第9章 直线电机.ppt

第9章直线电机 本章教学目标与要求 了解直线电机的发展历史掌握直线电机的基本结构与工作原理了解直线电机的典型应用 引言 直线运动与旋转运动是世界上最主要的两种运动方式 至于许多曲线运动 从微观上来看 也还是一些直线运动 目前 很多的直线运动往往都是通过旋转运动转换而成的 例如 火车的直线运动通过蒸汽机带动轮子转换 空中飞机的直线运动通过发动机转动螺旋桨进行转换 海上的轮船 陆上的汽车都是如此 许多直线驱动装置或系统都是采用旋转电动机通过中间转换装置 如链条 钢丝绳 皮带 齿条或丝杆等机构转换为直线运动 由于这些装置或系统有中间转换传动机构 所以整机存在着体积大 效率低 精度差等问题 能否在一个直线驱动装置或系统中不通过中间转换机构而直接产生直线运动呢 回答是肯定的 随着直线电机技术的出现和不断完善 用直线电机驱动一些直线运动装置和系统 可以不需要中间转换机构 通电后直接产生直线驱动力 从而使整个装置和系统的结构显得非常简单 运行可靠 性能更好 控制更方便 在许多场合 其装置和系统的成本比原来的机构更低 且在运行中有节能效果 利用直线电机驱动的装置或系统是一种新型的直线驱动装置与系统 目前在世界上 这种新型的直线驱动装置与系统得到越来越广泛的应用 例如在交通运输方面的磁悬浮列车 地铁车 在物流输送方面的各种流水生产线 各种邮政分拣线 港口 车站 机场的各种搬运线 物料输送系统等 在工业上 各种锻压设备的驱动部分 如冲压机 压力机 电磁锤等 金属加工设备中的车床进刀机构 插床 送料机构 工作台运动等 在信息与自动化方面 从计算机的磁盘读取到绘图仪 打印机 扫描仪 复印机 照相机等 在民用方面 如民用自动门 自动窗帘机 洗衣机 自动床 电子缝纫机 制茶机 在军事方面亦有许多应用 如军用导弹 电磁炮 鱼雷 潜艇等装置 此外 直线电机驱动装置在天文 医疗许多领域亦有不少应用 以下为典型的直线电机驱动系统 图9 1平板型直线电机 图9 1为平板型直线电机 具有连续 峰值推力大 行程可无限延长 内置水冷及过热保护装置 寿命长等特点 将完全取代传统的旋转电机 滚珠丝杠运动系统 广泛应用于抽油 电动门业 采矿 传送 印刷 纺织 磁悬浮列车 机械装备行业 数控机床行业 半导体封装行业 医疗设备行业及家用电子设备行业等领域 图9 2直线电机X Y定位平台 图9 2为采用直线电机驱动的X Y定位平台 具有高速度 高加速度 精确性高且定位快速 无摩擦损耗 运动平顺 可靠度高 耐久使用 维护简单 小型化设计所需空间小 单轴上可有复数动子等特性 主要应用于精密机床 半导体 集成电路板 精密光电 生物科技 激光 精密检测仪器等行业 图9 3磁悬浮列车 图9 3为磁悬浮列车运行图 磁悬浮列车利用 同性相斥 异性相吸 的原理 让磁铁具有抗拒地心引力的能力 使车体完全脱离轨道 悬浮在距离轨道约1厘米处 腾空行驶 创造了近乎 零高度 空间飞行的奇迹 悬浮列车有许多优点 列车在铁轨上方悬浮运行 铁轨与车辆不接触 不但运行速度快 能超过500千米 小时 而且运行平稳 舒适 易于实现自动控制 无噪音 不排出有害的废气 有利于环境保护 可节省建设经费 运营 维护和耗能费用低 采用直线电机驱动的新型直线驱动装置与系统和其他非直线电机驱动的装置与系统相比 具有如下一些优点 1 采用直线电机驱动的传动装置 不需要任何转换装置而直接产生推力 因此 它可以省去中间转换机构 简化了整个装置或系统 保证了运行的可靠性 提高传递效率 降低制造成本 易于维护 据国外资料报道 曾经有台直线电机驱动的洗衣机 每天24小时连续不停地工作了7年 而没有作任何维修 2 普通旋转电机由于受到离心力的作用 其圆周速度受到限制 而直线电机运行时 它的零部件和传动装置不像旋转电机那样会受到离心力的作用 因而它的直线速度可以不受限制 3 直线电机是通过电能直接产生直线电磁推力的 它在驱动装置当中 其运动时可以无机械接触 故整个装置或系统噪声很小或无噪声 并且使传动零部件无磨损 从而大大减少了机械损耗 例如直线电机驱动的磁悬浮列车就是如此 4 由于直线电机结构简单 且它的初级铁心在嵌线后可以用环氧树脂等密封成整体 所以可以在一些特殊场合中应用 例如可在潮湿环境甚至水中使用 或在有腐蚀性气体中使用 5 由于散热面积大 容易冷却 直线电机的散热效果比较好 直线电机可以承受较高的电磁负荷 容量定额较高 本章将对这种的新型驱动装置 直线电机进行详细讨论 从直线电机的工作原理 到各种直线电机的结构 工作特性 以及直线电机的发展历史与未来的发展方向进行讨论 以期让读者在直线电机领域得到全方位的认识 9 1直线电机的基本结构 直线电机主要是直线电动机 它是一种将电能直接转换成直线运动机械能 而不需任何中间转换机构的传动装置 它是20世纪下半叶电工领域中产生的具有新原理 新理论的新技术 它所具有的特殊优势 已越来越引起了人们的重视 不久的将来 它将像微电子技术和计算机技术一样 在人类的各个领域中得到广泛的应用 直线电机的结构可以根据需要制成扁平形 圆筒形或盘形等各种形式 它可以采用交流电源 直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作 图9 4旋转电动机和直线电动机示意图a 旋转电动机 b 直线电动机 图9 4所示的a和b分别表示了一台旋转电动机和一台扁平形直线电动机 可以认为 直线电机是旋转电机在结构方面的一种演变 它可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开 然后将电机的圆周展成直线 这样就得到了由旋转电机演变而来的最原始的直线电机 如图9 5所示 由定子演变而来的一侧称为初级或原边 由转子演变而来的一侧称为次级或副边 图9 5由旋转电机演变为直线电机的过程a 沿径向剖开 b 把圆周展成直线 图9 5中演变而来的直线电机 其初级和次级长度是相等的 由于在运行时初级与次级之间要作相对运动 如果在运动开始时 初级与次级正巧对齐 那么在运动中 初级与次级之间互相耦合的部分越来越少 而不能正常运动 为了保证在所需的行程范围内 初级与次级之间的耦合能保持不变 因此实际应用时 将初级与次级制造成不同的长度 在直线电机制造时 既可以是初级短 次级长 也可以是初级长 次级短 前者称做短初级长次级 后者称为长初级短次级 但是由于短初级在制造成本上 运行的费用上均比短次级低得多 因此 目前除特殊场合外 一般均采用短初级 如图9 6所示 图9 6单边型直线电机a 短初级 b 短次级 在图9 6中所示的直线电机仅在一边安放初级 对于这样的结构形式称为单边型直线电机 这种结构的电机 一个最大特点是在初级与次级之间存在着一个很大的法向吸力 这种法向吸力是不希望存在的 如果在次级的两边都装上初级 那么这个法向吸力可以相互抵消 这种结构形式称为双边型 如图9 7所示 图9 7双边型直线电机a 短初级 b 短次级 上述介绍的直线电机称为扁平形直线电机 是目前应用最广泛的 除了上述扁平形直线电机的结构形式外 直线电机还可以做成圆筒形 也称管形 结构 它也可以看作是由旋转电机演变过来的 其演变的过程如图9 8所示 图9 8由旋转电机演变为直线电机的过程a 旋转电机 b 扁平形单边直线电机 c 圆筒形直线电机 图9 8a表示一台旋转式电机以及定子绕组所构成的磁场极性分布情况 图9 8b表示转变为扁平形直线电机后 初级绕组所构成的磁场极性分布情况 将扁平形直线电机沿着和直线运动相垂直的方向卷接成筒形 这样就构成图9 8c所示的圆筒型直线电机 图9 9圆盘形直线电机 图9 9是圆盘形直线电机 该电机把次级做成一片圆盘 铜或铝 或铜 铝与铁复合 将初级放在次级圆盘靠近外缘的平面上 盘形直线电机的初级可以是双面的 也可以是单面的 园盘形直线电机的运动实际上是一个圆周运动 如图中的箭头所示 然而由于它的运行原理和设计方法与扁平形直线电机结构相似 故仍归入直线电机的范畴 9 2直线感应电动机 直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的 而且其工作原理也与旋转电机相似 本节将以直线感应电动机为例 从旋转电机的基本工作原理出发引申出直线电机的基本工作原理 9 2 1旋转电机的基本工作原理 旋转电机的磁场为旋转磁场 它的旋转速度称为同步转速 用表示 它与电流的频率 Hz 成正比 而与电机的极对数成反比 如下式所示 rad min 9 1 如用 表示在定子内圆表面上磁场运动的线速度 则有 m s 9 2 式中 极距 m 图9 10旋转电机的基本工作原理1 定子 2 转子 3 磁场方向 图9 10可以说明旋转磁场对转子的作用 为了简单起见 图中鼠笼转子只画出了两根导条 转子的转速用表示 在电动机运行状态下 转子转速总要比同步转速小一些 因为一旦 转子就和旋转磁场相对静止了 转子导条不切割磁场 于是感应电动势为零 不能产生电流和电磁转矩 转子转速与同步转速的差值经常用转差率来表示 即 9 3 以上就是一般旋转电机的基本工作原理 9 2 2直线感应电动机的基本工作原理 将图9 10所示的旋转电机在顶上沿径向剖开 并将圆周拉直 便成了图9 11所示的直线电机 在这台直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后二也会产生气隙磁场 显然 行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的 即为 称为同步速度 且 m s 9 4 当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边端效应时 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 当三相电流随时间变化时 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 因此称为行波磁场 图9 11直线电机的基本工作原理1 初级 2 次级 3 行波磁场 再来看行波磁场对次级的作用 假定次级为栅形次级 图9 11中仅画出其中的一根导条 次级导条在行波磁场切割下 将感应出电动势并产生电流 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 那末次级就顺着行波磁场运动的方向做直线运动 若次级移动的速度用表示 转差率用表示 则有 9 5 在电动机运行状态下 的大小在0与1之间 上述就是直线电机的基本工作原理 应该指出 直线电机的次级大多采用整块金属板或复合金属板 因此并不存在明显的导条 但在分析时 不妨把整块金属板看成是无限多的导条并列组合 这样仍可以应用上述原理进行讨论 与旋转电机一样 改变直线感应电动机初级绕组的通电次序 便可以改变电动机运动的方向 这样就可使直线电机做往复直线运动 在实际应用中 也可以将次级固定不动 而让初级运动 因此 通常又把静止的一方称为定子 而运动的一方称为动子 9 3直线直流电动机 与直线感应电动机相比 直线直流电动机运行效率高 控制方便 灵活 若与闭环控制系统结合在一起 则可以精密地控制直线位移 其速度和加速度控制范围广 调速平滑性好 直线直流电动机的主要缺点还是电刷和换向器之间的机械磨损 虽然在短行程系统中 直线直流电动机可以采用无刷结构 但在长行程系统中 就很难实现无刷无接触运行 按照励磁方式的不同 直线直流电动机可分为永磁式和电磁式两种 前者多用于功率较小的自动记录仪表中 如记录仪中笔的纵横走向驱动 摄影机中快门和光圈的操作等 后者主要用于较大功率的驱动 下面分别予以简要介绍 9 3 1永磁式直线直流电动机 按照结构型式的不同 永磁式直线直流电动机可分为动磁型和动圈型两种 图9 13永磁式直线直流电动机 a 动磁型 b 动圈型 9 3 2电磁式直线直流电动机 图9 14圆筒型电磁式直线直流电动机的典型结构 a 单极 b 两极 9 4直线同步电动机 在一些要求直线同步驱动的场合 如电梯 矿井提升机等垂直运输系统 往往采用直线同步电动机 直线同步电动机的工作原理与旋转同步电动机是一样的 就是利用定子合成旋转磁场和动子行波磁场相互作用产生同步推力 从而带动负载做直线同步运动 直线同步电动机可以采用永磁体励磁 这样就成为永磁式直线同步电动机 其结构如图9 15所示 图9 15永磁式直线同步电动机结构 同直线感应电动机相比 直线同步电动机具有更大的驱动力 控制性能和位置精度更好 功率因数和效率较高 并且气隙可以取得较长 因此各种类型的直线同步电动机成为直线驱动的主要选择 在一些工程场合有取代直线感应电动机的趋势 尤其是在新型的垂直运输系统中普遍采用永磁式直线同步电动机 直接驱动负载上下运动 图9 16永磁式直线同步电动机矿井提升系统1一供电及控制系统 2一电机定子 3一固定框架 4一电机动子 5一提升容器 6一防坠器 9 6直线电动机的应用 直线电动机由于特殊的结构和运动方式 其应用范围相当广泛 既可作为控制系统的执行元件 也可以用于较大功率的电力拖动自动控制系统 下面列举若干实际应用的例子 9 6 1作为直线运动的执行元件 图9 18机械手示意图图9 19直线电机电动门示意图 图9 20电磁锤示意图图9 21电磁打箔机示意图 9 6 2用于机械加工产品 图9 22笔式记录仪的组成 9 6 3用于信息自动化产品 图9 25硬盘内部结构图9 26磁头驱动机构 9 6 4用于长距离的直线传输装置 1 运煤车图9 27所示为直线电机运煤车示意图 矿井运煤轨道一般很长 每隔一段距离 在轨道中间安置一台直线感应电动机的初级 一列运煤车由若干矿车组成 每台矽车的底部装有铝钢复合次级 直线电机的初级依次通电 便可把运煤车向前推进 图9 27直线电机运煤车示意图 2 新型电梯图9 16所示的永磁式直线同步电动机矿井提升系统同样可以应用于电梯这种垂直运输系统 同传统的绳索电梯和液压电梯相比 基于直线电机的新型电梯具有如下优点 1 节约场地 因为直线电机电梯的轨道即是直线电机的定子 没有必要专门铺设垂直轨道 具有增加有效面积的优点 2 节省电力 新型直线电机电梯的最高速度可达1 75m s 这样的速度 绳索电梯的曳引机必须采用齿轮减速器变速 电梯升降系统的传动效率会明显降低 而直线电机因其是非接触的驱动机构 所以没有传动效率降低的情况 和液压电梯相比 电力消耗的差别更大 它比液压电梯可节约60 以上的能量 3 可靠性高 绳索电梯的曳引机由齿轮减速器 旋转电机曳引轮 防振机构等组成 液压电梯的动力部分是由旋转电机 液压油泵控制阀 油箱和油冷却器组成 都比较复杂 而直线电机电梯的驱动机构十分简单 而且由于自动保持一定的气隙 没有零件的摩擦 因而也就不会产生磨损 这样就可以使电梯运行的可靠性大大提高 维修保养也十分方便 4 噪声低 直线电机电梯没有减速器 旋转电机及液压油泵运转时所产生的噪音 也没有钢丝绳和曳引轮之间摩擦所产生的噪声 而且钢丝绳的寿命也会大大提高 9 6 5用于高速磁悬浮列车 磁悬浮列车是21世纪理想的超级特别快车 世界各国都十分重视发展磁悬浮列车 目前 我国和日本 德国 英 美等国都在积极研究这种车 目前世界上有三种类型的磁悬浮技术 它们是常导电磁悬浮 超导电动磁悬浮 永磁悬浮 常导电磁悬浮由德国研发并拥有核心技术 超导电动磁悬浮由日本研发并拥有核心技术 永磁悬浮由中国大连永磁悬浮课题组自主研发 是拥有核心及相关技术发明专利的原始创新技术 是独立于德国 日本磁悬浮技术之外的磁悬浮技术 图9 30轻型吊轨磁悬浮技术验证车图9 31槽轨磁悬浮列车微缩模型 本章小结 直线电动机是一种做直线运动的电机 作为小功率控制电机使用时 可以将输入的电压信号直接转换成输出的直线位移 直线电机是在旋转电机的基础上演变而来的 因此其工作原理与旋转电机相似 而结构可以根据需要制成扁平型 圆筒型或弧型等 本章主要对具有代表性的直线感应电动机 直线直流电动机 直线同步电动机 直线步进电动机的基本结构 工作原理和应用领域进行了介绍 直线电动机由于不需要中间传动机构 整个系统得到简化 精度提高 振动和噪音减小 电机加速和减速的时间短 可实现快速起动和正反向运行 其部件不受离心力的影响 因而它的直线速度可以不受限制 可以承受较高的电磁负荷 容量定额较高 可以在一些特殊场合中应用 直线电动机由于运动方式的特殊性 其应用范围相当广泛 既可作为控制系统的执行元件使用 也可以作为较大功率直线负载的驱动源 本章列举了直线电动机多方面的应用情况 其中引入注目的是直线感应电动机和直线同步电动机用于高速列车的驱动 知识链接 直线电机是一个重要的功能部件 受到了世界各国工业界的重视 随着工厂自动化 精细加工及办公机械的快速发展 对移动机构的定位 执行元件的性能及控制技术提出了日益严格的要求 直线电机在一些重要场合取得了显著的进步 在新的需求和新材料新技术的推动下 直线电机将获得较大发展 目前呈现如下发展方向 1 新原理直线电机不断出现如日本古河电气公司研制的超导直线电机 美国帕特鲁玛机电公司研制的微步距直线电机 日本电气公司研制的压电驱动式直线电机 日本东京新生工业公司研制的超声波直线电机 还有国外近年开始研究用薄膜材料作电机的定子 动子基片制作薄膜直线电机等 2 在控制技术上向数字化方向发展直线电机实际上