(完整PPT)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)第3章

1、1 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)第三章 機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計(jì)3.1 概述 3.2 常用控制用電動(dòng)機(jī) 3.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng) 3.4 直流(DC)和交流(AC)伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng) 3.5 直線電機(jī)簡(jiǎn)介2 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 概述執(zhí)行元件：能在微電子裝置的控制下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。 常用裝置：電動(dòng)機(jī)、電磁鐵、繼電器、液動(dòng)機(jī)、氣缸、內(nèi)燃機(jī)等。3 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)執(zhí)行元件的種類執(zhí)行元件 電磁式液壓式氣壓式其它電動(dòng)機(jī)電磁鐵及其它交流(AC)伺服電動(dòng)機(jī)直流(DC)伺服電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)其它電動(dòng)機(jī)油缸液壓電動(dòng)機(jī)氣缸氣壓電動(dòng)機(jī)與材料有關(guān)壓電元件形狀記憶合金雙金屬片4 機(jī)電一體化

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)執(zhí)行元件電動(dòng)機(jī)5 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)執(zhí)行元件電動(dòng)機(jī)6 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)7 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)直線電機(jī)平臺(tái)8 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)9 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)10 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)11 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)執(zhí)行元件液壓式12 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)液壓缸齒輪缸 13 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)執(zhí)行元件氣壓式14 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)執(zhí)行元件電動(dòng)機(jī)15 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)執(zhí)行元件液壓式16 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)執(zhí)行元件液壓式17 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓電驅(qū)動(dòng)器18 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)19 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)20 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)執(zhí)行元件的比較電氣式特點(diǎn)：可使用商用電源；信號(hào)與動(dòng)力的傳送方向相同，有交流、

3、直流和驅(qū)動(dòng)電壓大小區(qū)別。 優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便；編程容易；能實(shí)現(xiàn)定位伺服；響應(yīng)快、易與CPU相接；體積小、動(dòng)力較大；無污染。 缺點(diǎn)：瞬時(shí)輸出功率大；抗過載能力差。21 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)執(zhí)行元件的比較液壓式特點(diǎn)：壓力源的壓力為28Mpa；要求操作人員技術(shù)熟練。 優(yōu)點(diǎn)：輸出功率大，速度快，動(dòng)作平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)定位伺服；易與CPU相接，響應(yīng)快。 缺點(diǎn)：設(shè)備難于小型化；液壓源或液壓油要求(雜質(zhì)、溫度、油量、質(zhì)量)嚴(yán)格；易泄漏且有污染。22 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)執(zhí)行元件的比較氣壓式特點(diǎn)：空氣壓力源的壓力為0.50.7Mpa；要求操作人員技術(shù)熟練。 優(yōu)點(diǎn)：氣源方便、成本低；無泄漏污染；速度快、操作比較簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)：

4、功率小，體積大，動(dòng)作不夠平穩(wěn)；不易小型化；遠(yuǎn)距離傳輸困難；工作噪聲大，難伺服。23 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1.2 執(zhí)行元件的基本要求慣量小、動(dòng)力大。對(duì)于直線驅(qū)動(dòng)元件，要求驅(qū)動(dòng)力F大；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)元件，提低較大的轉(zhuǎn)矩。 體積小、重量輕。功率密度，PG=P/G(kN/W)；比功率密度=T2/J(kW/s) 便于維修、安裝 宜于微機(jī)控制24 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.2 常用的控制用電動(dòng)機(jī)25 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.2.1 控制用電動(dòng)機(jī)的基本要求性能密度和比功率大，PGP/G； 快速性能，即加速轉(zhuǎn)矩大，頻響特性好； 位置控制精度高、調(diào)速范圍寬，低速運(yùn)行平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象、分辯力高、振動(dòng)噪聲??； 適應(yīng)起、停頻繁

5、的工作要求； 可靠性高、壽命長(zhǎng)。26 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)：又稱脈沖電機(jī)，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械 角位移的執(zhí)行元件。 輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步，轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步。27 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與種類步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種因素干擾的影響； 步進(jìn)電機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定角度后會(huì)出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一圈后，累積誤差變?yōu)榱恪?控制性能好，在啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易丟步。 適用于開環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)。28 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理AB C A

6、單相單三拍 ABBC CA AB 雙相雙三拍29 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)30 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)三相六拍步進(jìn)電機(jī)AAB B BC C CA A 三相六拍31 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)步距角線分 轉(zhuǎn)子上有40個(gè)齒，相鄰兩齒之間的齒距角360O。若轉(zhuǎn)子一制成5個(gè)齒，加工時(shí)，當(dāng)A相對(duì)齊時(shí)，B相沿反時(shí)針方向超前1/3齒距，C相超前2/3齒距。32 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)33 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類可變磁阻型(反應(yīng)式) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)子直徑小，響應(yīng)速度快。沒有保持力，效率低、轉(zhuǎn)子的阻尼差、噪聲大。34 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類永磁型具有記憶能力，可用作定位驅(qū)動(dòng)。勵(lì)磁功率小、效率高、成本低。 難于制

7、造、步距角大、轉(zhuǎn)子慣量較大。35 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類混合型步距角小、響應(yīng)頻率高，勵(lì)磁功率小、效率高。36 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)37 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)分 類 方 式 具 體 類 型 按力矩產(chǎn)生的原理 (1)反應(yīng)式：轉(zhuǎn)子無繞組，由被激磁的定子繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行 (2)激磁式：定、轉(zhuǎn)子均有激磁繞組(或轉(zhuǎn)子用永久磁鋼)，由電磁力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行 按輸出力矩大小 (1)伺服式：輸出力矩在百分之幾之幾至十分之幾(Nm)只能驅(qū)動(dòng)較小的負(fù)載，要與液壓扭矩放大器配用，才能驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)等較大的負(fù)載 (2)功率式：輸出力矩在 550 Nm 以上，可以直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)等較大的負(fù)載 按定子數(shù)

8、 (1)單定子式 (2)雙定子式 (3)三定子式 (4)多定子式 按各相繞組分布 (1)徑向分布式：電機(jī)各相按圓周依次排列 (2)軸向分布式：電機(jī)各相按軸向依次排列38 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3.3 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)分辨力。步距角：0.6o/1.2o，0.75o/1.5o，0.9o/1.8o，1o/2o，1.5o/3o等。 靜態(tài)特性。靜轉(zhuǎn)矩、矩角特性、靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。 動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq，最高連續(xù)運(yùn)行頻率，空載啟動(dòng)頻率與慣頻特性。 步進(jìn)電機(jī)型號(hào)表示方法。39 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)失調(diào)角示意圖 失調(diào)角=0, 失調(diào)角0, 失調(diào)角=1/2轉(zhuǎn)子齒距 轉(zhuǎn)矩=0 轉(zhuǎn)矩0 轉(zhuǎn)矩=040

9、 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)矩角 特性曲線41 動(dòng)態(tài)特性參數(shù)：主要指動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、矩頻特性、慣頻特性等。 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)：在步進(jìn)電機(jī)從A相轉(zhuǎn)換為B(或AB)相通電，不產(chǎn)生丟步時(shí)的穩(wěn)定工作區(qū)域r。步進(jìn)電機(jī)工作的拍數(shù)越多，穩(wěn)定工作區(qū)域r越接近靜態(tài)穩(wěn)定工作區(qū)域e，越不容易丟步。 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq：兩相(A、B)矩角特性交點(diǎn)Tq表示步進(jìn)電機(jī)單相勵(lì)磁時(shí)所能帶動(dòng)的極限負(fù)載轉(zhuǎn)矩，與步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和通電方式有關(guān)。42 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 最高連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率fmax及矩頻特性：步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所能接受的最高控制頻率fmax，稱最高連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率；步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩隨頻率的增加而降低，稱矩頻特性。 43 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)

10、計(jì)CH250管腳圖及三相六拍接線圖AAB B BC C CA A 三相六拍44 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的專用環(huán)形分配器CH250三相雙三拍接法 其他，如日本三洋電機(jī)公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)脈沖分配器PMM8713ABBC CA AB 45 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)1. 單電壓功率放大電路VD起到續(xù)流回路泄放作用，保護(hù)開關(guān)管，R為限流電阻。 缺點(diǎn)：R消耗能量，使放大器功率降低，同時(shí)由于電感L較大，電路對(duì)脈沖電流反應(yīng)較慢。輸出脈沖波形差、輸出功率低，用于速度低的小型步進(jìn)電機(jī)中。46 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)2. 高低壓功串放大電路47 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)高低壓功串放大電路48 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)3. 恒流源功率

11、放大電路49 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)4. 斬波恒流功率放大電路50 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)波形圖51 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)5. 調(diào)頻調(diào)壓功放電路52 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)細(xì)分驅(qū)動(dòng)作用：在不改變電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下，提高分辨率；使電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。53 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)功率開關(guān)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電源54 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)疊加細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理55 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)階梯波合成原理56 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)恒頻脈寬調(diào)制細(xì)分驅(qū)動(dòng)電源57 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的微機(jī)控制58 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)點(diǎn)位控制的加減速過程59 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制原理框圖60 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)市售步進(jìn)電機(jī)國(guó)內(nèi)通用步進(jìn)品牌：北京斯達(dá)

12、特電機(jī)北京和利時(shí)電機(jī)(原四通電機(jī))深圳白山深圳雷賽其它品牌：杭州中達(dá)、前常州寶馬系列等 61 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)市售步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器62 伺服電動(dòng)機(jī)可分為兩類： 伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。將輸入的電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸上輸出的角位移和角速度，驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。 交流伺服電動(dòng)機(jī) 直流伺服電動(dòng)機(jī)3.4 伺服電動(dòng)機(jī) 伺服電動(dòng)機(jī)可控性好，反應(yīng)迅速快。是自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中常用的執(zhí)行元件。63 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)交流伺服電動(dòng)機(jī) 交流伺服電動(dòng)機(jī)就是一臺(tái)兩相交流異步電機(jī)。定子上裝有空間互差90的兩個(gè)繞組：勵(lì)磁繞組和控制繞組。勵(lì)磁繞組控制繞組杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)定子交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖64 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)放

13、大 器檢 測(cè) 元 件控制信號(hào)+ + 控制繞組勵(lì)磁繞組+ + + 1 勵(lì)磁繞組串聯(lián)電容C , 是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個(gè)繞組的電流相位差接近90,從而產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖和相量圖(a)接線圖1 (b) 相量圖65 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 工作時(shí)兩個(gè)繞組中產(chǎn)生的電流 和 的相位差近于90，兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。 加在控制繞組上的控制電壓反相時(shí)(保持勵(lì)磁電壓不變)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。 控制電壓 與電源電壓 頻率相同，相位相同或反相。放 大 器檢 測(cè) 元 件控制信號(hào)+ + 控制繞組 交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：

14、在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)如果控制電壓變?yōu)榱?，電?dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)。66 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同控制電壓下的機(jī)械特性曲線 n=f(T), U1=常數(shù) 交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 在勵(lì)磁電壓不變的情況下，隨著控制電壓的下降，特性曲線下移。在同一負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨控制電壓的下降而均勻減小。TU2 0.8 U2 0.6 U2 0.4 U2 On67 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 交流伺服電機(jī)的輸出功率一般為0.1100 W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。應(yīng)用很廣泛，如用在各種自動(dòng)控制、自動(dòng)記錄等系統(tǒng)中。應(yīng)用:68 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)直流伺服電動(dòng)機(jī) 直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與普通直流電動(dòng)機(jī)基本相同，只是為減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

15、，電機(jī)做得細(xì)長(zhǎng)一些。 直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理也與直流電動(dòng)機(jī) 相同。供電方式：他勵(lì)供電。勵(lì)磁繞組和電樞分別由兩個(gè)獨(dú)立的電源供電。U1為勵(lì)磁電壓， U2為電樞電壓 MU1 I1I2 U2 放 大 器U + + 直流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖69 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)由機(jī)械特性可知： (1) 一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，當(dāng)磁通不變時(shí)，U2 n。 (2) U2= 0時(shí)，電機(jī)立即停轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)：改變電樞電壓的極性，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性直流伺服電動(dòng)機(jī)的 n=f(T)曲線(U1=常數(shù))U2 0.8U2 0.6U2 0.4U2 nTO70 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 直流伺服電機(jī)的特性較交流伺服電機(jī)硬。通常應(yīng)用于功率稍大

16、的系統(tǒng)中，如隨動(dòng)系統(tǒng)中的位置控制等。 直流伺服電機(jī)輸出功率一般為1600W。應(yīng)用：71 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)PMW直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理72 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)直流脈寬調(diào)調(diào)制的基本原理脈沖寬度正比代表速度F值的直流電壓73 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)橋式PWM晶體管功率放大器74 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)同步交流伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)75 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)交流電動(dòng)機(jī)的等效電路76 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)矢量控制框圖77 3.5 直線電機(jī)簡(jiǎn)介一、特點(diǎn)及應(yīng)用 二、基本結(jié)構(gòu)與工作原理 三、分類及優(yōu)、缺點(diǎn)78 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、特點(diǎn)及應(yīng)用1. 特點(diǎn) 將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的裝置； 結(jié)構(gòu)多樣

17、，可以根據(jù)需要制成扁平型、圓筒型或盤型等各種形式； 可以采用交流電源、直流電源或脈沖電源等各種電源進(jìn)行工作； 不同種類具有截然不同的工作特點(diǎn)，可以根據(jù)需要選擇。能滿足高速、大推力的驅(qū)動(dòng)要求，也能滿足低速、精密定位的要求，如步進(jìn)直線電動(dòng)機(jī)，交流/直流伺服電機(jī)。79 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)2. 應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域： 軍事領(lǐng)域。利用直線電機(jī)制成各種電磁炮，并試圖將它用于導(dǎo)彈、火箭的發(fā)射； 交通運(yùn)輸業(yè)。利用直線電機(jī)制成時(shí)速達(dá)500km以上的磁懸浮列車； 工業(yè)領(lǐng)域。用于生產(chǎn)輸送線，以及各種橫向或垂直運(yùn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備中； 精密儀器設(shè)備。例如微電子制造裝備、計(jì)算機(jī)的磁頭驅(qū)動(dòng)裝置、照相機(jī)的快門、自動(dòng)繪圖儀、醫(yī)療儀器、航天

18、航空儀器、各種自動(dòng)化儀器設(shè)備等； 民用裝置。如門、窗、桌、椅的移動(dòng)，門鎖、電動(dòng)窗簾的開、閉等。80 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例： 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的X-Y工作臺(tái) 81 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)82 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、基本結(jié)構(gòu)與工作原理1. 基本結(jié)構(gòu) (1)扁平型結(jié)構(gòu) 83 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 扁平型直線電機(jī)可以認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種演變，可看作是將一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開，然后將電機(jī)的周圍展成直線。84 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 定子演變來的一側(cè)稱為初級(jí)，轉(zhuǎn)子演變來的一側(cè)稱為次級(jí)。 由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來的直線電機(jī)初級(jí)和次級(jí)長(zhǎng)度相等，運(yùn)行中初級(jí)與次級(jí)的耦合不定，不能正常工作。為了保證在所需行程范圍內(nèi)初級(jí)

19、與次級(jí)之間的耦合保持不變，將初級(jí)與次級(jí)制造成不同的長(zhǎng)度。 既可做成短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)型，也可做成長(zhǎng)初級(jí)短次級(jí)型。但短初級(jí)在制造成本上、運(yùn)行費(fèi)用上均比短次級(jí)低得多，因此目前除特殊場(chǎng)合外，一般采用短初級(jí)。 演變而來的原始直線電機(jī)僅一邊安放初級(jí)，稱為單邊型直線電機(jī)。單邊型電機(jī)的初級(jí)與次級(jí)之間存在著很大的法向吸力，在鋼次級(jí)時(shí)約為推力的10倍左右，大多數(shù)場(chǎng)合下，這個(gè)力是不希望存在的。因此在次級(jí)兩邊都裝上初級(jí)，做成雙邊型結(jié)構(gòu)，以抵消法向吸力。85 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)單邊型直線電機(jī) a)短初級(jí) b)短次級(jí)86 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)雙邊型直線電機(jī) a)短初級(jí) b)短次級(jí)87 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)典型的單邊扁平型短初級(jí)直

20、線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)。單邊扁平型短初級(jí)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 1次級(jí)鐵心 2次級(jí)導(dǎo)電板 3三相繞組 4初級(jí)鐵心 5支架 6固定用角鐵 7繞組端部 8環(huán)氧樹脂88 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)89 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 可以認(rèn)為是將扁平型直線電機(jī)沿著和直線運(yùn)動(dòng)相垂直的方向卷接成筒形而來的。 (2)圓筒型(管型)結(jié)構(gòu)90 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)(3)弧型和盤型結(jié)構(gòu) 弧型是將扁平型直線電機(jī)的初級(jí)沿運(yùn)動(dòng)方向改成弧型，并安放于圓柱形次級(jí)的柱面外側(cè)?；⌒椭本€電動(dòng)機(jī)91 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 盤型結(jié)構(gòu)是把次級(jí)做成一片圓盤，將初級(jí)放在次級(jí)圓盤靠近外緣的平面上，次級(jí)可以是雙面的也可以是單面的。92 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 弧型和盤型直線電機(jī)的

21、運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是一個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行原理和設(shè)計(jì)方法與扁平型直線電機(jī)相似，所以也歸入直線電機(jī)范疇。 2.工作原理 與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似。在直線電機(jī)的三相繞組中通入三相對(duì)稱正弦電流后，也會(huì)產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。當(dāng)不考慮由于鐵心兩端開斷而引起的縱向邊端效應(yīng)時(shí)，這個(gè)氣隙磁場(chǎng)的分布情況與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，可看成沿展開的直線方向呈正弦形分布。93 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 三相電流隨時(shí)間變化時(shí)，氣隙磁場(chǎng)將按A、B、C相序沿直線移動(dòng)。這個(gè)原理與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的相似。差異是：這個(gè)磁場(chǎng)平移，而不是旋轉(zhuǎn)，稱為行波磁場(chǎng)。 行波磁場(chǎng)的移動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子內(nèi)圓表面上的線速度一樣。稱為同步速度 (m/s)，且 ，為極距(m)， 為電流的頻率(Hz)。行

22、波磁場(chǎng)次級(jí)初級(jí)NSvSSN94 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 假定次級(jí)為柵形次級(jí)，次級(jí)導(dǎo)條在行波磁場(chǎng)切割下，將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生電流。所有導(dǎo)條的電流和氣隙磁場(chǎng)相互作用便產(chǎn)生電磁推力。 直線電機(jī)的次級(jí)大多采用整塊金屬板或復(fù)合金屬板，并不存在明顯導(dǎo)條?？煽闯蔁o限多導(dǎo)條并列安置進(jìn)行分析。 假想導(dǎo)條中的感應(yīng)電流金屬板內(nèi)電流分布SSFFv95 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)次級(jí)的兩種結(jié)構(gòu)類型：柵型結(jié)構(gòu)和實(shí)心結(jié)構(gòu)。 柵型結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的籠型結(jié)構(gòu)。次級(jí)鐵心上開槽，槽中放置導(dǎo)條，并在兩端用端部導(dǎo)條連接所有槽中導(dǎo)條。 實(shí)心結(jié)構(gòu)，采用整塊均勻的金屬材料。又可分為非磁性次級(jí)和鋼次級(jí)。 從電動(dòng)機(jī)的性能來說，采用柵型結(jié)構(gòu)時(shí)，效率和功率因數(shù)最高，非磁性次級(jí)次之，鋼次級(jí)最差。 從成本來說，相反。端部導(dǎo)條槽內(nèi)導(dǎo)條96 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過對(duì)換任意兩相的電源線，可以實(shí)現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)。直線電機(jī)也可以通過同樣的方法實(shí)現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)這一原理，可使直線電機(jī)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。97 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)三、分類1.分類 按結(jié)構(gòu)型式分 圓筒型直線電機(jī)外形如旋轉(zhuǎn)電機(jī)的圓柱形直線電機(jī)，需要時(shí)可做成既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又有直線運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)直線電機(jī)。 圓盤