直线电机的研究与应用

直线电机的研究与应用

除了旋转动作，该机器还有很多直线运动。这些直线运动多数采用旋转式电动机,通过齿轮、带、滚珠丝杠等传动装置,进行力矩、速度、运动方式的变换。由于有中间传动装置,所以整部机器存在着体积大、效率低、精度差等问题。与旋转电机相对应,直线电机是一种利用电能产生直线运动的电机,它可以直接驱动机械负载作直线运动。其最大优点是取消了从电机到工作台之间的一切中间环节,把工作台进给传动链的长度缩短为零,即“零传动”或“直接传动”。直线电机可实现无接触传递力,没有机械损耗,结构简单,工作稳定,寿命长,容易密封,不怕污染,适应性强。直线电机的推力体积比大,与控制系统相配合,可达到0.001mm的位移精度,其加减速度可达5~10g(g为重力加速度),灵敏度高,随动性好,有精密定位和自锁的能力。近几年,直线电机研究开发很快,其结构设计、控制理论和电机原理等方面都有了很大的进展,并已应用到国民经济的多个领域,很多机械的直线运动均由直线电机完成。它是一种很有发展前途的新型电机。1电机、直线直流电机、直线电机直线电机的品种很多,与旋转电机相对应,可以分为:直线感应电机、直线直流电机、直线同步电机和其他直线电机(如直线步进电机)。其工作性能与电机结构、控制系统密切相关。随着一些新技术、新理论的出现,也相继出现了一些具有新原理的直线电机。1.1电机推力的计算方法直线电机可看作是将1台旋转电机沿径向剖开,并将电机的圆周展成直线。但直线电机又和旋转电机有很大的不同,直线电机的铁心是长直的、两端开断的铁心。由于铁心及安置在其槽中的绕组在两端不连续,所以各相之间的互感不相等,存在纵向边端效应和横向边端效应,其磁路复杂,非线性强。直线电机的解析研究主要有两种方法:集中参数的电路理论和分布参数的电磁场理论。目前直线电机的解析研究集中在一维稳态方面,主要有磁路法、磁场解析法、等效磁网络法、等效电路法等。它一般是将电机理想化,即取电机的一个极距为求解区域,将绕组和永磁体等效成正弦电流层,忽略铁心开断、边端效应、补偿绕组、端部半填槽、三相绕组实际不平衡等因素的影响,因此,它基本上是沿用旋转电机的分析方法,在实际使用中存在较大的误差。直线电机的技术经济指标与电磁机构的特性有直接的关系,电磁机构的数值计算日益受到人们的重视,直线电机中电磁系统的边端效应、复杂的运行状况使得磁场微分方程具有非线性的性质,采用传统的磁路法、图解法等分析方法无法精确计算其电磁场量的分布,更无法精确计算其推力、垂直力特性,只能用数值方法求得近似解。为了精确计算直线电机的电磁特性参数、输出力,优化电机结构尺寸,缩短开发周期,降低设计制造成本,必须通过对场的分析,才能较准确地计算。以电磁场有限元计算为基础的设计方法近年越来越多的得到了应用。应用有限元法直接由直线电机内的磁场分布求解其电气参数,突破了传统方法将场简化为路的局限性,使得计算方法得到了发展。目前比较常用的计算电机推力的方法有能量法和Maxwell张量法。选定一个很小的位移,然后计算出这两个位移之间储能或伴随储能之差,此差值和位移量的比值即电机推力。采用储能的概念来计算电机推力需要两个有限元解,且参与求解的是所有的网格单元,因此运算量较大。特别是当网格比较复杂(如单元和节点的数量级达到104)时,所需的求解时间将会非常长。采用Maxwell张量法计算电机推力则要简单一些。直线电机与同容量的旋转电机相比,效率和功率因数均较低,阻碍了直线电机的推广应用,其主要原因:一是直线电机初次级气隙大所需磁化电流较大,损耗增加,二是存在边端效应。为提高功率因数和电磁推力,在初级铁心槽内放置主副两套三相绕组,副绕组串电容后与主绕组并联接电网,产生超前的无功功率,直线电机使用钢次级时,钢次级既是导磁体,又是导电体。由于钢次级电阻率较大,电磁性能较差,功率因数低,启动电流和额定工作电流都很大,不能保证电机长时间运行。次级采取钢-铜或钢-铝复合结构时,因数可达0.96,额定电流也有较大降低,在体积材料相同的情况下,高功率因数直线感应电机的电磁推力比同样等级的传统结构电机可提高20%左右。1.2伺服驱动设计直线电机的负载直接与直线电机的动子(初级或次级)相连,负载的变化和外部扰动直接影响伺服系统的性能,因此直线电机的控制需要采用闭环控制的高精度伺服控制。直线电动机为获得较好的调速特性,需采用测速负反馈控制。对此既可在直线电动机内另增加一组测速发电绕组进行反馈,也可直接利用位移测量信号,对其进行微分后作为速度信号来反馈控制。关于直线位置检测元件的选择。如采用激光器件成本较高,而感应同步器、磁栅又都是利用电磁感应原理检测的,为防止直线电动机自身的电磁场对其干扰,选择利用光电转换原理工作的光栅较合理。利用光栅传感器作为位移和速度的检测装置,省去了A/D转换,提高了采样频率和检测精度,可构成可靠的伺服驱动体系。为进一步提高位置检测的分辨率和精度,还可以通过电子线路进一步细分来提高分辨率,同时采用软件定点补偿来提高精度,其方法是在整个直线位置控制装置安装完毕后,再借助于更高一级的位置测量装置,如激光干涉仪,进行测量比较,设定多点并逐点进行误差记录,将值存入微机的EPROM中,然后运行时通过微机软件控制,进行定点补偿来提高其检测精度。另外一种伺服控制方法为无传感器控制,例如交流永磁直线电机的矢量控制,必须已知定子(长次极)磁极的相对位置,利用定子磁极相对位置信号控制直线电机的动子(短初级)电流的相位,以产生最佳的恒定推力。采用无传感器控制省去了磁极位置和速度传感器,利用观测器估算位置、速度等未知状态,使系统的结构得以简化,成本有所降低,并提高了可靠性。利用非速度信息,如:电机的电压、电流及电机本身参数,通过滑模观测器产生控制器所需的反馈信息,实现了直线电机动子位置和速度的准确观测。虽增加了软件实现的复杂性,但经由高速信号处理实现后,保证了系统的实时性。1.3超声波直线电机在基片上的应用和发展随着新材料新工艺的出现,相继出现了一些利用新原理研制的直线电机。高精度薄膜直线电机:利用轻而薄的薄膜材料作直线电机的定子和动子基片,动子基片用高阻薄膜和绝缘膜双层复合,瞬间变换定子电极的极性,在动子基片上,由于高阻的作用,其极性没有随即变换过来,而形成与定子电极相同的极性,此相同极性的电荷带产生库仑力,它可分解成一个垂直于基片的上浮力与一个水平方向上的分力。多层这样的基片叠加在一起时,就相当于一个小型的直线电机。薄膜电机体积小,结构简单,制作容易,精度高,容易大面积积化,适于制作精密微型直线电机等。超声波电机以其诸多优良特性受到微机械领域的关注和重视,利用碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)和压电陶瓷(PZT)构成电机主体,CFRP中碳纤维方向与底面成一角度时,对PZT施加交流电压作为CFRP的激励源,由于CFRP的各向异性可产生直线位移,以其原理制成超声波直线电机可望成为一种新型的微致动器,广泛应用于微型机械、精密测量、自动控制等领域。压电式超声直线电机中利用声表面波作为激励源,其频率可达100MHz,定子换能器以LiNb03制成两端沉积有交叉指型换能器IDT,由其激励产生直线位移,这样的声表面波直线电机可获得较大的输出力、高速度、高能量密度。2直线直流电机近年,直线电机的应用日益广泛。在直线电机中,直线感应电机应用最广泛,因为它的次级可以是整块均匀的金属材料,即采用实心结构,成本较低,适宜于做得较长,直线感应电机的主要特点是传动距离长,其驱动带宽为每秒几米至几十米不等,但该种电机定位精度不算太高,可作为自动化工厂内工件的传递、钢板等材料的搬运。如磁力悬浮式电车、地铁轻便车辆的驱动等。直线直流电机主要应用于短距离的高速、高精度定位,其特点是移动速度快、推力大,采用不同控制方式后,精度可以达到微米级,可以取代一些使用滚珠丝杠等驱动的工作台。直线步进电机的定位精度介于前述两者之间,并且有造价低、控制电路较简单等特点。采用这种电机组成伺服系统可对机床等加工装置的工作台定位、搬运小车的行走控制等。直线同步电机的效率高,适宜于作为高速的水平或垂直运输的推进装置。直线脉冲电机广泛应用于打印机、磁盘驱动器、XY绘图仪等。这种电动机不仅具有直流电动机的优越性能,而且具有直线电机运行可靠的优点。还有一些非接触型直线执行器,利用直线电机的原理将直线电机和非接触的支撑导向机构组合成一体,应用在真空及特殊环境中等场合,如电磁泵驱动金属液体的流动。2.1磁悬浮列车的组成和特点磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的高速列车系统,时速可达500km以上,是当今带宽最快的地面客运系统。磁悬浮列车具有速度高、能耗低、噪声小、启动速度快、安全舒适、低污染、维护少等一系列优点。从事磁悬浮列车研究的德、日专家称“21世纪的理想交通工具是磁悬浮列车”。我国也于2001年建成了第一条磁悬浮列车。磁悬浮列车上的推进系统即为直线电机,德国Emsland和日本Miyzakl所建造的磁悬浮列车采用的是直线同步电动机。其直流激磁绕组由车上的电源供给,地面上铺设由地面电源供电的三相绕组。直线同步电动机的这种结构与直线感应电动机相比最大的优点是用直流电激磁,因而提高了功率因数,而三相绕组的激磁,功率因数较低,最大的缺点是三相绕组导致了轨道成本的增加。2.2高速切削的直线运动高速切削的理论认为对应一定的工件材料有一个临界切削速度,其切削温度最高。在常规切削范围内切削温度随着切削速度的增大而提高,当切削速度到达临界切削速度后,切削速度再增大切削温度反而下降。如果能越过临界温度,就有可能利用现有的刀具进行高速切削,从而大幅度减少切削工时,成倍提高机床的生产效率。通常把切削速度高于常规切削速度5~10倍以上的切削称为高速切削。不同材料高速切削速度的范围不同。以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的高速切削技术,近十几年发展迅猛,在航空航天、模具制造及精密微细加工等领域等到了广泛应用,成为国内外制造领域重要的研究项目之一。实现高速切削需要进给部件速度高,而且要求加减速度也大,现在高速机床上实现高加速度直线运动有两种途径,一是采用滚珠丝杠传动,其加减速度为0.1~0.3g,一是采用直线电机传动。由于采用直线电机传动是“零传动”,结构简单,无反向工作死区,电枢惯量小,所以由其构成的直线伺服系统可以达到较高的频率响应特性(如100Hz)。减少了插补时因传动系统滞后带来的跟踪误差,同时速度快、加减速度大,其加速度可达2~10g。所以在某些领域,由直线电机直接驱动代替由滚珠丝杠副将旋转运动转化为直线运动已是大势所趋。直线电机直接驱动,不仅可以提高速度、加速度及精度,还可以改善系统的工作状态,提高生产率。2001年中国国际机床展上,南京四开公司展出了1台X轴采用直线电机直接驱动的数控直线电机车床,刀具最大运动加速度达到4~5g,最大进给速度超过100m/min。直线电动机驱动已经广泛用于CNC铣床和CNC车床,它不仅能在f=60m/min以上进给速度的切削条件下,对零件进行高速切削和快速排屑,同时还能提高零件的加工精度。直线电动机具有能加快伺服响应速度,提高伺服控制精度和机床加工精度的特点,因而能极好地扩大CNC机床的加工能力。通常的回转——直线运动传动系统。因其固有的质量、惯性、超前、滞后和振动等问题,会影响零件的加工质量。而在CNC机床上安装直线电动机则不存在以上问题。目前,Mazak、森精机、大限和CincinnatiMachine等公司都将直线电动机用于新型CNC机床,使机床进给速度达到f=60m/min以上,快速移动速度达f=120m/min,机床加速度达2g。目前,在直线电动机的使用上还存在着如承载能力小、发热等问题,需加以改进。2.3由直线电机替代旋转电机近年,直线电机作为交通运输工具和搬运传输设备的驱动装置,已引起社会各界密切关注。大到超速磁悬浮列车,城市有轨交通车,煤矿翻斗机,小到半导体生产工厂的搬运小车、医院内部的病历自动传送等,都已逐渐由直线电机替代了传统的旋转电机。利用直线电机作为核心拖动技术生产的全自动邮政包裹印刷品自动分拣系统在我国也开始投入使用。3直线电机的性能随着工厂自动化、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等都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。3.1计算机控制元件将更加广泛使用直线电机的运动需要控制起动、加速、定速运行及停止等参数行为,为了减小直线电机控制电路的体积并提高电机的性能,今后将广泛采用计算机作控制元件,在控制系统中工控机、多CPU处理系统将会越来越普遍。其控制方式将由模拟方式转化为数字方式,获得较高的控制精度。同时开发价廉的位置传感器和速度传感器,以便与直线电机配合使用。3.2薄膜直线电机的应用为了扩大直线电机的应用领域,随着新材料新技术理论的发展,人们将根据新的原理开发专用直线电机。电场产生的库仑力的利用。电场力在特定场合具有一定的优越性,当电极间隔在微米级以下时,利用电场可以产生高于磁场的能量密度,制成平面电极时,无需复杂的线圈,电机零件少,结构简单,电场由电压产生,电压的开关特性比电流好,利用库仑力的直线电机可应用在需精密定位的设备上,如电子设备、机械手的定位等。薄膜直线电机是库仑力利用的一个典型。新型材料的利用。随着材料科学的进展,相继出现了一些具有特殊物理现象和化学现象的材料,如较大的磁致伸缩效应、电致伸缩效应、压电效应、热变形、化学反应等物理现象及化学。这些材料的出现为毫米级甚至微米级的直线电机研制提供了可能。如压电材料的最大应变量可