流电动机的转速等等。
         目前,直线直流电动机是在电子计算机外围设备、自动化仪器仪表、精密直线位移的机械手及机器人中用作增量运动的执行元件。近来,在制冷设备中,采用直线电机压缩机代替往复式压缩机,其直线电动机就是直流形式。
      直线感应电动机
         直线感应电动机的工作原理与旋转式感应电动机的工作原理是相同的。如果将配置三相绕组的部件称为初级,则由初级的合成移动磁场(对应与旋转电机的旋转磁场,又称为行波磁场)感应出电流并与初级共同作用产生异步电磁力的部件就称为次级。定子既可以是初级,也可以是次级。
         直线感应电动机的结构有平板式和圆筒式两种。前者可以形成大功率的产品,如悬浮式电动机车;后者一般制作短行程小功率产品。平板式结构如图所示,其中又可分为单边和双边两种形式。


       行波磁场的同步速度为vs=2τ/T=2τf。式中τ-绕组的极距; T、f-电源的周期和频率。
      直线感应电动机动子的运动速度口总是低于同步速度,其滑差可表示为s=(vs-v)/vs
    v=2τf(1-s) 。改变直线感应电动机的极距和电源频率可以改变电机的速度。
         直线感应电动机主要用于功率较大场合的直线运动机构。常用的直线运动机械有各种门的自动开闭装备,起吊、传送和升降的机械装备,驱动车辆等等。例如欧洲迪斯尼乐园、温哥华的捷运系统等都采用了直线感应电动机。在美国科罗拉多的国家技术中心已有直线感应电动机将试验车辆推进到每小时250英里。在美国的Sandia国家实验室,人们甚至试图利用直线感应电动机的原理将卫星发射入轨道。

         上述直线运动机械中,直线感应电动机往往是与运动机构组成一体的,其结构及零部件均是从运动机构的要求出发来考虑。用直线电动机解决线性力学传动较线性机械转换装备有突出的优越性,如牵引力或推力可以直接产生,不需中间联动部分或机件结构等。因此,其应用将愈来愈多。
      直线步进电动机
         直线步进电动机是旋转式步进电动机的演变,图是一种直线步进电动机的示意图。定子上有均匀的齿和槽,槽中填满非磁性材料,使定子与动子的表面平整光滑,减小电动机工作时的摩擦。动子由永久磁铁和两个带线圈的磁极A和B组成。A和B上的齿与定子齿的齿宽相等。磁极A和B上的齿相对于定子上的齿的关系如图11. 42所示:当B上的齿与定子上的齿、槽对齐时,A上的齿位于定子的齿、槽中间。当磁极B上的绕组按图11. 42中箭头方向通入电流时,齿3上绕组产生的磁场与永磁体的磁场抵消,而在齿4上磁通则得到增强。绕组不通电的磁极A上的齿1和齿2下的磁通相等。假定永磁体的磁通是1,而对绕组电流匹配可使得齿4下的磁通也是1,齿3下的磁通为0;而齿1和齿2下的磁通均为1/2。齿1和齿2与定子齿之间产生的吸力互相抵消,而齿4与定子齿之间的吸力因磁通的倍增而倍增,使动子到达如图所示的稳定位置。


         假定图11. 42为直线步进电动机的起始位置,有兴趣的读者可在图11. 43中按拍分析其动作循环。结论是如果A、B两相绕组按节拍轮流通电,并且各绕组再次通电时改变电流方向,那么动子每拍移动1/4个齿距,与前面介绍的两相}昆合式步进电动机相同,也是4拍前进一个齿距。


         显然支线步进电机可用H桥电路驱动,控制通电脉冲的数量及频率,可以得到不同运动的位移及速度。

         直线步进电动机的应用有数控绘图仪、记录仪、刻图机、裁剪机和精密定位机构等。采用直线步进电动机代替旋转步进电动机或旋转电动机是提高整机性能、简化系统结构与线路、降低产品成本的良好途径。
         步进电动机还可以做成平面的。平面电动机实际上就是把两个直线步进电动机垂直地组装在_起。它的定子做成平板形,上面有方格形的齿和槽,如图所示。


         如果z方向电机或y方向电机单独供电控制,则平面电机可作x方向或y方向运动。如果控制信号按不同的逻辑组合去同时驱动两个电机,则平面电机可在平台上作任意轨迹的运动。

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