机电传动直线电机

1、新型特种电机及其发展趋势新型特种电机及其发展趋势 直线电机直线电机 一一 概概 述述 一一 概概 述述 电动机作为机电能量的转换装置电动机作为机电能量的转换装置, ,其应用范围其应用范围 已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活 之中。之中。直线电机系统具有结构简单、重量轻直线电机系统具有结构简单、重量轻、惯惯 性小、动态响应快、速度和加速度大、精确度高、性小、动态响应快、速度和加速度大、精确度高、 振动和噪声小等优点振动和噪声小等优点, , 是各类超高速精密机床的是各类超高速精密机床的 理想传动方式，在各类高速、精密加工设备上具理想传动方式，在各类

2、高速、精密加工设备上具 有广泛的应用前景。在旋转电机无能为力的地方，有广泛的应用前景。在旋转电机无能为力的地方， 如磁悬浮列车、液态金届的输送和搅拌、电子缝如磁悬浮列车、液态金届的输送和搅拌、电子缝 纫机和磁头定位装置、冲压机等纫机和磁头定位装置、冲压机等方面，得到了广方面，得到了广 泛应用。泛应用。 二结构和工作原理二结构和工作原理 二二 结构和工作原理结构和工作原理 1. 1. 结构结构 直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，直线电机可以认为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

3、周展开成直线，如图周展开成直线，如图1 1所示。由定子演变而来的一侧称为初所示。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。级，由转子演变而来的一侧称为次级。 a.沿径向剖开b.把圆周展成直线 图1 由旋转电机变为直线电机的过程 二二 结构和工作原理结构和工作原理 在图在图1 1中由旋转电机演变而来的直线电机，其初级和次级长度是相等中由旋转电机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，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初级

4、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 级之间的藕合能保持不变，实际应用时是将初级与次级制造成不同的长级之间的藕合能保持不变，实际应用时是将初级与次级制造成不同的长 度。在直线电机制造时，即可以是初级短、次级长；也可以是初级长，度。在直线电机制造时，即可以是初级短、次级长；也可以是初级长， 次级短。前者称作短初级长次级，后者称为长初级短次级。由于在制造次级短。前者称作短初级长次级，后者称为长初级短次级。由于在制造 成本上，以及运行费用上短初级均比短次

5、级低得多，因此，目前除特殊成本上，以及运行费用上短初级均比短次级低得多，因此，目前除特殊 需要外，一般均采用单边型直线电机，仅在一边安放短初级，见图需要外，一般均采用单边型直线电机，仅在一边安放短初级，见图2 2。 这种结构的电机一个最大特点是在初级与次级之间存在一个很大的法向这种结构的电机一个最大特点是在初级与次级之间存在一个很大的法向 吸力。一般这个法向吸力，在钢次级时，若设计不当会是推力的吸力。一般这个法向吸力，在钢次级时，若设计不当会是推力的1010倍以倍以 上。在大多数的场合下，这种法向吸力是不希望存在的。如果在次级的上。在大多数的场合下，这种法向吸力是不希望存在的。如果在次级的 两

6、边都装上初级，那么这个法向拉力可以相互抵消，这种结构型式称为两边都装上初级，那么这个法向拉力可以相互抵消，这种结构型式称为 双边型，见图双边型，见图3 3。 二二 结构和工作原理结构和工作原理 图2 单边型直线电机 图3 双边型直线电机 2.2. 工作原理工作原理 初级绕组通入交流电源，便在气隙中产生行波磁场，如初级绕组通入交流电源，便在气隙中产生行波磁场，如 图图4 4所示。次级在行波磁场切割下，将感应电动势并产生电所示。次级在行波磁场切割下，将感应电动势并产生电 流，该电流与气隙中的磁场相互作用就产生电磁推力。如果流，该电流与气隙中的磁场相互作用就产生电磁推力。如果 初级固定，则次级在推力

7、的作用下做直线运动；反之，则初初级固定，则次级在推力的作用下做直线运动；反之，则初 级作直线运动，它把电能直接转变为直线运动的机械能而无级作直线运动，它把电能直接转变为直线运动的机械能而无 中间变换装置。中间变换装置。 二二 结构和工作原理结构和工作原理 图4 直线电机的基本工作原理 与旋转电机类似，当初级上通入交流电流时，在初级与旋转电机类似，当初级上通入交流电流时，在初级 和次级之间的气隙中就会产生一个移动磁场，这个移动磁和次级之间的气隙中就会产生一个移动磁场，这个移动磁 场的速度，由旋转磁场的理论可知，当绕组中的电流交变场的速度，由旋转磁场的理论可知，当绕组中的电流交变 一次，绕组产生的

8、合成磁场在空间将移动过一对极距，若一次，绕组产生的合成磁场在空间将移动过一对极距，若 电机的极距为电机的极距为 (m) (m)，电源的频率为，电源的频率为 (Hz) (Hz)，则移动磁场的，则移动磁场的 速度为速度为 二二 结构和工作原理结构和工作原理 2 s vf 在移动磁场的作用下，次级中会产生感应电动势，在移动磁场的作用下，次级中会产生感应电动势， 如果次级是由整块钢板或铜如果次级是由整块钢板或铜( (铝铝) )板制成，那么在导电板中板制成，那么在导电板中 会产生感应电流，这个感应电流和移动磁场相互作用，就会产生感应电流，这个感应电流和移动磁场相互作用，就 会产生电磁推力，使次级和初级之

9、间产生相对运动。如果会产生电磁推力，使次级和初级之间产生相对运动。如果 初级固定，则次级将会跟随着移动磁场移动的方向运动。初级固定，则次级将会跟随着移动磁场移动的方向运动。 (1) 反之，若将次级固定，则初级将会朝着磁场移动的相反方反之，若将次级固定，则初级将会朝着磁场移动的相反方 向运动。与旋转电机一样，运动部分的稳定速度向运动。与旋转电机一样，运动部分的稳定速度v v总是低于总是低于 移动磁场的同步速从。它们之间的关系也用滑差率移动磁场的同步速从。它们之间的关系也用滑差率s s表示表示 二二 结构和工作原理结构和工作原理 s s vv s v (2) 与旋转电机一样，通过对换任意两相的电源

10、接线，可与旋转电机一样，通过对换任意两相的电源接线，可 以实现三相直线电机的反方向运动。根据此原理，直线电以实现三相直线电机的反方向运动。根据此原理，直线电 机可以往复运动。机可以往复运动。 三分类三分类 三分类三分类 直线电机的种类繁多，按不同的标准有不同的分类方直线电机的种类繁多，按不同的标准有不同的分类方 法。法。图图5 5表示了直线电机的分类。表示了直线电机的分类。 按结构型式分类，主要分为扁平型、圆筒型、圆盘型按结构型式分类，主要分为扁平型、圆筒型、圆盘型 和圆弧型。其中扁平型直线电机有单边型和双边型之分，和圆弧型。其中扁平型直线电机有单边型和双边型之分， 每种每种形式形式下又分别有

11、短初级长次级或长初级短次级。下又分别有短初级长次级或长初级短次级。 按功能用途分，主要分为力电机、功电机、能电机。按功能用途分，主要分为力电机、功电机、能电机。 按工作原理分，主要分为两个大的方面，即直线电动按工作原理分，主要分为两个大的方面，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、机和直线驱动器，直线电动机包括交流直线感应电动机、 交流直线同步电动机、直线直流电动机交流直线同步电动机、直线直流电动机、直线步进直线步进( (脉冲脉冲) ) 电动机电动机和和混合式直线电动机等。直线驱动器包括直线振荡混合式直线电动机等。直线驱动器包括直线振荡 电动机、直线电磁螺线管电动机、直

12、线电磁泵电动机、直线电磁螺线管电动机、直线电磁泵和和直线超声直线超声 波电动机等。波电动机等。 三分类三分类 图5 直线电机分类 四应四应 用用 四应四应 用用 从从19711971年开始，直线电机领域的研究人员通过对直线电机年开始，直线电机领域的研究人员通过对直线电机 在历史发展中多次起落的分析，终于选择了一条适合直线电在历史发展中多次起落的分析，终于选择了一条适合直线电 机自身发展的独特思路，它不再与旋转电机直接对抗，不以机自身发展的独特思路，它不再与旋转电机直接对抗，不以 单机的形式与旋转电机竞争，而以直线电机系统与旋转电机单机的形式与旋转电机竞争，而以直线电机系统与旋转电机 系统相比，

13、从而找到适合于自己的系统与旋转电机展开竞争。系统相比，从而找到适合于自己的系统与旋转电机展开竞争。 各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实 用价值的装置和产品。例如直线电机驱动的钢管输送机、运用价值的装置和产品。例如直线电机驱动的钢管输送机、运 煤机、起重机、空压机、冲压机、拉伸机、各种电动门、电煤机、起重机、空压机、冲压机、拉伸机、各种电动门、电 动窗、电动编织机等等。特别可喜的是利用直线电机驱动的动窗、电动编织机等等。特别可喜的是利用直线电机驱动的 磁悬浮列车，其速度己超过磁悬浮列车，其速度己超过500km/h500km/h

14、，接近了航空的飞行速度，接近了航空的飞行速度， 且运行行程己达数十万千米。且运行行程己达数十万千米。 四应四应 用用 我国直线电机的研究和应用发展是从二十世纪七十年代我国直线电机的研究和应用发展是从二十世纪七十年代 开始的，现在国内已出现了一支直线电机的开发、研究队伍，开始的，现在国内已出现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了各类直线电机的一些大专院校、科研单位和工厂积极开展了各类直线电机的 基本理论和开发应用的研究。自从基本理论和开发应用的研究。自从19821982年开始，全国直线电年开始，全国直线电 机学术会议定期召开，会上既有论文的交流，也有新成果的机

15、学术会议定期召开，会上既有论文的交流，也有新成果的 展现。我国在直线电机的应用上也取得了可喜的成果，例如展现。我国在直线电机的应用上也取得了可喜的成果，例如 浙江大学的直线电机窗帘机、直线电机冲床、圆盘直线电机浙江大学的直线电机窗帘机、直线电机冲床、圆盘直线电机 驱动并利用其电磁内热的炒茶机，西安交通大学的一种新型驱动并利用其电磁内热的炒茶机，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的直线电机、电磁打泊机，上海工业大学的浮法玻璃生产用的直线电机、 直线电机驱动的自动门，西南交通大学的磁悬浮列车等等。直线电机驱动的自动门，西南交通大学的磁悬浮列车等等。 关于直线电机的应用

16、，国内己有许多项专利。在理论研究上，关于直线电机的应用，国内己有许多项专利。在理论研究上， 发表了不少文章，出版了一些书籍。发表了不少文章，出版了一些书籍。 五发展现状五发展现状 五发展现状五发展现状 直线电机新产品研制较多。如日本古河电气公司研制的直线电机新产品研制较多。如日本古河电气公司研制的 超导直线电机；美国柏特鲁玛机电公司研制的微步距直线电超导直线电机；美国柏特鲁玛机电公司研制的微步距直线电 机；重庆再力机电控制研究所研制的机；重庆再力机电控制研究所研制的5.7BYG5.7BYG型直线当量电机型直线当量电机 等。等。 新原理直线电机不断出现。近年来随着电子技术的发展，新原理直线电机不

17、断出现。近年来随着电子技术的发展， 办公、家庭自动化设备等的迅速发展，使得新原理直线电机办公、家庭自动化设备等的迅速发展，使得新原理直线电机 的应用获得很大进展。如日本电气公司研制的压电驱动式直的应用获得很大进展。如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开始实用化研究的超声波直线电机；日本东京新生工业公司开始实用化研究的超声波直 线电机，还有薄膜直线电机等相继出现。线电机，还有薄膜直线电机等相继出现。 微特型直线电机发展较快。随着自动控制技术和微型计微特型直线电机发展较快。随着自动控制技术和微型计 算机应用的发展，用在计算机外围设备、自动化仪器仪表、算机应用的发展，用在计

18、算机外围设备、自动化仪器仪表、 以及需要直线位移及运动的机械设备中的微特型直线电机，由于以及需要直线位移及运动的机械设备中的微特型直线电机，由于 其具有精度高、反应灵敏、快速等特点，使得仪器设备总体结构其具有精度高、反应灵敏、快速等特点，使得仪器设备总体结构 简单，体积小，成本低，因而，微特型直线电机是一种大有发展简单，体积小，成本低，因而，微特型直线电机是一种大有发展 前途的直线电机。前途的直线电机。 直线电机在交通运输业、建筑业中的应用和研究正在兴起。直线电机在交通运输业、建筑业中的应用和研究正在兴起。 如德国研究的常导吸浮型磁悬浮列车、日本研究的超导斥浮型磁如德国研究的常导吸浮型磁悬浮列

19、车、日本研究的超导斥浮型磁 悬浮列车都实现了试验运行；上海浦东磁悬浮列车线采用德国技悬浮列车都实现了试验运行；上海浦东磁悬浮列车线采用德国技 术，已经成为世界上第一条商业运行的磁悬浮列车线。在直线电术，已经成为世界上第一条商业运行的磁悬浮列车线。在直线电 机驱动的电梯方面，日本进行了大量的研究，并有产品已实用化。机驱动的电梯方面，日本进行了大量的研究，并有产品已实用化。 直线电机理论发展也取得了很大的发展，在直线电机的电磁直线电机理论发展也取得了很大的发展，在直线电机的电磁 场理论研究和控制策略的研究方面的文章有陆续报导。场理论研究和控制策略的研究方面的文章有陆续报导。 五发展现状五发展现状

20、六发展趋势六发展趋势 六发展趋势六发展趋势 1 1技术日益成熟技术日益成熟 直线电机及其驱动控制系统在技术上已日趋成熟，已具直线电机及其驱动控制系统在技术上已日趋成熟，已具 有传统传动装置无法比拟的优越性能。过去人们所担心的有传统传动装置无法比拟的优越性能。过去人们所担心的 直线电机推力体积大、温升高、可靠性差、不安全、难安直线电机推力体积大、温升高、可靠性差、不安全、难安 装、难防护等问题，随着电机制造技术的改进，已不再是装、难防护等问题，随着电机制造技术的改进，已不再是 大问题。而驱动与控制技术的发展又为其性能拓展和安全大问题。而驱动与控制技术的发展又为其性能拓展和安全 性提供了保证。选择

21、合适的直线电机及驱动控制系统，配性提供了保证。选择合适的直线电机及驱动控制系统，配 以合理的机床设计，完全可以生产出高性能、高可靠性的以合理的机床设计，完全可以生产出高性能、高可靠性的 机床。现在直线电机驱动进给速度机床。现在直线电机驱动进给速度100m/min100m/min，加速度，加速度1 12g2g 的机床已很普遍，已有机床达到快进的机床已很普遍，已有机床达到快进240m/min240m/min，加速度，加速度5g5g 的指标（日本的指标（日本AMADAAMADA激光切割机），高速度高加速度的传动激光切割机），高速度高加速度的传动 已在加工中心、数控铣床、车床、磨床、复合加工机床、已在

22、加工中心、数控铣床、车床、磨床、复合加工机床、 激光加工机床及重型机床上得到广泛应用。激光加工机床及重型机床上得到广泛应用。 六发展趋势六发展趋势 2 2应用广泛应用广泛 直线电机已经被广泛的应用于各个领域。目前，直线电机进直线电机已经被广泛的应用于各个领域。目前，直线电机进 入了独立的应用时代，在这个时代，各类直线电机的应用得到了入了独立的应用时代，在这个时代，各类直线电机的应用得到了 迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置和产品，例如直线迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置和产品，例如直线 电机驱动的钢管输送机、运煤机、起重机、空压机、冲压机、拉电机驱动的钢管输送机、运煤机、起重机、空压机、冲压机、拉 伸机、各种电动门、电动窗、电动纺织机等。特别可喜的是利用伸机、各种电动门、电动窗、电动纺织机等。特别可喜的是利用 直线电机驱动的磁悬浮列车，其速度已超直线电机驱动的磁悬浮列车，其速度已超500km/h500km/h，接近了航空，接近了航空 的飞行速度，且试验行程累计已达数十万千米。同时的飞行速度，且试验行程累计已达数十万千米。同时