(完整word版)直線電機基礎

1、直線電機基礎 直線電機也稱線性電機，線性馬達，直線馬達 在實際工業(yè)應用中的穩(wěn)定增長 ，證明直線電機可以放心的使用。下面簡 單介紹直線電機類型和他們與旋轉電機的不同 最常用的直線電機類型是平板式和 U型槽式，和管式。線圈的典型組成 是三相，有霍爾元件實現無刷換相圖示直線電機用 HALL換相的相序和相電 流. 該圖直線電機明確顯示動子 （forcer, rotor） 的內部繞組.磁鉄和磁軌. 動子是用環(huán)氧材料把線圈壓成的。而且 ，磁軌是把磁鐵固定在鋼上。 直線電機在過去的10年,經實踐上引人注目的增長和工業(yè)應用的顯著受 益才真正成熟。 直線電機經常簡單描述為旋轉電機被展平，而工作原理相同。動子 （

2、forcer, rotor） 是用環(huán)氧材料把線圈壓縮在一起制成的 .而且，磁軌是把 磁鐵（通常是高能量的稀土磁鐵）固定在鋼上 .電機的動子包括線圈繞組， 霍爾元件電路板，電熱調節(jié)器（溫度傳感器監(jiān)控溫度）和電子接口。在旋轉 電機中，動子和定子需要旋轉軸承支撐動子以保證相對運動部分的氣隙 （air gap）。同樣的，直線電機需要直線導軌來保持動子在磁軌產生的磁場中的 位置。和旋轉伺服電機的編碼器安裝在軸上反饋位置一樣，直線電機需要反 饋直線位置的反饋裝置-直線編碼器，它可以直接測量負載的位置從而提高 負載的位置精度。 直線電機的控制和旋轉電機一樣。象無刷旋轉電機，動子和定子無機械 連接（無刷），不

3、象旋轉電機的方面，動子旋轉和定子位置保持固定，直線 電機系統可以是磁軌動或推力線圈動（大部分定位系統應用是磁軌固定，推 力線圈動）。用推力線圈運動的電機，推力線圈的重量和負載比很小。然而， 需要高柔性線纜及其管理系統。用磁軌運動的電機，不僅要承受負載，還要 承受磁軌質量，但無需線纜管理系統。 相似的機電原理用在直線和旋轉電機上。 相同的電磁力在旋轉電機上產 生力矩在直線電機產生直線推力作用。因此，直線電機使用和旋轉電機相同 的控制和可編程配置。直線電機的形狀可以是平板式和 U型槽式，和管式. 哪種構造最適合要看實際應用的規(guī)格要求和工作環(huán)境。 編輯本段 圓柱形動磁體直線電機 圓柱形動磁體直線電機

4、動子是圓柱形結構。沿固定著磁場的圓柱體運 動。這種電機是最初發(fā)現的商業(yè)應用但是不能使用于要求節(jié)省空間的平板式 和U型槽式直線電機的場合。 圓柱形動磁體直線電機的磁路與動磁執(zhí)行器相 似。區(qū)別在于線圈可以復制以增加行程。典型的線圈繞組是三相組成的，使 用霍爾裝置實現無刷換相。推力線圈是圓柱形的，沿磁棒上下運動。這種結 構不適合對磁通泄漏敏感的應用。必須小心操作保證手指不卡在磁棒和有吸 引力的側面之間。 管狀直線電機設計的一個潛在的問題出現在，當行程增加，由于電機是 完全圓柱的而且沿著磁棒上下運動，唯一的支撐點在兩端。保證磁棒的徑向 偏差不至于導致磁體接觸推力線圈的長度總會有限制。 編輯本段 U 型

5、槽式直線電機 U型槽式直線電機有兩個介于金屬板之間且都對著線圈動子的平行磁 軌。 動子由導軌系統支撐在兩磁軌中間。動子是非鋼的，意味著無吸力且在 磁軌和推力線圈之間無干擾力產生。非鋼線圈裝配具有慣量小，允許非常高 的加速度。線圈一般是三相的，無刷換相?？梢杂每諝饫鋮s法冷卻電機來獲 得性能的增強。也有采用水冷方式的。這種設計可以較好地減少磁通泄露因 為磁體面對面安裝在 U形導槽里。這種設計也最小化了強大的磁力吸引帶來 的傷害。 這種設計的磁軌允許組合以增加行程長度，只局限于線纜管理系統可操 作的長度，編碼器的長度，和機械構造的大而平的結構的能力。 編輯本段 平板直線電機 有三種類型的平板式直線電

6、機（均為無刷）：無槽無鐵芯，無槽有鐵芯 和有槽有鐵芯。選擇時需要根據對應用要求的理解。 無槽無鐵芯平板電機是一系列 coils安裝在一個鋁板上。由于FOCER沒 有鐵芯，電機沒有吸力和接頭效應（與 U形槽電機同）。該設計在一定某些 應用中有助于延長軸承壽命。動子可以從上面或側面安裝以適合大多數應 用。這種電機對要求控制速度平穩(wěn)的應用是理想的。如掃描應用，但是平板 磁軌設計產生的推力輸出最低。通常，平板磁軌具有高的磁通泄露。所以需 要謹慎操作以防操作者受他們之間和其他被吸材料之間的磁力吸引而受到 傷害。 無槽有鐵芯：無槽有鐵芯平板電機結構上和無槽無鐵芯電機相似。除了 鐵芯安裝在鋼疊片結構然后再安

7、裝到鋁背板上，鐵疊片結構用在指引磁場和 增加推力。磁軌和動子之間產生的吸力和電機產生的推力成正比，迭片結構 導致接頭力產生。把動子安裝到磁軌上時必須小心以免他們之間的吸力造成 傷害。無槽有鐵芯比無槽無鐵芯電機有更大的推力。 有槽有鐵芯：這種類型的直線電機，鐵心線圈被放進一個鋼結構里以產 生鐵芯線圈單元。鐵芯有效增強電機的推力輸出通過聚焦線圈產生的磁場。 鐵芯電樞和磁軌之間強大的吸引力可以被預先用作氣浮軸承系統的預加載 荷。這些力會增加軸承的磨損，磁鐵的相位差可減少接頭力。 編輯本段 小結 在實用的的和買的起的直線電機出現以前， 所有直線運動不得不從旋轉 機械通過使用滾珠或滾柱絲杠或帶或滑輪轉換

8、而來。對許多應用，如遇到大 負載而且驅動軸是豎直面的。這些方法仍然是最好的。然而，直線電機比機 械系統比有很多獨特的優(yōu)勢，如非常高速和非常低速，高加速度，幾乎零維 護（無接觸零件），高精度，無空回。完成直線運動只需電機無需齒輪，聯軸器或滑輪，對很多應用來說很有意義的，把那些不必要的，減低性能和縮 短機械壽命的零件去掉了。 編輯本段 優(yōu)點 （1 ）結構簡單。管型直線電機不需要經過中間轉換機構而直接產生直 線運動，使結構大大簡化，運動慣量減少，動態(tài)響應性能和定位精度大大提 高；同時也提高了可靠性，節(jié)約了成本，使制造和維護更加簡便。它的初次 級可以直接成為機構的一部分，這種獨特的結合使得這種優(yōu)勢進一

9、步體現出 來。 （2） 適合高速直線運動。因為不存在離心力的約束，普通材料亦可以 達到較高的速度。而且如果初、次級間用氣墊或磁墊保存間隙，運動時無機 械接觸，因而運動部分也就無摩擦和噪聲。這樣，傳動零部件沒有磨損，可 大大減小機械損耗，避免拖纜、鋼索、齒輪與皮帶輪等所造成的噪聲，從而 提高整體效率。 （3） 初級繞組利用率高。在管型直線感應電機中，初級繞組是餅式的, 沒有端部繞組，因而繞組利用率高。 （4 ）無橫向邊緣效應。橫向效應是指由于橫向開斷造成的邊界處磁場 的削弱，而圓筒型直線電機橫向無開斷，所以磁場沿周向均勻分布。 （5）容易克服單邊磁拉力問題。徑向拉力互相抵消，基本不存在單邊 磁拉

10、力的問題。 （6 ）易于調節(jié)和控制。通過調節(jié)電壓或頻率，或更換次級材料，可以 得到不同的速度、電磁推力，適用于低速往復運行場合。 （7 ）適應性強。直線電機的初級鐵芯可以用環(huán)氧樹脂封成整體，具有 較好的防腐、防潮性能，便于在潮濕、粉塵和有害氣體的環(huán)境中使用；而且 可以設計成多種結構形式，滿足不同情況的需要。 編輯本段 工作原理 直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間 轉換機構的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉電機按徑向剖開，并展成平面 而成。 由定子演變而來的一側稱為初級，由轉子演變而來的一側稱為次級。在 實際應用時，將初級和次級制造成不同的長度，以保證在所需行程范圍內初

11、 級與次級之間的耦合保持不變。直線電機可以是短初級長次級，也可以是長 初級短次級。考慮到制造成本、運行費用，目前一般均采用短初級長次級。 直線電動機的工作原理與旋轉電動機相似。以直線感應電動機為例：當初級 繞組通入交流電源時，便在氣隙中產生行波磁場，次級在行波磁場切割下， 將感應出電動勢并產生電流，該電流與氣隙中的磁場相作用就產生電磁推 力。如果初級固定，則次級在推力作用下做直線運動；反之，則初級做直線 運動。直線電機的驅動控制技術一個直線電機應用系統不僅要有性能良好的 直線電機，還必須具有能在安全可靠的條件下實現技術與經濟要求的控制系 統。隨著自動控制技術與微計算機技術的發(fā)展，直線電機的控制

12、方法越來越 多。對直線電機控制技術的研究基本上可以分為三個方面：一是傳統控制技術，二是現代控制技術，三是智能控制技術。 傳統的控制技術如 PID 反饋 控制、解耦控制等在交流伺服系統中得到了廣泛的應用。其中 PID 控制蘊涵 動態(tài)控制過程中的過去、現在和未來的信息，而且配置幾乎為最優(yōu)，具有較 強的魯棒性，是交流伺服電機驅動系統中最基本的控制方式。為了提高控制 效果，往往采用解耦控制和矢量控制技術。 在對象模型確定、不變化且是 線性的以及操作條件、運行環(huán)境是確定不變的條件下，采用傳統控制技術是 簡單有效的。但是在高精度微進給的高性能場合，就必須考慮對象結構與參 數的變化。各種非線性的影響，運行環(huán)境的改變及環(huán)