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直线电机设计工艺制作及其设计应用仿真


一.

直线电机的发展历史

1845 年英国人 Charles Wheastone 发明了世界上第一台直线电动机,但这种直线电动机由于气隙 过大而导致效率很低,未获成功。在 160 多年的历史中直线电机主要经历了三个时期,分别是: 1.1840~1955 年为探索实验时期 在这个期间直线电机从设想到试验再到部分试验,经历了一个不断探索的过

程。最早明确提出直线 电机的文章是 1890 年美国匹兹堡市的市长写的一片文章,然而限于当时的技术条件,最终并没有获得成 功。到了 1905 年出现了将直线电机作为火车推进机构的设想,给当时各国的研究人员带来了极大的鼓舞, 在 1917 年出现了第一台圆筒形直线电机,并试图用它来作为导弹的发射装置,但始终还是停留在模型阶 段。经过 1930 年到 1940 年的实验阶段,科研人员获取了大量的实验数据,从而对理论有了更深的认识。 在随后的过程中,1945 年美国的西屋电气研制成功了电力牵引飞机弹射器,它以 7400kw 的直线电机作为 动力,并且成功的进行了试验,同时使得直线电机可靠性等优点得到了重视。在 1954 年英国皇家飞机制 造公司成功利用双边扁平型直流直线电机制成了导弹发射装置。但是在这个过程中,由于直线电机与旋转 电机相比在成本和效率方面没有优势,并没有取得突破性的成功。 2.1956—1970 年为直线电机的开发应用期 1955 年以后,直线电机进入了全面的开发阶段,同时该时期的控制技术和材料技术的发展,更有力 的促进了直线电机的开发。直线电机的使用设备逐渐被开发出来,例如采用直线电机的 MHD 泵、自动绘 图仪、磁头定位驱动装置、空气压缩机等。 3. 1971 年至今为直线电机的使用商品时期 到目前,各类直线电机的应用得到了推广,形成了许多有实用价值的商品,直线电机开始在旋转电 机无能为力的地方寻找自己的位置。例如,直线电机应用于磁悬浮列车,液态金属的输送和搅拌,电子缝 纫机和磁头定位装置,直线电机冲压机等等。 二.直线电机工作原理和分类 所谓的直线电机就是利用电磁原理,将电能装换为直线运动的装置。在实际应用中,为了保证在整 个行程初级和次级的耦合不变,一般将初级和次级制造成不同的长度。 与旋转电机类似,直线电机通入三相交流电后,会在初级和次级的气隙中形成磁场,如果不考虑端 部效应,这个磁场在直线方向应当是成正弦分布的,只是这个磁场是平移而不是旋转的,所以有成为行波 磁场。行波磁场与次级相互作用便产生电磁推力,这就是直线的电机的工作原理。 有以上直线电机与旋转电机的对应关系,每种旋转电机都对应有相应的直线电机,但直线电机的结 构形式比旋转电机更加灵活,直线电机按照工作原理可以分为:直线直流电机,直线感应电机,直线同步 电机,直线步进电动机、直线压电电动机及直线磁阻电动机:按结构形式可分为平板式、U 形及圆筒式。 三.直线电机的优缺点分析

直线电机的特点在于直接产生直线运动,与间接产生直线运动的“旋转电机,加上滚珠丝杠相比,具 有如下优点:(1)没有机械接触,摩擦小,传动力在气隙中产生,只在导轨间存在摩擦;(2)结构简单, 体积小,以最少的部件实现直线运动; (3) 行程在理论上不受限制,性能不会因为行程的加长而受到影响; (4)速度调节范围宽,高速是它的突出优点;(5)加速度大,可达到 10g;(6)运动平稳,因为转换装 置少;(7)精度和重复精度高,没有中间环节,系统的精度取决与位置检测元件;(8)维护简单,运动 时五机械接触,提高了使用寿命。 直线电机的缺点是:(1)存在不可避免的“端部效应(Edge Effect)”,即直线电机的端部磁场的畸 变影响了行波磁场的完整性,使得电动机的损耗增加,推力减小,而且存在较大的推力波动;(2)控制难 度大,直线电动机在运行的过程中负载的变化,系统参数的变动和各种干扰,包括端部效应,都直接作用 在电机本身,没有缓冲环节,如果系统的鲁棒性不强,会造成系统的失稳和性能的下降;(3)其它缺点如 需要隔磁,安装困难,成本高等。 直线电动机与“旋转电动机, 滚珠丝杠”传动性能比较 表 性能 杠 精度 (%26micro;m/300mm) 重复精度 (%26micro;m) 最高速度(m/min) 最大加速度(g) 静态刚度 (N/%26micro;m) 动态刚度 (N/%26micro;m) 平稳性(%速度) 180 10 180 90~ 210 1 10 0.5 旋转电 动机+滚珠丝 动机 直线电

2 90~ 120 1.5 90~ 270 200

0.1 60~

2~10 70~

160~

制造业中满足高速加工中心进给系统要求的主要是交流直线电动机。交流直线电动机可分为感应式 和同步式两大类。虽然同步式直线电动机比感应式直线电动机成本较高、装配困难、需要屏蔽磁场,但效 率较高、结构简单、次级不用冷却、控制方便、更容易达到所要求的高性能,并且随着钕铁硼(NdFeB)永 磁材料的出现和发展,永磁同步直线电动机将逐渐发展成主流。因此在高速加工中心中永磁交流同步直线 电动机所占的比例将越来越高。

四.直线电机在高速加工中心及其它数控机床进给系统中的应用

直线电动机在高速加工中心和其它大行程数控机床进给系统中的应用还是近几年的事情。安装直线 电动机的机床必须有先进的数控系统、很高的刚度和固有频率,移动部件的质量要尽量小,这样才能充分 发挥直线电动机的能力。另外,机床中直接驱动进给系统的设计还要考虑冷却与散热问题。为了防止切屑 和各种粉末被直线电动机的敞开式磁场吸引,还必须采取隔磁和防磁措施。此外,直线电动机不象丝杠那 样可以自锁,如果电动机垂直安装,还要考虑平衡配重和制动等环节。 Ford、 Ingersoll 和 Anorad 公司在 80 年代中期的合作,最初实现了直线电动机在机床上的应用。 Ford 公司希望机床既高速、高精度,又高柔性。合作的结果是 Ingersoll 公司推出了“高速模块”HVM800, 其三轴都安装了 Anorad 公司的永磁式直线电动机,获得很好的性能。 德国 Ex-Cell-O 公司于 1993 年在德国汉诺威欧洲机床展览会上展出世界上第一台直线电动机驱动工 作台的 XHC240 型高速加工中心,采用的是德国 Indramat 公司开发的感应式直线电动机,各轴移动速度 高达 80m/min,加速度可达 1g。除了切削加工机床外,其他机床如激光切割、等离子切割、电火花加工等 设备也开始应用直线电动机。

五.直线电动机的发展趋势和研究方向 1. 发展趋势 目前直线电动机直接驱动技术的发展呈现出以下趋势: (1)机床进给系统用直线伺服电动机,将以永磁式为主导: (2)将电动机、编码器、导轨、电缆等集成,减小电动机尺寸,便于安装和使用: (3)将各功能部件(导轨、编码器、轴承、接线器等)模块化: (4)注重相关技术的发展,如位置反馈元件、控制技术等,这是提高直线电动机性能的基础。 2. 研究方向 直线电动机的研究目标是提高电动机性能,满足应用要求。直线电动机的主要性能包括速度、加速 度、推力及其波动、定位精度、重复定位精度、机械特性(速度-推力特性)、瞬态性能(速度响应)和热特性 等。 作为一种机电系统,要提高性能无非可从结构和控制两方面着手。 (1)结构设计 直线电动机包括初、次级磁路结构以及支撑、传感测量、冷却、防尘、防护等机械结构。 磁路设计 磁路设计最重要的任务是使电动机的推力和推力波动达到设计要求。 电动机内磁场分布的计算是磁路设计的基础。由于结构的特殊性,使得直线电动机存在端部效应, 引起磁场的畸变,同时使用硅钢片等软磁材料来聚合磁路,媒质边界曲折交错、磁路复杂、非线性强。目 前普遍采用数值解法—主要是用有限元法(FEM)来计算直线电动机的磁场分布,从而进一步计算推力及其

波动以及垂直力等性能。目前市场上已经有很多优秀的电磁场 FEM 软件可供选用,所以用 FEM 计算直线 电动机电磁场的关键点在于建立精确的有限元模型。 减少推力波动是磁路设计的一个重点也是难点。推力波动产生的原因有:初级电流和反电动势存在 高次谐波、气隙磁密波形非正弦、齿槽效应、端部效应等。通过优化永磁铁的形状和排列方式、降低永磁 励磁磁密、初级采用无铁心和多极结构、增加槽的数目、加大气隙等措施可以减小推力波动,但某些措施 会造成其它性能的减弱,所以设计时应综合考虑设计要求,达到最佳效果。 机械结构涉及的问题很多,在这里我们只强调一下对冷却系统的研究,因为这个问题很容易被忽略。 其实热特性是直线电动机的一个重要特性,同一型号的电动机有冷却时的推力峰值是无冷却时的两倍,所 以电动机冷却系统的好坏对电动机的性能有很大的影响,从冷却系统着手进行优化设计是提高电动机性能 的一条捷径。电动机热特性的分析一般也采用有限元法,在计算结果的基础上对冷却进行优化设计。 (3)控制技术的研究 控制技术是直线电动机设计的另一个重点和难点。 直线伺服系统运行时直接驱动负载,这样负载的变化就直接反作用于电动机:外界扰动,如工件或 刀具质量、切削力的变化等,也未经衰减就直接作用于电动机:电动机参数的变化也直接影响着电动机的 正常运行:直线导轨存在摩擦力:直线电动机还存在齿槽效应和端部效应。这些因素都给直线电动机的控 制带来困难。控制算法中必须要对这些扰动予以抑制或补偿,否则容易造成控制系统的失稳。 总体来说,控制器的设计要达到以下要求:稳态跟踪精度高、动态响应快、抗干扰能力强、鲁棒性 好。不同的直线电动机或不同的应用场合对控制算法会提出不同的要求,所以要根据具体情况采用合适的 控制方法。目前直线伺服电动机采用的控制策略主要有传统的 PID 控制、解耦控制,现代控制方法如非线 性控制、自适应控制、滑模变结构控制、H∞控制、智能控制如模糊控制、人工智能(如人工神经元网络系 统)控制等。 可以看出,直线电动机的控制算法运算量大,而且在高速加工进给系统的实际应用中实时性很强, 因此对整个数控系统提出了很高的要求。要满足这种要求,在优化控制算法的同时,还应采用高性能的硬 件。在高速加工中心进给系统中通常采用全数字驱动技术,以 PC 作为基本平台,DSP 实现插补和伺服控 制。 虽然直线电动机的控制比旋转电动机难度大得多,但他们的电磁特性和运行原理基本相似,而旋转 电动机的伺服控制技术已发展得比较成熟。所以在实验研究阶段,为了尽快建立实验系统,以验证设计的 可行性,我们也可以将旋转电动机的伺服控制器改造成直线电动机的伺服控制器,这样可以降低研制的成 本和周期,对开发专用的直线电动机伺服控制器也有指导意义。

直线电机的工作原理
所谓直线电机(又称为线性马达),是一种将传统的旋转电机沿轴线方向切开后,将旋转电机的初级展 开作为直线电机(线性马达)的定子,次级通电后在电磁力的作用下沿着初级做直线运动,成为直线电机 (线性马达)的动子。

我们常说的磁悬浮,往往和直线电机(线性马达)驱动有着很大联系。磁浮运输系统通常采用“线性马达” 也就是直线电机作为推进系统的。 线性马达的构成原理 设靠三相交流电力励磁的移动用电磁石 (作为定子),分左右两排夹装在铝板两旁 (但不接触),磁 力线与铝板垂直相交,铝板即感应而生电流,因而产生驱动力。由于线性感应马达的定子装在列车上,较 导轨短,因此线性感应马达又称为“短定子线性马达”(Short-stator Motor);线性同步马达的原理则是将 超导电磁石装于列车上 (当作转子),轨道上则装有三相电枢线圈 (作为定子),当轨道上的线圈供应以 可变周波数的三相交流电时,即能驱动车辆。由于车辆移动的速度系依与三相交流电周波数成比例的同步 速度移动,故称为线性同步马达,而又由于线性同步马达的定子装于轨道上,与轨道同长,故线性同步马 达又称为“长定子线性马达”(Long-stator Motor)。 传统轨道运输系统由于使用专用轨道,并以钢轮作为支撑与导引,因此随着速度的增加,行驶阻力会递 增,而牵引力则递减,列车行驶阻力大于牵引力时即无法再加速,故一直无法突破地面运输系统理论上最 高速度每小时 375 公里的瓶颈 。虽然法国 TGV 曾创下传统轨道运输系统时速 515.3 公里的世界纪录,但 因轮轨材料会有过热疲乏的问题,故现今德、法、西、日等国之高铁商业营运时速均不超过 300 公里。 因此,如要进一步提升车辆速度,必须放弃传统以车轮行驶之方式,而采用“磁力悬浮” (Magnetic Levitation,简称“磁浮”Maglev) 的方式,使列车浮离车道行驶,以减少摩擦力、大幅提高车 辆的速度。此一浮离车道的作法,除不会造成噪音或空气污染外,并可增进能源使用之效率。另外采用“线 性马达”(Linear Motor) 亦可加快该磁浮运输系统的速度,因此使用线性马达的磁浮运输系统应运而生。 所谓磁浮运输系统就是利用磁力相吸或相斥的原理, 使列车浮离车道, 此磁力的来源可分为“常电导磁石” (Permanent Magnets) 或“超导磁石”(Super Conducting Magnets, SCM)。所谓的常电导磁石就是一 般的电磁铁,即只有通电时才具有磁性,电流一切断则磁性消失,由于列车在极高速时集电困难,故常电 导磁石仅能适用于采用磁力相斥原理、速度相对较慢 (约 300kph) 的磁浮列车;至于速度高达 500kph 以上的磁浮列车 (利用磁力相吸原理),就非使用通一次电就永久具有磁性 (因此列车可以不用集电) 之 超导磁石不可。 因磁浮运输系统是利用磁力相吸或相斥的原理,故导致其分为“电动悬浮” (Electrodynamic Suspension, EDS) 与“电磁悬浮”(Electromagnetic Suspension, EMS) 两种型态。电 动悬浮 (EDS) 是利用同性相斥的原理,当列车经由外力而移动,装置于列车上的常电导磁石产生移动磁 场,而在轨道上的线圈产生感应电流,此电流再生磁场,由于此二磁场方向相同,故列车与轨道间产生互 斥力,列车随即由此互斥力举升而悬浮。因列车的悬浮是靠两磁场作用力相互平衡而达成,故其悬浮高度

可固定不变 (约 10 ~ 15mm),列车即因此具有相当之稳定性。此外,列车必须先以其他方式启动,其所 带之磁场才能产生感应电流与磁场,车辆才会悬浮;因此,列车必须装置车轮以便“起飞”与“降落”之用,当 速度达 40kph 以上时,列车开始悬浮 (即“起飞”),车轮自动收起;同理当速度渐减不再悬浮时,车轮自 动放下以便滑行 (即“降落”)。通常采用电动悬浮 (EDS) 的系统,只能以“线性同步马达” (Linear Synchronous Motor, LSM) 作为推进系统,且其速度相对较慢 (约 300kph)。 电动悬浮系统 (EDS) 与线性同步马达 (LSM) 的组合 电磁悬浮 (EMS) 则是利用异性相吸的原理,列车两侧向导轨环抱 (类似跨座式单轨系统),列车环 抱的下部装有电磁石,导轨的底部装有钢板代替线圈,此时导轨之钢板在上,而列车之电磁石在下,当通 电励磁时,电磁石产生之磁场吸引力吸引列车向上,列车因重力而下沉,两力平衡时使列车与导轨间产生 间隙 (Gap),列车即因此悬浮,其悬浮高度 (约 10 ~ 15mm) 因磁力强弱而产生变化,故磁场之励磁 电流须采封闭回路以保持磁力稳定。此外,列车一开始 (速度为零时) 即可产生悬浮,因此列车不须装置 车轮。通常采用电磁悬浮 (EMS) 的系统,可采用“线性感应马达”(Linear Induction Motor, LIM) 或线 性同步马达 (LSM) 作为推进系统,其速度可高达 500kph 以上。 直线电机(线性马达)除了用于磁悬浮列车外,还广泛地用于其他方面,例如用于传送系统、电气锤、 电磁搅拌器等.在我国,直线电机(线性马达)也逐步得到推广和应用.直线电机的原理虽不复杂,但在 设计、制造方面有它自己的特点,产品尚不如旋转电机那样成熟,因此直线电机价格一直居高不下,对于 直线电机有待进一步进行研究和改进。

内容提要
? ? ? ? 概述 基本结构 工作原理 分类

直线电动机与普通旋转电动机都是实现能量转换 的机械,普通旋转电动机将电能转换成旋转运动的机械 能,直线电动机将电能转换成直线运动的机械能。直线 电动机应用于要求直线运动的某些场合时,可以简化中 间传动机构,使运动系统的响应速度、稳定性、精度得 以提高。直线电动机在工业、交通运输等行业中的应用 日益广泛。 直线电动机可以由直流、同步、异步、步进等旋转 电动机演变而成,由异步电动机演变而成的直线异步电 动机使用最多。这里,我们只就直线异步电动机的结构 和工作原理做一些简单的介绍。

直线电动机传动的特点 (1) 省去了把旋转运动转换为直线运动的中间转换 机构,节约了成本,缩小了体积。 (2) 不存在中间传动机构的惯量和阻力的影响,直 线电动机直接传动反应速度快,灵敏度高,随动性 好,准确度高。 (3) 直线电动机容易密封,不怕污染,适应性强。 由于电机本身结构简单,又可做到无接触运行,因 此容易密封,可在有毒气体、核辐射和液态物质中 使用。

直线电动机传动的特点 (4) 直线电机散热条件好,温升低,因此线负荷和 电流密度可以取得较高,可提高电机的容量定额。 (5) 装配灵活性大,往往可以将电机与其他机件合 成一体。 (6) 某些特殊结构的直线电动机也存在一些缺点, 如大气隙导致功率因数和效率降低,存在单边磁拉 力等等。

8.1.1 直线电机的结构
直线异步电动机有平板形、管 形等结构型式。平板形直线异步电 动机可以看做将普通鼠笼转子三相 异步电动机沿径向剖开后展平而 成,如图所示。对应于旋转电动机 定子的一边嵌有三相绕组,称为初 级;对应于旋转电动机转子的一边 称为次级或滑子。实际平板形直线 异步电动机初级长度和滑子长度并 不相等,通常是滑子较长。为了抵 消初级磁场对滑子的单边磁吸力, 平板形直线异步电动机通常采用双 边结构,即有两个初级将滑子夹在 中间的结构形式。 初级铁心由硅钢片叠成,其表 面的槽中嵌有三相绕组(有些是单 相或两相绕组),滑子由整块钢板 或铜板制成片状,其中也有嵌入导 条的。

平板形直线 电动机结构、原理图

从旋转电动机到直线电机的演化

旋转电动机的定子和转子分 别对应直线电动机的初级和 次级

单边型直线电动机
短 初 级

短 次 级

双边型直线电动机
短 次 级

短 初 级

圆筒式结构

从旋转电动机到圆筒式直线电动机的演化

圆弧式直线电动机

圆盘式直线电动机

永磁同步式直线电机演变过程

8.1.2 基本工作原理
我们知道,在普通鼠笼转子三相异步电动机 的定子绕组中通入三相对称电流时,会在气隙中 产生转速为n1的旋转磁场,转子导条切割旋转磁 场而在其闭合回路中生成电流,带电的转子在磁 场作用下产生电磁转矩,使转子沿旋转磁场的转 向以转速 n 旋转。改变三相电流的相序时,可以 使旋转磁场及转子的旋转方向改变。 在直线异步电动机初级的三相绕组中通入三 相对称电流时,其在气隙中产生的磁场也是运动 的,只是沿直线方向移动,称之为移行磁场或行 波磁场。滑子也会因此而沿移行磁场运动的方向 移动,移行磁场及滑子的移动方向也由三相电流 的相序决定。

2. 直线感应电动机的基本原理

行波磁场
在初级的多相绕组中通入多相电流后,也会产生一个气隙 基波磁场,但是这个磁场的磁通密度波B? 是直线移动的, 故称为行波磁场。

如电机极距为?,电源频率为f,磁场移动速度为

vs ? 2 f ?
次级速度为v , 则滑差率为

vs ? v s ? vs

次级移动速度

v ? (1 ? s)v s ? 2 f? (1 ? s)

4.2.2 直线感应电动机的结构特点 1. 初级 直线电机的初级相当于旋转电机的定子。初级铁心 也是由硅钢片叠成的,—面开有槽,三相(或单相) 绕组嵌置于槽内。 2)圆筒式初级:一般由用 1)扁平式初级结构 硅钢加工成具有凹槽的 圆环组成,装配时四周 用螺栓拉紧。

2. 次级 1)扁平型直线电机 栅型次级:一般是在钢板上 栅型次级: 开槽,在槽中嵌入铜条(或 铸铝),然后用铜带在两端 短接而成。 钢次级或磁性次级:钢既起导磁作用,又起导电作用. 钢次级或磁性次级: 由于钢的电阻率较大,故钢次级直线电机的电磁性能 较差,且法向吸力也大(约为推力的10倍左右)。 复合次级:钢板上复合一层铜板(或铝板)。 复合次级: 铜(铝)次级或非磁性次级:用于双边型直线电机中

2)圆筒型直线电机 圆筒式直线电机,次级一般是厚壁钢管,为了提 高单位体积所产生的起动推力,可以在钢管外圆 覆盖一层1~2mm厚的铜管或铝管,成为复合次 级,或者在钢管上嵌置铜环或浇铸铝环,成为类 似于笼型的次级。

嵌置铜环或铝环的圆筒式次级

3. 气隙 直线电机的气隙相对于旋转电机的气隙要大得多,主 要是为了保证在长距离运动中,初级与次级之间不致 摩擦。 复合次级和铜(铝)次级:因为铜或铝均属非磁性材 次级: 料,其导磁性能和空气相同,故: 电磁气隙=机械气隙(单纯的空气隙)+ 铜板或铝板厚度 直线感应电动机的缺点:气隙大,功率因数低 直线感应电动机的缺点:

3. 永磁式直线直流电动机

动铁型 线圈绕在一个软铁框架上, 线圈的长度要包括整个行程

动圈型
软铁架两端装有极性同向放 置的两块永磁体,通电线圈 可在滑道上作直线运动

8.1.3 直线电机的分类
? 1.结构形式的分类 ? 2.功能用途的分类 ? 3.工作原理的分类


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