直線電機講解

直線電機

直線電機直線電機的發(fā)展史直線電機在數(shù)控機床進給系統(tǒng)中的應用直線電機的基本結構與工作原理直線電機的分類概述直線電機的優(yōu)缺點分析一、

直線電機發(fā)展史1845年英國人CharlesWheastone發(fā)明了世界上第一臺直線電動機，但這種直線電動機由于氣隙過大而導致效率很低，未獲成功。在160多年的歷史中，直線電機主要經(jīng)歷了以下三個階段：1、探索實驗時期（1840～1955年）A、1890年，美國匹茲堡市長寫文章早明確提出直線電機，然而限于當時技術條件，最終并沒有獲得成功。B、1905年，出現(xiàn)了將直線電機作為火車推進機構的設想，給當時研究人員帶來了極大的鼓舞，在1917年出現(xiàn)了第一臺圓筒形直線電機，并試圖用它來作為導彈的發(fā)射裝置，但始終還是停留在模型階段。C、經(jīng)過1930年到1940年的實驗階段，科研人員獲取了大量的實驗數(shù)據(jù)，從而對理論有了更深的認識。在隨后的過程中，1945年美國的西屋電氣研制成功了電力牽引飛機彈射器，它以7400kw的直線電機作為動力，并且成功的進行了試驗，同時使得直線電機可靠性等優(yōu)點得到了重視。D、1954年英國皇家飛機制造公司成功利用雙邊扁平型直流直線電機制成導彈發(fā)射裝置。但是在此過程中，由于直線電機與旋轉電機在成本和效率方面沒有優(yōu)勢，并沒有取得突破性的成功。2、開發(fā)應用階段（1956—1970年）

1955年以后，直線電機進入了全面的開發(fā)階段，同時該時期的控制技術和材料技術的發(fā)展，更有力的促進了直線電機的開發(fā)。直線電機的使用設備逐漸被開發(fā)出來，例如采用直線電機的MHD泵、自動繪圖儀、磁頭定位驅(qū)動裝置、空氣壓縮機等。

目前，各類直線電機的應用得到了推廣，形成了許多有實用價值的商品，直線電機開始在旋轉電機無能為力的地方尋找自己的位置。例如，直線電機應用于磁懸浮列車，液態(tài)金屬的輸送和攪拌，電子縫紉機和磁頭定位裝置，直線電機沖壓機等等。

3、使用商品階段（1971年至今）二、直線電機在數(shù)控機床進給系統(tǒng)中的應用

現(xiàn)代數(shù)控機床經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，其加工速度和加工精度得到極大提高。其加工精度從最初的0．01mm到現(xiàn)在的1μm，提高了10000倍，加工速度則從每分鐘幾十毫米提高到每分鐘幾十米，提高了1000倍。機床進給系統(tǒng)采用直線電機直接驅(qū)動，帶來了傳統(tǒng)驅(qū)動方式無法比擬的性能指標和優(yōu)點。國外在高速加工中心上已廣泛應用直線電機驅(qū)動使機床的動態(tài)性能大為提高。1993年德國Ex-cell-O公司在漢諾威國際機床博覽會上展出了世界上第一臺應用直線電機驅(qū)動技術的HSC-240型超高速加工中心，該機床最大快移速度為60m/min。日本機床裝備發(fā)展迅猛，高檔機床大量采用直線電機驅(qū)動技術。早在1998年第十九屆JIMTOF上，就展出了8臺直線電機作進給驅(qū)動的機床。在2002年日本東京第二十一屆JIMTOF機床展上23家公司展出了41臺裝有直線電機的數(shù)控機床，包括加工中心11臺。目前，采用直線電機驅(qū)動技術的機床是日本機床生產(chǎn)商供應的主流實用機床。歐美西方工業(yè)大國的機床制造廠商也大量應用直線電機驅(qū)動技術，著名的有DMG、Sodiek、Kings-bury、Anorad、Jobs和ForestLine等公司。在2003年的意大利米蘭EMO2003國際機床展上，高速加工進一步普及，直接驅(qū)動已經(jīng)成為高性能機床的重要技術手段，會展中德國DMG公司展品多為直線電機驅(qū)動。大批高性能加工中心采用了直線電機直接驅(qū)動技術。使用直線電機比用滾珠絲桿傳動的成本已從l0年前的高30％，降低到目前只高15％～20％，而且參展商普遍認為用戶可以節(jié)省運行成本20％以上，從而可以及時收回附加投資。JOBS公司認為有一半以上的機床采用直線電機在技術上和經(jīng)濟上都是值得的。

國內(nèi)直線電機技術的研究始于20世紀70年代，上海電機廠開始研制并生產(chǎn)直線異步電動機，寧波大學的丁志剛等對直線異步電機的工作原理、結構和控制系統(tǒng)進行了一定的研究。從九十年代開始，沈陽工業(yè)大學、清華大學、國防科技大學等高校都做了相關研究，但未能實現(xiàn)真正應用到高速機床上。1995年以來廣東工業(yè)大學超高速加工與機床研究室開始開展直線電機在機床上的應用研究，開發(fā)了由直線感應電機驅(qū)動的CD-3型高速數(shù)控機床進給單元,其額定推力2000N,最高進給速度100m/min,定位精度為0.004mm,行程800mm。清華大學機械學系制造工程研究所研究的長行程永磁直線伺服單元額定推力1500N，最高速度60m/min，行程600mm。沈陽工業(yè)大學研究的重點擺在了永磁同步直線電動機的控制方式及伺服系統(tǒng)；在CIMT2003（中國國際機床展覽會）上，北京機電院高技術股份公司、江蘇多棱數(shù)控機床股份有限公司展出了國產(chǎn)首批直線電機驅(qū)動的立式加工中（VS1250）其X、Y軸采用了直線電機，最大進給速度60m/s。采用直線光柵尺反饋，全閉環(huán)控制，定位精度高，穩(wěn)定性好。該加工中心采用了西門子840D系統(tǒng)，具有很高的可靠性與穩(wěn)定性。目前在我國機床行業(yè)中，應用直線電機進給系統(tǒng)的產(chǎn)品越來越多。在CIMT2005上，作為全球最大的切削機床制造商之一的DWG公司，其產(chǎn)品中有1/3的采用了直線電機驅(qū)動技術，展出的DMC75Vlinear精密立式加工中心所有進給軸都采用高動力性能直線電機驅(qū)動，良好動態(tài)特性的基礎是采用了高度穩(wěn)定的龍門結構和經(jīng)優(yōu)化的高剛度床身，加速度高達2g，快移速度90m/min，從而可使生產(chǎn)率提高20％，該系列加工中心特別適合于模具加工。在2007年4月的中國國際機床展（CIMT2007）上，直線電機的應用越來越廣泛，杭州機床集團有限公司推出了國內(nèi)首次使用直線電機的平面磨床（MUGK7120X5）。全球領先的運動控制解決方案提供商丹納赫傳動，在現(xiàn)場的研討會中提到直接驅(qū)動電機近年來在國內(nèi)外都得到了客戶的廣泛認可，它改變了原有旋轉電機加絲杠的結構，大大簡化了機械的設計，提高了工作效率。三、直線電機的基本結構與工作原理1、直線電機的基本結構圖1旋轉電機和直線電機示意圖圖1中a表示旋轉電機，b表示直線電機。直線電機可以認為是旋轉電機在結構方面的一種演變，它可看作是將一臺旋轉電機沿徑向剖開，然后將電機的圓周展成直線，如圖2所示。這樣就得到了由旋轉電機演變而來的最原始的直線電機。由定子演變而來的一側稱為初級，由轉子演變而來的一側成為次級。圖2由旋轉電機演變?yōu)橹本€電機的過程

圖2中a沿徑向剖開，b把圓周展成直線。上圖中演變而來的直線電機，其初級和次級長度是相等的，由于在運行時初級和次級之間要做相對運動，如果在運動開始時，初級與次級正巧對齊，那么在運動中，初級與次級之間互相耦合的部分越來越少，而不能正常運動。為了保證在所需的行程范圍內(nèi)，初級和次級之間的耦合保持不變，因此實際應用時，是將初級與次級制造成不同的長度?？紤]到制造成本，一般采用短初級長次級。如圖3所示。

圖3單邊型直線電機a）短初級b）短次級

在圖3中所示的直線電機中僅在一邊安放初級，對于這樣的結構型式稱為單邊型直線電機。特點是在初級與次級之間存在著很大的法向吸力，一般這個法向吸力在鋼次級時約為推力的10倍左右，大多數(shù)場合這種吸力是不希望存在的。圖4雙邊型直線電機a)短初級b)短次級在圖4中所示的直線電機在次級的兩邊都裝上了初級。這樣這個法向吸力就可以相互抵消，這種結構型式稱為雙邊型。上述介紹的直線電機稱為扁平型直線電機，是目前應用最為廣泛的。除此之外直線電機還可以做成圓筒型（也稱管型）結構，它也可以看作是由旋轉電機演變過來的，演變過程如圖1-5所示。圖5旋轉電機演變成圓筒型直線電機的過程a）旋轉電機b)扁平型單邊直線電機c)圓筒型（管型）直線電機圖5a表示一臺旋轉電機以及由定子繞組所構成的磁場極性分布情況；圖5b表示轉變?yōu)楸馄叫椭本€電機后，初級繞組所構成的磁場極性分布情況，然后將扁平型直線電機沿著和直線運動相垂直的方向卷接成筒形。這樣就構成圖5c所示的圓筒型直線電機。直線電機還有圓弧型和圓盤型結構。所謂圓弧型結構，就是將平板型直線電機的初級沿運動方向改成圓弧型，并安放于圓柱次級的柱面外側，如圖6所示。圖6圓弧型直線電動機圓盤型直線電機是次級做成一片圓盤，將初級放在次級圓盤靠近邊緣的平面上，圓盤型直線電機的初級可以是雙面的，也可以是單面的。圓弧型和圓盤型直線電機的運動實際上是一個圓周運動。如圖：圖7圓盤型直線電機2、直線電機的工作原理直線電機不僅在結構上相當于是從旋轉電機演變而來的，而且其工作原理也與旋轉電機相似。將圖8所示的旋轉電機在頂上沿徑向剖開，將圓周拉直，變成了圖9所示的直線電機。在直線電機的三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，也會產(chǎn)生氣隙磁場。當不考慮由于鐵心兩端開斷而引起的縱向邊端效應時，這個氣隙磁場的分布情況與旋轉電機的相似，可看成沿展開的直線方向呈正弦形分布。當三相電流隨時間變化時，氣隙磁場將按A、B、C相序沿直線移動。這個原理與旋轉電機的相似，差異在于：這個磁場是平移的，而不是旋轉的，因此稱為行波磁場。行波磁場的移動速度與旋轉磁場在定子內(nèi)圓表面上的線速度是一樣的，即為Vs（m/s），稱為同步速度，且

Vs=2fτ

（1）圖1-8旋轉電機的基本工作原理1-定子2-轉子3-磁場方向圖1-9直線電機的基本工作原理

假定次級為柵形次級，圖9中僅畫出其中的一根導條。次級導條在行波磁場切割下，將感應電動勢并產(chǎn)生電流。而所有導條的電流和氣隙磁場相互作用便產(chǎn)生電磁推力。在這個電磁推力的作用下，如果初級是固定不動的，那么次級就是順著行波磁場運動的方向作直線運動。若次級移動的速度用V表示，轉差率用S表示，則有在電動機運行狀態(tài)下，S在0與1之間。四、線電機的分類概述1、按結構形式分類直線電機的分類在不同的場合下有不同的分類型式。按其結構型式主要可分為扁平型、圓筒型（管型）、圓盤型和圓弧型四種。扁平型直線電機，即為一種扁平的矩形結構的直線電機，如圖1-b，它有單邊型和雙邊型之分。每種型式下又分別由短初級長次級或長初級短次級。圓筒型直線電機，即為一種外形如旋轉電機的圓柱形的直線電機如圖5所示。這種直線電機一般均為短初級長次級型式。圓盤型直線電機，即為電機的次級是一個圓盤，不同型式的初級驅(qū)動圓盤次級做圓周運動，如圖7所示。其初級可以是單邊型也可以是雙邊型。圓弧型直線電機，如圖6所示，它的運動形式是旋轉運動，且與普通旋轉電機非常接近。圓弧型與圓盤型的主要區(qū)別，在于次級的形式和初級對次級的驅(qū)動點有所不同。按以上結構型式分類的直線電機相互關系可以圖1-10所示的形式表示。圖10直線電機的結構分類2、按功能用途分類直線電機按其功用途主要可以分為力電機、功電機和能電機。力電機

力電機是指單位輸入功率所能產(chǎn)生的推力，或者單位體積所能產(chǎn)生的推力，主要用于在靜止物體上或低速的設備上施加一定的推力的直線電機。它以短時運行、低速運行為主，例如閥門的開閉、機械手的操作等。功電機功電機主要作為長期連續(xù)運行的直線電機，它的性能衡量的指標與旋轉電機基本一樣。即可用效率、功率因數(shù)等指標來衡量其電機性能的優(yōu)劣。例如高速磁懸浮列車，各種高速運行的送線等。能電機能電機是指運動構件在短時間內(nèi)所能產(chǎn)生的極高能量的驅(qū)動電機，它主要是在短時間、短距離內(nèi)提供巨大的直線運動能，例如導彈、魚雷的發(fā)射等。3、按工作原理分類直線電機按其工作原理可分為兩個大的方面，即直線電動機和直線驅(qū)動器，直線電動機包括交流直線感應電動機、交流直線同步電動機、直線直流電動機和直線步進（脈沖）電動機、混合式直線電動機等。直線驅(qū)動器包括直線振蕩電動機、直線電磁螺線管電動機、直線電磁泵、直線超聲波電動機等。注：安裝直線電動機的機床必須有先進的數(shù)控系統(tǒng)、很高的剛度和固有頻率，移動部件的質(zhì)量要