（电机与电器专业论文）新型铺粉装置及其驱动系统的研究.pdf

浙江大学钡十研究生学位论文摘要 a b s t r a c t l i n e a rm o t o ri sas o r to fd r i v i n gd e v i c et h a tc a nt r a n s i te l e c t r i ce n e r g yt o m e c h a n i c a le n e r g yo fl i n e a rm o v e m e n tw i t h o u ta n ys w i t c h i n gm e c h a n i s m i ti s w i d e l ya p p l i e di ni n d u s t r y , c i v i lu s e ，m i l i t a r yu s e ，a n do t h e ro c c a s i o n sw i t h l i n e a rm o v e m e n t t h er e s e a r c ho fl i n e a rm o t o ra p p l i c a t i o ni so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tr e s e a r c hd o m a i n so fl i n e a rm o t o r , a n di sa l s ot h eu l t i m a t ep u r p o s eo f s t u d y i n gl i n e a rm o t o r t h i sd i s s e r t a t i o ne x p o u n d sa ni n s t a n c eo fl i n e a rm o t o r a p p l i c a t i o ni ni n d u s t r y l a y i n ga l l o yp o w d e rd e v i c e t h es u b j e c to r i g i n a t e s t h ep r o d u c t i o np r o c e s so fc o p p e r 1 e a d ，o rs t e e ls t r i p sw h i c hi san e wk i n do f b e a r i n gb u s h l sm a t e r i a l t h em a i nl i n eo ft h ed i s s er t a t i o ni st h ed e s i g no fl a y i n g p o w d e rd e v i c e i ti n v o l v e st h em a c h i n es t r u c t u r a ld e s i g n ，t h ed e s i g no fl i n e a r i n d u c t i o nm o t o r ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fl i n e a rm o t o r se l e c t r o m a g n e t i c f i e l d a n dt h ec o n t r o ls y s t e mo fl i n e a rm o t o r f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ed e v e l o p i n gp r o c e s s t h es e tt y p e ， t h ef u n d a m e n t a l s ，t h ee q u i v a l e n tc i r c u i t ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fi i n e a rm o t o r t h e ni td i s c u s s e ss e v e r a la s p e c t so ft h ed e s i g no fl a y i n gp o w d e rd e v i c ei n d e t a i l t h em a i nc o n t e n to ft h ed i s s e r t a t i o nl sa sf o i l o w s 1 t h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n to fl a y i n gp o w d e r d e v i c e ，a n db r i n g sf o r w a r dt h ei d e ao fs t r u c t u r a ld e s i g n t h e nt h em e c h a n i c a l d e s i g nd r a w i n go fl a y i n gp o w d e rd e v i c ei sg i v e n 2 t h ed i s s e r t a t i o nc a l c u l a t e st h ee l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r so ft h e p l a n a rl i n e a ri n d u c t i o nm o t o rt h a ti sa l s oi n t i t u l e da sm a i nm o t o r ，a n da n a l y z e s t h et w o d i m e n s i o ne l e c t r o m a g n e t i cf i e l do fm a i nm o t o rw i t ha n s y s 8 1 s o f t w a r et h r o u g hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，w eo b t a i nt h em a g n e t i cf i g u r ea n d t h ec u r v ed i a g r a mo ff l u xd e n s i t yo fa i rg a p sm i d s t i na d d i t i o n ，a n s y s 8 1 s o f t w a r ec a l c u l a t e st h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c eo fm a i nm o t o rw i t hv i r t u a lw o r k a n dt h em a x w e l is t r e s st e n s o rm e t h o d s w ec e n t r a s tt h em a g n e t i cf o r c e c a l c u l a t e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o dw i t ht h a tc a l c u l a t e db yt r a d i t i o nm e t h o d 3 t h ec o n t r o ls y s t e mo fl a y i n gp o w d e rd e v i c ei sd e v i s e d p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l e r ( p l c ) i su s e dt oi m p l e m e n tt h et i m es e q u e n c ec o n t r o lo ft h e e n t i r ed e v i c e t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e sd e s i g ns c h e m eo ff r e q u e n c y c o n t r o ls y s t e ma r eg i v e nf o rc o n t r o l l i n gt h em a i nm o t o r f i n a l l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r es h o w n ，a n dt h ee n t i r ed e s i g n p r o c e s so fl a y i n gp o w d e rd e v i c ei ss u m m a r i z e d k e yw o r d ：l a y i n gp o w d e rd e v i c e s t r u c t u r a ld e s i g nl i n e a ri n d u c t i o n m o t o r ( l i m ) f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sc o n t r o ls y s t e m 浙江人学硕【研究生学位论文第一章 第一章绪论 1 1 直线电机的起源与发展 直线电机是一种将电能转换成直线运动方式的机械能，而无需中间转换机构的 装置。直线电机可以认为是旋转电机的一种演变，它可看作是将一台旋转电机沿径 向剖开，然后将电机的圆周展开成直线而成，如图1 1 所示。由电机定子演变而来 的- n 为初级或原边，由转子演变而来的- n n 为次级或副边。 予( 次级) 次级 初级 b ) 把圆周展成直线 圈1 - 1旋转电机演变为直线电机的过程 直线电机的发展历史最早可追溯到1 6 0 多年前，1 8 4 0 年惠斯顿( w h e a t s t o n e ) 提 出并制作了略具雏形但并不成功的直线电机。早期研制直线电机主要有两个目的： 一是想用它来推动织布机上的梭子，有人在1 8 9 0 获得了关于这方面的一个专利，这 也是直线电机最早的一个专利：二是想用它作为火车的动力机构，这早在1 9 0 5 年就 有人提出。但这两者都停留在试验论证阶段。在以后很长的一段时闻内，虽有少量 的研究成果，但都未超出试验模型阶段。从美国专利上看，上个世纪三、四十年代， 电曾一度出现直线电机热，但后来渐渐冷却下来了。其中原因大致有以下几个方面： 一一、直线电机的电磁气隙与极距的比值通常高于旋转电机，因而励磁电流较大，另 外存在由于铁芯两端开断而产生的边端效应，于是直线电机的效率和功率因数比同 容量旋转电机的低，人们的传统概念是以效率和功率因数来衡量电机的，这个概念 牢同地束缚了直线电机的应用；二、没能找到唯独直线电机适用的领域；三、直线 电机的控制线路及其装置费用成为它发展的障碍，因为当时控制技术不完善、元器 件价格昂贵且性能欠佳；四、直线电机理论发展缓慢，设计上存在缺陷，没有对其 应用起到促进和预见作用。以上这些使得人们对直线电机一度失去信心。直至上个 世纪五十年代中期以后，控制、材料技术的飞速发展和新型控制元器件的4 ；断出现 浙江人学碗i 田f 究生学位论文第章 为直线电机的广泛应用打开了方便之门。随着科技的发展，人们的观念也发生了变 化，认为直线电机的较低效率可以用增加整个装置的传动效率来补偿，在不连续使 用的情况下，效率退居第二位，整个装置的简单和经济显示了直线电机的优越性。 人们观念的改变更促进了直线电机的发展。这一时期世界各国出现了许多直线电机 的产品，例如前苏联生产的液态金属电磁泵，美国x y n e t i c s 公司生产的自动绘图仪， 法国生产的直线电机记录仪，e d w a r d so f e n f i e l d 公司生产的铝和有色金属工业用的 新型挤拉机，同本s a n y o 公司生产的直线电机驱动的电唱机，英国h e r b e r tm o r r i s 公司生产的桥式吊车、传送带和一般机械搬运设备等等。同时，直线电机理论也取 得了很大的进展，有关的文献和书籍不断出版，基于电磁场理论对直线电机进行分 析和计算的文章也陆续发表。 值得一提的是，在上世纪六十年代术、七十年代初，直线电机作为高速列车的 驱动装置得到了各国的高度重视并纷纷计划予以实施，其中尤以德国、h 本为代表。 近二十年来，不仅直线电机的新产品层h 不穷，而且直线电机在原理上的创新也不 断出现，例如超声波直线电机、微步距直线电机等。 相对于国外，我国直线电机的研究和应用发展起步晚，始于上世纪七十年代初 期，但发展不稳定，七十年代比较热，八十年代前期发展迟缓，八十年代后期至今 又有较大发展。现今国内己形成了一支直线电机的开发、研究队伍，一些大专院校、 科研单位和工厂积极开展各类直线电机的基础理论和开发应用的研究。白1 9 8 2 年开 始，全国直线电机学术会议定期召开，会上既有论文的交流，也有新成果的展示， 还不断有新的年轻会员参加。我国在直线电机的应用上也取得了可喜的成果，例如 浙江大学的遥控直线电动窗帘机，直线电机驱动的邮政分拣机，圆盘直线电机驱动 并利用其电磁内热的炒茶机，世界首创的新型电磁式直线电机冲床，西安交通大学 的一种新型电磁打泊机，上海工业大学的浮法玻璃生产用直线电机，直线电机驱动 的自动门等等，关于直线电机国内已有许多项专利。最近几年，直线电机在高速轨 道交通中的应用得到了极大的关注，上海磁悬浮商用线就是很好的例子，国家己将 直线电机的应用研究列为城市轨道交通发展的重要内容，相信今后将会有更多的应 用直线电机的轨道交通线出现。在理论研究层次上，我国也有很大的发展，发表了 不少的相关文章，出版了一些书籍。现在直线电机的应用面很广，涉及到工业、运 输、建筑、医学、军事等诸多领域，越来越受到人们的重视，其发展前景甚为广阔。 1 2 直线电机的分类 直线电机在不同的场合有不同的分类形式。例如在考虑外形结构时，往往以结 构型式进行分类；当考虑其功能用途时，则又以其功能用途进行分类：而在分析或 阐述电机的性能或机理时，则是以其工作原理进行分类的。下面就几种主要分类形 式简要予以介绍。 1 2 1 按结构型式分类 浙江大学硕士卅f 究生学位论文 第一章 直线电机按其结构型式主要可分为扁平型、圆简型( 或管型) 、圆弧型和圆盘型 四种。 所谓扁平型直线电机，顾名思义，即为一种扁平的矩形结构的直线电机。它分 单边型和双边型，每种型式下又分别有短初级、长次级或短次级、长初级两种结构 型式，如图l 一2 和图1 3 所示。 次级次级 匕= 兰三三- = 匕兰三三 a ) 短初级、长次级 图i 2 单边型直线电机 b ) 短次级、k 初级 图i 一3 双边型直线电机 所谓圆筒型直线电机，即为一种外形如旋转电机的圆柱状直线电机。这种直线 电机一般均为短初级、长次级型式，如图1 4 所示。在需要的场合，我们还可将这 种电机做成既有旋转运动又有直线运动的旋转直线电机，至于做旋转直线运动的运 动体既可以是初级，也可以是次级。 所谓圆弧型直线电机，就是将扁平型直线电机的初级沿运动方向改成弧型，并 安放于圆柱形次级的柱面外侧，如图l 一5 所示。 所谓圆盘型直线电机，即该电机的次级是一个圆盘，不同型式的初级驱动圆盘 次级作圆周运动，如图1 6 所示。其初级可以是单边型，也可以是双边型。 初级 图1 4 圆筒型直线电机 浙扎火学硕士研究生学位论文 第一章 弧形 初级 图15 圆弧型直线电机 1 2 2 按功能用途分类 直线电机，特别是直线感应电机 能电机。 的圆盘 级) 图卜6 圆箍型直线电机 按其功能用途主要可分为力电机、功电机和 力电机主要用于在静止物体上或低速的设备上施加一定的推力的直线电机。它 以短时运行、低速运行为主，例如阀门的开闭、门窗的移动、机械手的操作、推车 等。 功电机主要作为长期连续运行的直线电机。它的性能衡量的指标与旋转电机基 本一样，即可用效率、功率因数等指标来衡量其电机性能的优劣，例如高速磁悬浮 列车用直线电机、各种高速运行的输送线等。 能电机是指使运动构件在短时间内能产生极高动量的驱动电机。它主要是在短 时间、短距离内提供巨大的直线运动能，例如导弹、鱼雷的发射，飞机的起飞以及 冲击、碰撞等试验机的驱动等。 1 2 3 按工作原理分类 从原理上讲，每种旋转电机都有与之相对应的直线电机，然而从使用角度来看， 直线电机得到了更广泛的应用。直线电机按其工作原理可分为两个大的方面，即直 线电动机和直线驱动器。直线电动机包括交流直线感应电动机( l i n e a ri n d u c t i o n m o t o r s ，简称l i m ) 、交流直线同步电动机( l i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r s ，简称l s m ) 、 直线直流电动机( l i n e a r d cm o t o r s ，简称l d m ) 和直线步进( 脉冲) 电动机( l i n e a r s t e p p e r ( p u l s e ) m o t o r s ，简称l p m ) 、混合式直线电动机( l i n e a r h y b r i dm o t o r s ， 简称l h m ) 等。，直线驱动器包括直线振荡电动机( l i n e a ro s c i l l a t i n gm o t o r s ，简称 l o m ) 、直线电磁螺线管电动机( l i n e a r e l e c t r i cs o l e n o i d ，简称l e s ) 、直线电磁泵 ( l i n e a re l e c t r o m a g n e t i cp u m p ，简称l e p ) 、直线超声波电动机( l i n e a ru l t r a s o n i c 4 一 浙江大学硕“j ：o f 究牛学位论文 第一童 m o t o r s ，简称l u m ) 等。以上这些直线电机又可细分成许多不同的种类，例如交流 直线同步电动机又可分为电磁式、永磁式、可变阻抗、混合式和超导体式。 由于对感应式直线电动机的研究较早，其结构简单，坚固耐用，适应性强，成 本低，所以在各个领域首先获得推广应用。随着高性能永磁材料的发现和价格的降 低，永磁式同步直线电动机在许多小功率设备中得到了广泛应用，主要是在各种设 备中作为伺服驱动和精度较高的定位控制。 1 3 直线感应电动机的原理与特性 1 3 1 直线感应电动机的分类 与旋转电动机一样，直线感应电动机也可分为三相、两) c h i n 单相。单相直线感 应电动机的起动与普通单相旋转感应电动机一样，可以做成遮极式或带电容辅助起 动。 直线感应电动机根据结构型式的不同，除可像上节介绍的，划分为扁平型、圆 筒型、盘型和弧形外，还有一种横向磁通分布的结构型式。具体分类如图1 ，7 所示。 直 线 感 应 电 动 机 盟 边 二 双 边 单 边 二 双 边 短 初 级 长 次 级 单 次 级 短 次 级 长 初 级 复 口 次 级 笪 次 级 复 a 口 次 级 轴 向 磁 通 横 向 磁 通 圈1 7 直线感麻电动机的分类 1 3 2 直线感应电动机的基本原理 直线感应电动机的基本原理与旋转感应电动机相类似，图1 1 所示即为由旋转 感应电动机到直线感应电动机的演变过程。 扁 ；- 型 一一圆筒型一一盘 型二弧型 浙江人学坝i 研究生学位论文 第一章 i 一初级2 一次级3 一仃渡磁场 图1 8 直线电机的基本_ 【：= 作原理 在图1 _ 8 所示的直线电机的- - * h 绕组中通入三相对称正弦电流后，将产生气隙 磁场。当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边缘效应时，这个气隙磁场的分布 情况与旋转电机的相似，即可看成沿展开的直线方向呈正弦形分布。当三相电流随 时问变化时，气隙磁场将按a 、b 、c 相序沿直线移动。这个原理与旋转电机的相似， 二者的差异是：这个磁场是平移的，而不是旋转的，故称为行波磁场。行波磁场的 移动速度称为同步速度，用钛表示，且 = 2 f t ( m s ) ( 1 - 1 ) 假定次级为栅形次级，图1 8 中仅画出其中的一根导条。次级导条在行波磁场 切割下，将感应电动势并产生电流。而所有导条的电流和气隙磁场相互作用便产生 电磁推力。在这个电磁推力的作用下，如果初级是固定不动的，那么次级就顺着行 波磁场运动的方向作直线运动。若次级移动的速度用口表示，则滑差率用s 表示， 有 s ：堡二!( 1 2 ) 在电动机运行状态下，s 在o 和1 之间变化。 1 3 3 直线感应电动机的等效电路 直线感应电动机的气隙长度可达旋转感应电动机的1 0 2 0 倍，励磁电流相当 大，因此只能采用t 型等效电路。但t 型等效电路仍然不能精确地表达出实际的情 况，需要将边端效应的损耗作为电路因素引入到等效电路中，这样才能等到比较符 合实际情况的直线感应电动机的等效电路。 图1 9t 型等效电路 1 一s 一 6 浙江大学硕t ： ：旰究生学位论文 第一章 边端效应的损耗计算参见参考文献 2 】( 第9 0 页至第9 6 页) ，可知进入边端区 域的边端效应消耗功率只和引出边端区域的边端效应消耗功率只为 只= 疋= 夏等f ，+ 等s 2 1 磁。( ) ( 1 - 3 ) 进入边端区域的输出功率只和引出边端区域的输出功率g 为 弓= 巧= 1 6s ( 1 一s ) 磁。( ) ( 1 - 4 ) 由以上两式可得，进入边端区域的边端效应损耗只和引出边端区域的边端效应 损耗p 为 只= p 。= 只一只= 只 s + 嘉1 蟛。( ( 1 5 ) 式中 = o - 2 0 4 s 滑羞率 虬同步速度( m s ) 玩边端效应磁通密度最大值( w b m 2 ) ：坐 皿p + t 极距( c l n ) 最初级铁心叠厚( c m ) 次级导体厚度( c m ) p 次级电阻率( q c m ) 托横向边端效应系数k c 次级导体片单边伸出初级铁心的宽度( c m ) 当将边端效应损耗引入等效电路中时，首先要求出( i - 3 ) 、( i - 4 ) 、( i - 5 ) 各式 中磁通密度最大值玩与图1 9 中t 型等效电路的励磁电纳k 两端的感应电压巨之间 的关系。通过推导( 参见参考文献【2 】第9 7 页至第9 9 页) ，可知 】e 2 ( p + ) j 】v ，。q 将( 1 - 6 ) 式代入( 1 - 3 ) 、( 1 - 4 ) 、( 1 5 ) 式得 只= 一丧万 s 2 + 剖 弓= 巧= 击丙( 一2 ) 只= 只1 = 刍万2 s 2 - s + 剖 式中 e l 初级每相绕组感应电动势有效值( v ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) 浙江大学顺十列f 究生学位论文第一章 l 。初级每相每对极匝数 p 极数 用初级感应电动势蜀，由( 1 - 7 ) 、( 1 - 8 ) 、( 1 9 ) 式可求出换算到初级的每相电阻值， 即式 置= 砷( s 2 + b ) ( 1 1 0 ) 吩= 斗( 1 叫( 8 2 + 州( 1 - 1 1 ) 马= t 陋一s + b ) ( s 2 + b ) 2 ( 1 - 1 2 ) 式中 = ( 1 8 ) ( p + e ) 2 ： b = 3 2 2 皿边端效应消耗功率的等效电阻初级换算值( o ) 兄，边端效应有效部分功率的等效电阻初级换算值( q ) r 边端效应无效部分功率的等效电阻初级换算值( f j ) 将它们作为电路因素引入等效电路中，就可从各等效电阻上计算出边端效应的 损耗和驱动力，也就有可能正确地计算直线感应电动机的各种特性，计入边端效应 的等效电路如图1 1 0 所示。 1 一s t 电抗( q ) 次级导体电阻初级换算值( q ) 由以上等效电路，可得到初级电流，( a ) 和驱动力f ( n ) 的计算公式如下： 7 8 + ( s 2 + b ) 一j 卜鑫囊甄u ( 1 - 1 3 ) 1 + 二+ 土上二一，如、z 肚陌孝矸 式中 u 初级每相端电压有效值( v ) 浙江大学颂士研究生学位论文第一章 q 初级每相绕组电阻( q ) z l 初级每相漏电抗( q ) 在( 1 - 1 4 ) 式中，令d f d s = 0 ，可得驱动力为最大值时的滑差率为 = 丢厢磊( 1 - 1 5 ) 因此，最大驱动力e ( n ) 为 f 户尘堕 t 2 】 ( 1 1 6 ) 同样地，在( 1 - 1 4 ) 式中设s = 1 ，则得到起动时的驱动力只，( n ) 为 耻警密 1 7 ) 1 3 4 直线感应电动机的基本特性 1 3 4 1 推力一速度特性 图1 - 1 1 分别表示出了直线感应电动机与旋转感应电动机的推力一速度特性。从 图中可以看出，旋转感应电动机推力力矩的最大值发生在较低的滑差率处，即s = 0 2 附近，而直线感应电动机的最大推力在高滑差率处，即，：】附近。由此可知，直线 感应电动机的起动推力大，在高速区域推力小，它的推力一速度特性近似地成一直 线，如图1 - 1 2 所示，具有较好的控制品质。它的推力可由下式求得 f = ( 只。一f 。) f - 一毒】 c 。s ， 式中 e 摩擦力( n ) ”，空载速度( m s ) ( 即直线感应电动机克服摩擦力所能达到的最 高速度) 浙江人学硕上研究生学位论文 第一章 芒 r 【，j ，。l 。一 10 5 0 滑差率s 图1 - 1 1直线感应i 乜动机与旋转感 应电动机的推力一速度特性的比较 图1 1 2 直线感应电动机近似直线 的推力一速度特性 l 342 推力、电流一气隙特性 图1 1 3 表示了直线感应电动机的推力f 随气隙长度万的改变而变化的关系。通 常，直线感应电动机的气隙较旋转感应电动机的大，因此，其功率因数和效率就要 低一些。当气隙减小时，其特性就会得到改善。图1 1 4 表示了初级电流随气隙的增 大而增大的线性关系。 1 0 0 8 0 妻6 0 主4 0 2 0 024681 0 气隙( r a m ) 图1 】3 推力一气隙特性 气隙( m m ) 图1 1 4 电流一气隙特性 1 3 4 3 推力一负荷因数( d u t yf a c t o r , 简称d f ) 特性 图1 1 6 表示了推力一负荷因数特性，也称为推力一持续率特性。负荷因数的决 定方法如图1 1 5 所示，其值由下式得出 d f ：掣x l o o ( 1 - 1 9 ) 1 式中r 1 个周期的时间( j ) r l + l 整个通电时间( s ) 浙江人学硕j 二研究生学位论文 第一章 起动反起动停止 ，【s 】 图1 - 1 5 负荷冈数的决定方法 1 3 4 4 推力一线电压、功率特性 1 0 0 8 0 至6 0 童4 0 2 0 02 0 3 0 4 05 06 0 d f ( ) 图1 1 6 推力一负荷因数特性 图1 1 7 表示了推力随着线电压的增加而增大的关系，图1 1 8 则表示了推力随 着输入功率的增加而线性增大的特性。 线电压( ) 图1 一1 7 推力一线电歪特性 推力( n ) 幽1 1 8 推力输入功率特性 1 3 5 直线感应电动机在工业应用中的技术优点 用直线感应电动机比用机械传动能获得较高的加速和减速度，因为机械传动要 受摩擦的影响，而作加速或减速运动时直线电动机可避免机械摩擦。直线电动机的 标准定子都具有机电保护和不怕湿污空气的性能。铁：卷经过尼龙浸渍后再绕线，然 后用环氧树脂进行封装，它不需要会属外壳。用直线电动机驱动时，冰雪或油脂不 会给导轨造成不良影响。在诸如汽车生产流水线之类的设备上，由于直线电动机不 需要齿轮系等装置，如果发生电源中断等情况时就易于进行手工操作，使生产不致 停顿。 在应用直线电动机的某些系统中还备有第二台电动机，当第一台电动机发生故 障时即可接入第二台，而且它也不会妨碍第一台电动机的正常运行。电车或电气化 火车若用直线电动机驱动，可以爬上普通机械传动的车辆所无法行驶的坡度。 与普通的旋转感应电动机相比，直线感应电动机的速度和推力也较为容易控制。 它不需要机械接点而直接把推力施于次级，这样在某些场合就能够直接驱动工件( 如 金属薄板) 而不会造成机械损伤，齿轮系和需要维修的工作部件均可省略。 浙江人学硕士研究生学位论文 第一章 具有一种钢次级的直线感应电动机所产生的磁吸力可以很好地加以利用。如果 几台直线电动机一起使用时的速度大大低于同步，也并不存在像旋转电动机那样各 台之间必须互相同步的问题。即使它们的尺寸和推力各不相同，但总是在同一方向 上施力。为提高效率可在一种装置上使用多台直线电动机，并进行控制使任何时候 只有适合于效率的一定数目电动机在运行。 1 4 课题背景与本文主要内容 该课题是金华市程凯铜铅钢带有限公司与金华市科委立项课题。金华市程凯铜 铅钢带有限公司主要从事内燃机滑动轴承专用材料铜铅钢带的生产。铜铅钢带 是新一代轴瓦材料，主要用于制造轿车、载重 车、工程机械、及农用车辆等内燃 机上的主轴瓦、连杆轴瓦、连杆衬套等，近年又在家用电器和摩托车上得到广泛应 用。在铜铅钢带的生产过程中，其中一道工序是在铜铅钢带上均匀地铺一层极薄的 铜基合金粉末，原来这道工序是由人工完成的，条生产线上约需要三、四名工人。 该课题即是研究将直线电机及其控制系统应用到铺粉装置中，实现自动铺粉，替代 原来的人工操作。 该装置不仅可以应用于铺粉这一特殊的用途中，在对结构进行适当改变后，办 可应用于类似的送料、物流等传送物体的场合下。目前，国内的类似生产企业引进 了几条国外生产的铺粉线，但国内还没有自行研制的比较成熟的产品出来。将直线 电机应用于此，充分发挥了直线电机的优势，是直线电机一个较新的应用领域。 本文主要分为三个部分展开论述，其一是铺粉装置的总体设计思路，其二是对 装置中所使用的直线异步电动机进行设计计算，并运用a n s y s 软件进行了磁场的 有限元分析，其三是整个装罨的驱动控制的实现。全文共分五章： 第一章绪论，介绍了直线电机的发展历史和分类方式，着重论述了直线感应 电动机的原理、等效电路和特性，最后简要叙述了此课题的背景情况。 第二章铺粉装置的总体设计，首先提出了此装置的技术要求，接着阐述了结 构设计思路，给出了具体机械设计图，最后对直线电机的驱动控制策略进行了介绍。 第三章直线感应电动机的设计，对该装置中应用的扁平型直线感应电动机进 行了设计计算，并运用a n s y s 8 1 有限元分析软件对该电机进行了二维的磁场分析， 最后对圆筒型直线感应电动机的特性和选用进行了简要的阐述。 第四章铺粉装置的驱动控制系统研究，首先是对p l c 在铺粉装置中的控制应 用展开论述，接着对变频调速系统的硬件组成和软件设计分别进行了阐述。 第五章全文总结，对整个论文的内容进行了归纳总结。 1 5 本章小结 本章为绪论部分，首先介绍了直线电机的发展历史沿革以及各种不同的分类方 式：之后，着重介绍了直线感应电动机的原理与特性以及技术优势；最后，简要介 绍了本课题的应用背景和本文将要阐述的主要内容。 浙江大学硕士研究生学位论文第二市 第二章铺粉装置的总体设计 2 1 技术要求和难点 在讨论实现铺粉功能的技术要点之前，先说明一下铺粉工序的手工实现过程。 这一工序实际很简单，即先由两名工人配合，将铜基合金粉末均匀地倒在铜铅钢材 料的金属窄带上，并用一控制合金粉末厚度的模块将金属粉刮平，再由- - n 髓名工 人将铺好粉的铜铅钢带放置于传送皮带上送往高温炉，三、四名工人配合工作，可 以满足工作现场一条线上的需要，现场情况如图2 - 1 所示。 1 一已铺耪金属带 2 一品温炉 图2 - 1铜铅钢带生产线 此： 序全由人工操作的优点在于：l 、由于产品的规格要求不同，铺粉的金属带 宽度有不同的尺寸，同时粉末厚度也有不同的要求，手工操作只需使用不同的刮粉 模块即可方便地实现多种技术要求，适应能力强：2 、手工操作较平稳，铺粉效果较 好，可以达到实际使用要求。但全人工操作亦有其明显的缺陷，其一是浪费人力资 源，随着中国劳动力成本的不断提高，必然要求实现自动化以节省劳动力成本；其 二是劳动生产率不高，不能适应产能提高后的要求。 对该装置的技术要求主要有以下几点： ( 1 ) 铺粉金属带的宽度可变，粉末厚度可在5 0 um 至1 彻的范围内变化公差 范围为1 0 2 0 um 。 ( 2 ) 铺粉后的粉末表面要求平整，不能有过多的波纹出现。 ( 3 ) 操作方便，易于控制。 在该项目中，我们首先只考虑一次铺一条金属带的情况，金属带的宽度可在 1 6 0n l l n 范围内变动。在生产操作时，由工人将金属带放置于扁平型直线感应电机的 次级板上，按下启动按钮开始铺粉。当铺粉过程完成、次级板回到初始位置时，经 过简单地扫除次级板上的金属粉末后，就可继续下一轮操作了。 铺粉装置的技术难点主要在于控制粉厚的均匀度和粉面的光滑度上。合金粉的 浙江人学硕 研究生学位论文第二章 厚度是铜铅钢带生产中的一项重要指标，薄了则铜铅钢带不能达到机械强度和耐磨 性的要求，而厚了则影响产品的经济性，所以铺粉厚度的公差要求很高，如前技术 要求中的第一点所述。另外，铺粉后的粉末上表面光滑度也直接影响到了产品的质 量。对于这一技术难点，需要从机械结构设计和运送金属带的扁平型直线感应电动 机( 主电机) 的控制方面加以解决。在机械上，要求次级板的运行阻力较小且均匀， 并要求次缴板的刚度足够的大以能克服初级的电磁吸力。在主电机的控制方面，要 求其运行速度较慢且运行平稳，不能出现振动过大的情况，这就需要采取一定的控 制策略和控制方法来解决。以上难点的解决措施，将在后文中分别展丌叙述。 2 2 机械结构设计 2 2 1 结构设计构思 首先，在上一节提出的铺粉装置设计技术要求的基础上，按照该装置的功能要 求提出一些原理性的构思。铺粉装置的主要功能就是给金属带铺上合金粉末，并要 求粉末厚度符合技术规定，同时本课题的另一设计目的是将直线感应电动机应用到 铺粉装置中去。因此，在设计铺粉装置的机械构造时，主要有以下几条构想： 第一，金属带由扁平型直线感应电动机的次级板带动，整个铺粉过程就在次级 板的运动中完成。 第二，合金粉末从储粉罐落下过程中，为了使粉末下落均匀，不出现局部下落 过快的情况，并且使f 落速度可以适当调节，在储粉罐的出粉口处放置一根带有螺 旋槽的杆，i = 小旋转电机带动，通过此杆的搅动，使下落的粉末均匀，适合铺粉要 求。 第三，储粉罐的出粉口设置一档粉板，该板由一圆筒型直线感应电动机驱动； 同时，金属带亦由一圆筒型直线感应电动机推出次级板，送至下一工序的传输皮带 上。 第四，合金粉末落至金属带上后，由一刮粉模块控制粉的厚度，使粉厚满足精 度要求，并将粉末刮平，使粉面光滑均匀，这一方法沿用了手工操作时的办法，此 模块放置于机架上，但不与机架刚性联接，这样允许次级板可以有一定量的不平整 度。 2 2 2 实用化设计 铺粉装置的实用化设计就是把以上的技术要求和设计构思结构化、实体化，直 到完成全部设计图纸。这一过程有两个步骤： 总体方案结构化设计，即确定总体方案的主要参数并画出总体方案结构图； 机械结构设计，其任务是在铺粉装置的总体结构化设计完成以后，按照总 体设计画出各零部件结构图，包括确定各零件的形状和尺寸、材料和热处理方法、 公差和表面粗糙度等。 机械结构设计应遵循三个基本原则，即明确、简单、安全可靠。 浙江大学硕l + 研究生学位论文第二二章 ( 1 ) 明确：要求每个零件的功能明确，各零件所分担的功能既不遗漏，也不重 复；各零件工作的物理原理明确；各零件的使用工况和承载情况明确；图纸上的尺 寸、公差、材料等各项要求明确。 ( 2 ) 简单：机械零件各部分的表面形状要尽量简单，最好由平面、柱面、锥面、 球面等形状组成；机械系统的结构应尽量简单，零件数目尽量少，加工、装配、维 修等环节尽量简单，不但降低了成本而且提高了可靠性。 ( 3 ) 安全可靠：不但要求确保各零件的可靠性，而且要求采取一定的防护措施 来保护操作人员和机器的安全。 根据以上所述原则，对铺粉装最进行了实用化结构设计。对铺粉机总体结构和 主要零部件的设计图纸见后，共计六张a 3 号图纸。 赫 肆 替 弹 = 2 。 l 蒜 2 2 唼褂j i 上 j f迹0 ， f - f - 7 1 1 ，? j j 。 5 ij k7 ， t _ 三 口 一 三 三 二 么 逊 t i ， 丁 j _ 1 7 0 心 盏 一 砸 碓 赫皑 睁斟 却 游 盎罄 鲁 哥 薄 彗 奔 芦 翦 h 哥薄玮 商 陟7i _ 迪 畔薄 卫土净 撑 啡m 蛊舜陆 佃h - 装 恃 盎 谗 革希 血 爵 母 牡 彗 蔫 l j ，。 j 前寿 懈 蚺 蔽 拌 鑫 站 4巷 亡 辩 蚪橱糯 弈 一牲 h _ 口中 八。： 果* 喑 皇 l l l 、 l 蒌| 1 l 犁时 棼 潜 盏强 一岛 母 雌 普 叫普怵匡 埘l 蔷l 茸l 卑睡 攀 鬟 鎏幕i l 盘 l 益 避 戳 严国 e 迦 i l 2 2 。 弋x o 门6 1134l 3 0 孤 l 甚 f 一_ _ 曹一 匪、 鍪 a ： 、 豢+ 卜 临 苗 雌 。 每 詹 飞 蓑闷7 h _ 暗薄肆蓥 沸“人“ ，、 畔藩丑 聿蠢 斟 壮 l 仃 善盘巾 蔫霎母 蚺 1 3 4| _ l 圈 鑫 ， 蒜 卷 尊 司臻彗 怵毒蜘 ；一 一甑 胁赢尝 蛊 p 、l l 吊 盘 盘 盘 厶 l 九 斗 凿 蓠 一 凸 浙江大学颁l 研究生学位论文第二一章 2 3 直线电机驱动控制策略研究 2 3 1 直线交流电动机的控制策略 由于交流电动机是个多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用参数重构和状 态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之 问的解耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交流 调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速最终取代直流调速 成为可能。目前对调速特性要求较高的生产工艺已较多地采用了矢量控制型的变频 调速装置。受矢量控制的启迪，近年来又派生出诸如多变量解耦控制、变结构滑模 控制、直接转矩控制等方法。针对电机参数时变特点，在矢量控制系统中增加了自 适应控制技术。实验证明，采用矢量控制的交流调速系统的性能优于直流调速系统。 交流调速的实现手段也在从最丌始的模拟电子控制发展为单片微机及数字信 号处理器d s p 为控制核心的数字化控制。数字化使得控制器对信息处理能力大幅度 提高，许多难以实现的复杂控制，如矢量控制中的复杂坐标变换运算、解耦控制、 滑模变结构控制、参数辨识的自适应控制等，采用微机控制器后便都解决了。高性 能的矢量控制系统如果没有微机的支持是不可能真正实现的。此外，微机控制技术 又给交流调速系统增加了多方面的功能，特别是故障诊断技术得到了完全的实现。 在直线电机交流调速系统中应用的控制策略可大致归纳如下： 一、传统的控制策略 传统的控制策略如p i d 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p i d 控制算法蕴涵了动态控制过程的过去、现在和将来的信息，而且 配置几乎为最优，具有较强的鲁棒性( r o b u s t n e s s ，即控制系统在其特性或参数发生 摄动时仍可使品质指标保持不变的性能) ，是交流伺服电动机驱动系统中最基本的控 制形式，其应用广泛，并与其他新型控制思想结合，形成了许多有价值的控制策略。 s m i t h 预估器与控制器并联，可以使控制对象的时间滞后得到完全的补偿，这样在 设讨控制器时就不必考虑对象的时滞影响，对解决伺服系统中逆变器电力传输延迟 和速度测量滞后所造成的速度反馈滞后影响时。f - 分有效，与其他控制算法结合，可 形成更有效的控制策略。在直线永磁交流伺服电动机系统中存在着多个电磁变量和 机械变量，在这些变量之间存在较强的耦合作用。为了提高控制效果，往往在交流 伺服电动机中要求实现矢量控制，使电流分解成两个独立的分量，以实现单独控制。 一般是通过坐标分解，使输出力与交轴电流具有线性关系。电路与速度回路也具有 耦合作用，在动态过程中，可以采用解耦控制算法加以解决，使各变量问的耦合减 小到最低限度，以使各变量都能得到单独的控制。 二二、现代控制策略 在对象模型确定、不变化且为线性，以及操作条件、运行环境确定不变的条件 下，采取传统控制策略是简单有效的。但在高精度、微给进的高性能场合，就必须 考虑对象的结构与参数变化、各种非线性的影响、运行环境的改变以及环境干扰等 浙江人学硕上研究生学位论文 第二章 时变和不确定因素，才能得到满意的控制效果。因此现代控制策略在直线伺服电动 机控制的研究中得到了很大的重视。 1 自适应控制：对于直线伺服电动机特性参数的缓慢变化这一类扰动及其他外 界干扰对系统伺服性能的影响，可以采用自适应控制策略加以降低或消除。自适应 控制大体可分为模型参考自适应和自校正控制两种类型。模型参考自适应控制的基 本思想是在控制器一控制对象组成的基本回路外，还建立一个由参考模型和自适应 机构组成的附加调节电路。自适应机构的输出可以改变控制器的参数或对控制对象 产生附加的控制作用，使伺服电动机的输出( 如速度) 和参考模型的输出保持一致。 自校正控制的附加调节回路由辨识器和控制器设计机构组成。辨识器根据对象的输 入和输出信号，在线估算对象的参数，以对象参数的估算值作为对象的真值送入控 制器的设计机构，按设计好的控制规律进行计算，计算结果送入可调控制器，形成 新的控制输出，以补偿对象的特性变化。 2 变结构控制：变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为 控制的不连续性。由于滑动模念可以进行设计，且与控制对象参数和扰动无关，