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直线电机的特性、现况及其发展趋势


直线电机的特性、现况及其发展趋势

班级: 机械 0804 班 姓名: 何延浩 学号: u200810546

一、直线电机概述 根据当今世界机床制造业的发展趋势和国家中长期科技发展规划,数控机床正在向精 密、高速、复合、智能、环保的方向发展。由于直线电机将电能直接转换为直线运动,取消 了传统的从旋转电机到工作台之间的一切 机械传动环节,

具有高速、 高精和 “零传动” 特性,因此直线电机正在成为高档数控机床 的重要功能部件,是高端数控设备未来的发 展趋势。 直线电机又称线性马达、 推杆马达, 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)的动子的新型电机(如图1所示) 。 图 1 SUPT Motion 公司生产的一种直线电机 二、直线电机的工作原理 直线电机利用电能直接产生直线运动,其原理与相应的旋转式电动机相似,在结构上 可以看作是由相应旋转电机沿径向切开,拉直演变而成。如图2-a所示为传统旋转式电机, 图2-b为旋转时电机沿径向切开后得到的直线电机。

图2 直线电动机原理结构

直线电动机同样包括定子和动子两部分,在电磁力的作用下,动子带动外界负载运动 作功。在需要直线运动的地方,采用直线电动机可使装置的总体结构得到简化。直线电动机 较多地应用于各种定位系统和自动控制系统。 大功率的直线电动机还常用于电气铁路高速列 车的牵引、鱼雷的发射等装备中。 直线电动机按原理分为直流直线电动机、交流直线异步电动机、直线步进电动机和交 流直线同步电动机,以前三种应用较多。按结构可分为单边型和双边型两种。在单边型结构 中,定子和动子之间受有较大的单边磁拉力;双边型结构由于两边磁拉力互相平衡,支承部 分摩擦力较小,动作比较灵活。 (1)直流直线电动机 直流供电的直线电动机。由一套磁极和一组绕组构成。绕组中 直流直线电动机 的电流有的通过电刷和换向片结构引入, 称刷型; 有的不经换向器和电刷, 直接用导线引入, 称无刷型。直流直线电动机从结构上还可分为动极式和动圈式两种。图2所示为圆柱式直流 动圈式直线电动机,由于其结构与扬声器的音圈相似,故又称为音圈式直线电动机,简称音 圈电动机。其中图3-a为短线圈音圈电动机,图3-b为长线圈音圈电动机。

图 3 音圈电动机

直流直线电动机由于推力与电枢电流成正比,速度与电枢电压成正比,故具有良好的 线性控制特性, 它与闭环控制系统配合, 可以进行精密的调节和控制, 适用于自动控制系统, 例如计算机磁盘驱动器的磁头定位系统。 (2)交流直线异步电动机 由旋转式异步电动机演变而来。其工作原理和旋转式异步 交流直线异步电动机 电动机相同。主要由原边和副边两部分组成,嵌有线圈的部分为原边。当多相绕组中通入电 流后,电机气隙中就产生一个磁场行波,切 割副边的导体而感生电流。此电流与磁场作 用产生电磁力使原边和副边发生相对运动。 直线异步电动机可以做成原边固定、副边可 动的短副边型和副边固定、原边可动的短原 边型两种结构。短原边型所用线圈数量少, 比较经济,应用较多;短副边型常用于金属 物体的投射。直线异步电动机常在工业自动 化系统中作为操作杆的动力,用它操作自动 门窗、自动开关和阀门以及各种机械手,也 可用于电气铁路高速列车的牵引和鱼雷发 图 4 交流直线异步电动机 射等。图4所示为一些交流直线异步电动机 产品的照片。 (3)直线步进电动机 作直线步进运动的电动机。 按其电磁推力产生的原理可以分为 直线步进电动机 反应式和永磁感应子式两大类。 ①反应式直线步进电动机:其定子是一条开有均匀齿槽的导轨,动子是一个绕有三相 绕组的E形铁心。每个铁心柱上都开有和定子齿距相等的齿槽,且各相铁心柱上的齿槽相对 于定子齿槽依次错开1/3齿距。 如果输入三相绕组电脉冲的顺序依次为A→B→C→A, 则动 子就会向左作步进运动。如果通电顺序改为A→C→B→A,则动子就向右作步进运动。在结 构上也可以把 E形铁心固定,让齿条作为动子。齿条的运动将与上述运动方向相反。 ②永磁感应子式直线步进电动机:定子由软铁材料制成,上面铣有均匀间隔的齿槽; 动子由永久磁铁加上两个带齿的形电磁铁组成。 两个电磁铁上的齿相互错开一定距离。 在电 磁铁线圈不通电时,动子位置由永久磁铁决定。而在两个电磁铁按一定顺序轮流通电时,将 使动子以一定齿距作步进运动。 如果对两个电磁铁不是轮流通电, 而是使其中的电流一个按 正弦变化,一个按余弦变化,则可使动子运动平滑,步距很小。其步距(位置)分辨率可以 达到0.01mm以下。在要求高精度定位的场合,例如绘图仪、磁头定位机构、激光定位器 和数控系统中得到较多的应用。

三、直线电机在数控机床中的应用 1.直线电机进给驱动的主要优点 ①进给速度范围宽,可从1?m/s调节到200m/min以上。目前加工中心的快进速度已达 208m/min,而传统机床快进速度不会超过60m/min,一般为20~30m/min。 ②速度特性好,速度偏差可达±0.01%以下。 ③加速度大。直线电机最大加速度可达30g,目前加工中心的进给加速度已达3.24g,激 光加工机的进给加速度已达5g,而传统机床的进给加速度在1g以下,一般为0.3g。 ④定位精度高。采用光栅闭环控制,定位精度可达0.1~0.01?m。利用前馈控制的直线 电机驱动系统可减少跟踪误差200倍以上。由于运动部件的动态特性好,相应灵敏,加上插 补控制的精细化,可实现纳米级控制。 ⑤行程不受限制。传统的丝杠传动受丝杠制造工艺限制,一般4~6m,更长的行程需要 连接长丝杠,无论在制造工艺还是在性能上都不理想。而采用直线电机驱动,定子可无限加 长,且制造工艺简单,已有大型高速加工中心X轴长达40m以上。 ⑥结构简单,运动平稳,噪声小;运动部件摩擦小,磨损小,使用寿命长,安全可靠。 2.直线电机及其驱动控制技术的进展 作为可控制运动精度的直线伺服电机在20世纪80年代末出现后,随着材料(如永磁材 料) 、功率器件、控制技术及传感技术的发展,直线伺服电机的性能不断提高,成本日益下 降,为其广泛的应用创造了条件。 目前世界上直线伺服电机及其驱动系统的知名供应商主要有德国Siemens公司、 Indramat 公司,日本FUNAC公司、三菱公司,美国Anorad公司,瑞士ETEL公司等。 具有代表性的产品的技术指标: ①FANUC L17000C3/2is:最大推力 17000N; 连续推力 3400N(自然冷)/4080N(气冷)/6800N(水冷) ; 最大速度 240m/min(4m/s) ; 最大加速度 30g; 分辨率 0.01?m。 ②Siemens:1FN3: 最大推力 20700N; 连续推力 8100N(水冷) ; 最大速度 253m/min。 注: 在其床上运行的最大加速度与直线电机推力、 运动部件及其负载质量以及摩擦力等 有关。在有效行程内能否达到最大速度与加速度和行程大小有关。 在控制系统方面,Siemens、FANUC等系统供应商都可提供与直线电机控制相对应的控 制软件和接口。由于欧洲及床上应用直线电机较多,因此采用Siemens系统 (如810D、840D) 最多。 中国科学院电工所、 浙江大学及沈阳、 哈尔滨广东等一些公司已有小功率直线电机产品。 清华大学在十五攻关项目中成功研制交流永磁同步直线电机及其伺服系统, 其最大运动 速度60m/min,最大加速度5g,最大推力5000N,目前已与江苏瑞安特公司开始合作生产。 3.直线电机进给驱动在机床上的应用情况 自1993年德国ex-cell-O公司研发出世界上第一台直线电机驱动工作台的加工中心以来, 直线电机已在不同种类的机床上得到应用。 2001年和2003年欧洲机床展、 2002年和2004年日 本机床展及美国机床展上每次都有几十家公司的展品采用直线电机驱动系统。 以2002年日本 机床展为例,在参展的524台数控机床中,有25家公司41台机床采用直线电机进给驱动,其

中加工中心11台(立式8台、卧式3台) ,电加工机床7台(线切割4台、成型机2台、小孔机1 台) ,磨床6台(一般磨床4台、齿轮磨床1台、坐标磨床1台) ,非球面加工机和微细加工机5 台,车床4台,专用机床3台,激光加工机2台,车磨复合机床1台,铣削加工单元(FMC)1 台。 目前, 世界上最知名的机床厂家几乎无一例外地都推出了直线电机驱动的机床产品, 品 种覆盖了绝大多数机床类型。表1和表2列出了近几年来直线电机驱动机床的部分典型产品。
表 1 直线电机驱动机床的部分典型产品(国外) 机床类型 激光加工机床 激光加工机床 激光加工机床 电火花切割机 型号 TRUMATIC L3050 FOL3015 HYPER GEAR510 AP200L AP550L 电火花成型机床 微细加工机 非球面加工机 加工中心 加工中心 加工中心 加工中心 加工中心 加工中心 车削中心 数控车床 数控车床 外圆磨床 齿轮磨床 光学仿形磨床 凸轮磨床 坐标磨床 曲轴磨床 车磨复合中心 车磨复合中心 铣磨削复合中心 龙门加工中心 龙门加工中心 龙门加工中心 大型数控铣 大型高速加工中心 Lin X系列 HVM 600,800 HYPER MNCH VG11ODS STRATOS系列 LCD315Li MCR-A56 LinearM II BZ600L DMC85Vlinear CTV250 CTX Linear系列 DVT450L GA-5N-SP S375G GLS-821Li GC32M-63 ULG-45 AQ35L/AQ75L NANO-21 220UPL HPC-800HP F 660L
3

厂商 德国Trumpf 日本AMADA 日本Mazak 日本Sodic 日本Sodic 日本Sodic 日本碌之产业 Moore纳米技术系统 Cincinnati-Lamb美国 日本Mazak 日本大隈 日本丰田工机 德国Grob system 德国DMG集团 德国DMG集团 德国DMG集团 德国Krupp 日本大隈 日本清和铁工 日本瓦西诺 日本丰田工机 日本和井田 德国EMAG 德国EMAG 德国Schaudt 日本冈本 日本大隈 新日本工机 意大利JOBS Ingersol 美国 Cincinnati 美国

机床主要特点 Y/Z轴直线电机,快进200m/min X/Y轴快进240m/min,同时驱动达340m/min,加速度5g X/Y/Z快进120m/min,加速度3.5 X/Y/Z/V轴直线电机,快进35m/min,加速度1g 实现0.1?m精密平稳移动 三轴直线电机,高速高精度平动加工 采用直线电机,可进行超精加工 各轴均采用直线电机,加工表面粗糙度小于1nm 各轴直线电机,快进80m/min,加速度1g 各轴直线电机,快进208m/min,加速度3.24g 动柱式,快进120m/min 各轴快进100m/min,加速度1g,Z轴1.5g X/Y/Z轴快进120m/min,加速度0.8g/1.2g/2g 三轴快进120m/min,加速度2g X轴直线电机,快进100m/min,加速度1g X轴直线电机,60~100m/min,加速度1g X轴直线电机,75m/min,定位精度0.001mm 直线电机进给分辨率10nm,快移20m/min 直线电机进给 砂轮升降用直线电机驱动 砂轮架进给,响应快,高精度 X/Y/Z轴直线电机,进给10m/min 砂轮进给直线电机驱动,高速高精度,加速度2.5g Z轴直线电机,快进80m/min X轴直线电机 加工时间缩短到原来的1/5 X/Y/Z三轴直线电机,快移速度40m/min X/Y轴快进60m/min X/Y/Z三轴直线电机,快进40m/min 快进80m/min,加速度1.5g X轴直线电机行程46m,快进100m/min,加速度2g

此外,在压力机、坐标测量机、水切割机、等离子切割机、快速成型机及半导体设备的 X、Y 工作台 上都有应用。

表 2 直线电机驱动机床的部分典型产品(国内) 机床类型 电火花成型机床 立式加工中心 立式加工中心 数控车床 活塞车床 凸轮磨床 型号 GV754L VS1250 厂商 北京机床研究所 北京机电院高技术股份公司 江苏多棱机床有限责任公司 沈阳机床集团 清华大学 北京航空航天大学 机床主要特点 快进速度 24m/min,加速度 1.5g X/Y 轴直线电机,快进 80/120 m/min,加速度 0.8/1.5g X 轴直线电机 X 轴直线电机,快进 60m/min Z 轴直线电机 头架驱动用直线电机,精度提高,无振纹

此外,浙江大学直线电机与现代驱动研究所开发了直线电机驱动的压力机、锯床、雕刻机、线切割机 床。

北京机电院高技术股份有限公司承担的十五攻关项目 “直线电机驱动的高速立式加工中 心” ,于 2003 年研制成功国内第一台直线电机驱动的加工中心,并在 2003 年北京国际机床 展览会展出。该机床 X/Y 轴采用直线电机驱动,形成分别为 1250/630mm,最大快移速度 80/120 m/min,最大加速度 0.8/1.5g。机床在设计中对减轻运动部件质量、加强机床刚性、 解决高速高加速运动下的抗冲击性、直线电机的防护,以及控制系统、伺服系统与直线电机 的匹配和优化调试等方面做了有益的探索并取得了成功。为解决处于工作台下方的 Y 轴直 线电机的防护问题,设计了密封的直线驱动轴部件,并获得了国家专利。经测定,该机床精 度达到精密级加工中心标准,并有充分裕量。一年多来该机床工作稳定可靠。课题组还对直 线电机初级线圈与次级磁铁(定子)的温升进行了试验。以 X 轴为例:X 轴运动部件质量 大于 1000kg,加速度设定为 0.8g,快移速度设定为 70m/min,连续往复运动一小时以上。 实验结果:十分钟后初级线圈(水冷)温升趋于平衡,工作温度稳定在 69℃左右,远远低 于允许工作温度 (120℃) ,点击次级磁铁温升约 2℃。 可见直线电机初级线圈与次级磁铁 (定 子)的温升对机床的热影响有限,可通过补偿消除。 四、直线电机的其他典型应用 1.磁悬浮列车 磁悬浮列车是一种全新的列车(如图 5) ,其工作原理即为直线电机的工作原理。 一般的列车,由于车轮和铁轨之间存在摩擦,限制了速度的提高,它所能达到的最高运 行速度不超过 300km/h。磁悬浮列车是将列车用磁力悬浮起来,使列车与导轨脱离接触,以 减小摩擦,提高车速。列车由直线电机牵引。直线电机的一个级固定于地面,跟导轨一起延 伸到远处; 另一个级安装在列车上。 初级通以交流, 列车就沿导轨前进。 列车上装有磁体 (有 的就是兼用直线电机的线圈) ,磁体随列车运动时,使设在地面上的线圈(或金属板)中产 生感应电流,感应电流的磁场和列车上的磁体(或线圈)之间的电磁力把列车悬浮起来。悬 浮列车的优点是运行平稳,没有颠簸,噪声小, 所需的牵引力很小,只要几千瓦的功率就能使悬 浮列车的速度达到 550km/h。悬浮列车减速的时 候,磁场的变化减小,感应电流也减小,磁场减 弱,造成悬浮力下降。悬浮列车也配备了车轮装 置,它的车轮像飞机一样,在行进时能及时收入 列车,停靠时可以放下来,支持列车。 要使质量巨大的列车靠磁力悬浮起来,需要 很强的磁场,实用中需要用高温超导线圈产生这 图 5 磁悬浮列车 样强大的磁场。

2.用于航空母舰上的飞机弹射装置 美国电气与电子工程师(IEEE)学会《SPECTRUM ONLINE 网站》2004 年 11 月 12 日 报道,今年秋天,美海军开始测试两套使航空母舰弹射飞机的方式发生革命性变化的系统。 海军的想法是利用直线感应电动机, 通过一个先进的储能系统的能量极高速运动将飞机弹射 入空。电动机的概念类似磁悬浮列车系统采用的技术。 9 月份,两个系统的模型交付美海军 航空系统司令部在新泽西州的赫斯勒特湖 实验站,在那里,电磁飞机弹射系统 (EMALS)正在模拟弹射床(如图 6)上 进行试验。完全是原型系统的功能,但只 有半长弹射轨道,与 103 米长航空母舰上 要求的系统相反, 50 米长。 是 两个竞争的 公司是圣地亚哥的通用原子公司和森尼维 尔的诺斯罗普船用系统公司,各自竞争成 为弹射器的独立合同公司。获得第一的要 用在未来的 CVN-21 航空母舰上,这是美 海军下一代“全电力和全电子”化舰队的一 图 6 模拟弹射床 部分。 即使先进的核动力航空母舰今天还在使用几十年前的老技术--蒸汽弹射,来加速它们的 飞机——典型的有 F-14“雄猫”和 F/A-18“大黄蜂”, 重量达 33 吨, 2~3 秒内加速到 240km/h。 在 蒸汽弹射器是一个混乱的蒸汽管路、阀和液压系统的迷宫,是属于火车技术的范围。它的爆 发力来自非常大的由蒸汽驱动的活塞,其弹射机大而笨重,效率很低。 电磁飞机弹射系统具有更好的性能和和弹射控制范围, 适合弹射飞机的范围很广。 它将 加速飞机的重量约在 4.5~45 吨,弹射速度在 100~370km/h 之间,控制灵敏度灵活,这是 蒸汽弹射器不能达到的。 电磁飞机弹射系统的心脏是 103 米长的直线感应电动机,它推动与飞机相连接的电枢。 与磁悬浮列车发展形成对照, 磁悬浮列车的运动是漂浮在空气中, 而电磁飞机弹射系统是与 滚轮接触, 与一个滑架沿弹射器轨道的通道运行。 通用原子公司和诺斯罗普船用系统公司两 家公司的设计中,电枢基本上是一个 U 形铝块,装在定子的 3 个侧面。 电磁飞机弹射系统的直线电机是由旋转储能装置供应电力, 该储能装置从舰艇的配电系 统获得电力。根据美海军电磁飞机弹射系统计划主任里查德·布什威说,初始的电磁飞机弹 射系统概念包括飞轮和脉冲盘式发电机,后者避免使用更传统的发电机转子储存能量系统。 该计划主任又说, 能量储存系统是一个先进的技术成果, 但在竞争评估阶段不便于谈论更多 的技术细节,以免泄露专利信息。 由旋转系统的动能变成电能,并由固态电力调节系统向定子提供一个巨大的 2~3 秒的 电脉冲。该系统必须每 45 秒不断地提供这样的电脉冲,以便与当前的蒸汽弹射器的能力匹 配。 电力调节系统通过变换器将升高电压和频率的电流输入直线电机。 通过给马达电磁线圈 供电生成一个随电枢运动的运动电磁波。 驱动力来自高功率的可控硅整流器, 它能在高达几 千伏的电压作用下产生几万安培的电流。 由定子电流形成的电磁场加速电枢。 磁场推进的同 时,推动电枢和它的支架沿马达的长度运动,直到被弹射的飞机达到起飞速度为止。 电磁飞机弹射系统具有不断监视自身的闭路系统, 连续调节速度和功率, 以便适应每种 飞机机型的弹射剖面。 布什维说, 电磁飞机弹射器除具有较大控制灵活性之外, 其重量和大小只相当于蒸汽弹

射器的一半。消除了高压、高温蒸汽管路和阀的迷宫将减少值勤作业和战斗危险。由于使用 电力电子分系统,电磁飞机弹射系统的维修人员将少 30%。 未来电磁飞机弹射系统是模块化的,因此便于维修和改进时不同组件和分系统的交换。 五、直线电机的发展趋势 随着控制技术的不断发展,直线电机的控制技术也日趋成熟。目前,国内对于直线电机 控制系统的理论研究已经超过了对电机本体设计的研究,理论成果很多,但应用成果很少。 在不同的阶段,针对不同的直线电机,要有适合于不同的直线电机的不同控制方法。 (1)直线感应电机的控制仍然以矢量控制为主 直线感应电动机通常是调速的控制和 直线感应电机的控制仍然以矢量控制为主 要求精度不高的伺服控制, 目前虽然有许多直线感应电动机的控制方法, 但应用最多的仍然 是成熟的矢量控制。 (2)永磁直线电机向直接转矩控制技术方向发展 目前,永磁直线电机直接转矩控制 永磁直线电机向直接转矩控制技术方向发展 的研究和样品比较多, 而应用中的永磁直线电机仍有不少采用矢量控制, 这里有一些技术问 题尚需完善,但永磁直线电机总会向直接转矩控制技术方向发展。 (3)无位置传感器技术正在得到人们的重视 目前,不管是旋转电机还是直线电机, 无位置传感器技术正在得到人们的重视 无位置传感器技术正在得到人们的重视,研究很热,研究了很多的方法,但到目前为止,高 精度的直线电机无位置传感器技术尚未得到真正的应用。 目前看来,直线电机的研究和发展趋势为以下三点: ①点击本体技术向着永磁电机、各种伺服电机发展,更注意电机材料、结构与工艺方面 的改进和新的应用。 ②控制系统在成熟技术的基础上向新的控制方法发展。 ③市场方面向着智能化、低成本、长寿命以及新的应用市场发展。 六、小结 由以上内容可以看出,直线电机具有非常广阔的应用前景,在民用制造业、军用制造业 中都有非常大的研究价值。 然而目前在这个领域走在前沿的都是些西方工业发达的国家, 在 我们国内进行的研究还是不够到位。 虽然理论方面已经基本明了, 但还是难以大规模投入应 用。 作为机械专业的学术人才,应当以振兴制造业为己任,刻苦钻研,争取技术上的突破。 不只是在直线电机方面,在其他方面也要有所建树,以打破西方“一家独大”的局面,令中 华民族在世界工业强国之林中也有一席之地。


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