直線電動機(jī).doc

直流電動機(jī) 直線電動機(jī)不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)就能產(chǎn)生直線運(yùn)動，驅(qū)動直線運(yùn)動的生產(chǎn)機(jī)械，因此可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、精度和效率高。由于具有以上優(yōu)點(diǎn)，直線電動機(jī)應(yīng)用非常廣泛。直線電動機(jī)的類型很多，從原理上講，每一種旋轉(zhuǎn)電動機(jī)都有與之相對應(yīng)的直線電動機(jī)。直線電動機(jī)按其工作原理可分為直線感應(yīng)電動機(jī)、直線直流電動機(jī)、直線同步電動機(jī)、 直線步迸電動機(jī)等。按結(jié)構(gòu)形式可分為扇平型、圓筒型（或管型）、圓盤型和圓弧型4種。此外還有一些特殊的結(jié)構(gòu)。一、直線感應(yīng)電動機(jī)（一）、直線感應(yīng)電動機(jī)的主要類型和基本結(jié)構(gòu)直線感應(yīng)電動機(jī)主要有扁平型、圓筒型和圈盤型3種類型其中，扁平型應(yīng)用最為廣泛。1.扁平型直線電動機(jī)可以看作是由旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)電動機(jī)演變而來的。設(shè)想把旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動機(jī)沿徑向剖開，并將圓周展開成直線，即可得到扁平型直線感應(yīng)電動機(jī)，如圖9-1所示。由定子演變而來的一側(cè)稱為一次側(cè)，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為二次側(cè)。圖9-1b所示的直線感應(yīng)電勃機(jī)，其一次側(cè)和二次側(cè)長度是相等的。由于運(yùn)行時(shí)一次側(cè)和二次側(cè)之間要作相對運(yùn)動，為了保證在所需的行程范圍內(nèi)，一次側(cè)和二次側(cè)之間的電磁耦合始終不變，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須把一次側(cè)和二次側(cè)制造成不同長度，既可以是一次側(cè)長、二次側(cè)短，也可以是一次側(cè)短，二次側(cè)長。前者稱為長一次側(cè)，后都稱短一次側(cè)，如圖9-2所示。由于短一次側(cè)結(jié)構(gòu)比較簡單，制造成本和運(yùn)行費(fèi)用均比較低，故除特殊場合外，一般均采用短一次側(cè)。圖9-2所示的扁平型直線感應(yīng)電動機(jī)，僅在二次側(cè)的一邊具有一次側(cè)，這種結(jié)構(gòu)形式稱為單邊型。它的最大特點(diǎn)是在次側(cè)和二次側(cè)之間存在較大的法向吸力，這在大多數(shù)場合下是不希望發(fā)生的。若在二次側(cè)的兩邊都裝上一次側(cè),則法向吸力可以互相抵消，這種結(jié)構(gòu) 形式稱為雙邊型，如圖9-3所示。扁平型直線感應(yīng)電動機(jī)的次側(cè)鐵心由硅鋼片疊成，與二次側(cè)相對的一面開有槽，槽中放置繞組。繞組可以是單相、兩相、三相或多相的。二次側(cè)有兩種結(jié)構(gòu)類型：一種是柵型結(jié)構(gòu)，鐵心上開槽，槽中放置導(dǎo)條；并用端部導(dǎo)條連接所有槽中導(dǎo)條；另一種是實(shí)心結(jié)構(gòu)，采用整塊均勻的金屬材料，可分為非磁性二次側(cè)和鋼二次側(cè)。非磁性二次側(cè)的導(dǎo)電性能好，一般為銅或鋁。2.圓筒型（管型）：將圖2a所示的扁平型直線感應(yīng)電動機(jī)沿著和直線運(yùn)動相垂直的的方向卷成筒形，就形成了圓筒型直線感應(yīng)電動機(jī)，如圖9-4所示。在特殊場合，這種電動機(jī)還可以制成既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動又有直線運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)直線電動機(jī)。旋轉(zhuǎn)直線的運(yùn)動體可以是一次側(cè)，也可以是二次側(cè)。；3.圓盤型圓盤型直線感應(yīng)電動機(jī)如圖9-5所示。它的二次側(cè)做成扁平的圓盤形狀，能繞通過圓心的軸自由轉(zhuǎn)動：將一次側(cè)放在二次側(cè)圓盤靠外邊緣的平面上，使圓盤受切向力作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。但其運(yùn)行原理和設(shè)計(jì)方法與扁平型直線感應(yīng)電動機(jī)相同，故仍屬直線電動機(jī)范疇。與普通旋轉(zhuǎn)電動機(jī)相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)速度可以通過多臺一次側(cè)組合或者通過一次側(cè)在圓盤上的徑向位置來調(diào)節(jié)。2）無需經(jīng)過齒輪減速箱就能得到較低的轉(zhuǎn)速，因而電動機(jī)的振動和噪聲很小。（二）、直線感應(yīng)電動機(jī)的基本工作原理直線感應(yīng)電動機(jī)是由旋轉(zhuǎn)電動機(jī)演變而來。當(dāng)一次側(cè)的三相（或多相）繞組通入對稱正弦交流電流時(shí)，會產(chǎn)生氣隙磁場。當(dāng)不考慮由于鐵心兩端開斷而引起的縱向邊緣效應(yīng)時(shí)， 這個(gè)氣隙磁場的分布情況與旋轉(zhuǎn)電動機(jī)相似，沿著直線方向按正弦規(guī)律分布。但它不是旋轉(zhuǎn)而是沿著直線平移，稱為行波磁場，如圖9-6中曲線所示。顯然行波磁場的移動速度與旋轉(zhuǎn)磁場在定子內(nèi)圓表面上的線速度是一樣的。行波磁場移動的速度稱為同步速度，即式中 D-旋轉(zhuǎn)電動機(jī)定手內(nèi)圓周的直徑；-極距，=D/2pp-極對數(shù)f1一電源的頻率。行波磁場切割二次側(cè)導(dǎo)條，將在導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，導(dǎo)條的電流和氣隙磁場相互作用，產(chǎn)生切向電磁力。如果一次側(cè)固定不動，則二次側(cè)便在這個(gè)電磁力的作用下，順著行波磁場的移動方向作直線運(yùn)動。若二次側(cè)移動的速度用v表示，轉(zhuǎn)差率用s表示，則有在電動狀態(tài)時(shí)，S在0和1之間。 二次側(cè)的移動速度為可見，改變極距或電源頻率，均可改變二次側(cè)移動的速度；改變一次繞組中通電相序，可改變二次側(cè)移動的方向。（三）、直線感應(yīng)電動機(jī)的工作特性圖9-7分別示出了直線感應(yīng)電動機(jī)的推力轉(zhuǎn)差率特性和旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差率特性。旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩一般出現(xiàn)在較低的轉(zhuǎn)差處，而直線感應(yīng)電動機(jī)的最大推力則發(fā)生在高轉(zhuǎn)差處，即s=1附近。因此，直線感應(yīng)電動機(jī)的起動推力大，在高速區(qū)推力小。它的推力速度特性近似為一直線，具有較好的控制品質(zhì)，如圖9-8所示。它的推力可由下式求得:（四）、直線感應(yīng)電動機(jī)的邊緣效應(yīng) 1.縱向邊緣效應(yīng)由于直線感應(yīng)電動機(jī)的一次側(cè)鐵心是長直的，兩端開斷形成兩個(gè)縱向邊緣，又因?yàn)殍F心及槽中的繞組在兩端不連續(xù)，使各相之間的互感不相等。即使一次側(cè)繞組的供電交流電壓對稱，也會使各相繞組中產(chǎn)生不對稱的電流。它除了正序電流分量外，還會出現(xiàn)負(fù)序和零序電流分量。負(fù)序電流分量引起負(fù)序反向行波磁場，零序電流分量引起零序脈振磁場，這都將在二次側(cè)運(yùn)行的過程中產(chǎn)生阻力和附加損耗。此現(xiàn)象稱直線感應(yīng)電動機(jī)的靜態(tài)縱向邊緣效應(yīng)。直線感應(yīng)電動機(jī)二次側(cè)運(yùn)動時(shí)，還存在另一種邊緣效應(yīng)，稱為動態(tài)縱向邊緣效應(yīng)，如圖 9-9所示。設(shè)在二次側(cè)導(dǎo)體上有一閉合回路，當(dāng)它從位置S1進(jìn)入到一次側(cè)鐵心下面的位置s2時(shí)，它將切割磁力線，回路內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，該電流反過來要影響磁場的分布，這種效應(yīng)稱為入口端邊緣效應(yīng)。當(dāng)閉合回路從位置s4移動到位置s5時(shí)，閉合回路內(nèi)的磁通又一次變化，又將引起感應(yīng)電動勢和電流，并影響磁場變化，這種效應(yīng)稱為出口邊緣效應(yīng)。這種邊緣效應(yīng)同樣會產(chǎn)生附加損耗和附加力?？v向邊緣效應(yīng)都將增加附加損耗，減小直線電動機(jī)的有效輸出，影響直線電動機(jī)的運(yùn)行特性。如何改善縱向邊緣效應(yīng)對直線電動機(jī)的影響，是目前正在研究的課題之一。2.橫向邊緣效應(yīng)當(dāng)直線感應(yīng)電動機(jī)的二次側(cè)采用實(shí)心結(jié)構(gòu)時(shí)，在行波磁場的作用下，二次側(cè)導(dǎo)電板中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而產(chǎn)生渦流形狀的感應(yīng)電流。該電流對氣隙磁場沿橫向分布的影響，稱為直線電動機(jī)的橫向邊緣效應(yīng)。圖9-10a所示為二次電流和氣隙磁通密度的分布情況。圖中L是一次側(cè)鐵心橫向?qū)挾?，C是二次側(cè)導(dǎo)電板橫向伸出一次側(cè)鐵心的長度。從二次電流路徑圖上可以看出，它包含有縱向分量Ix和 橫向分量Iz。電流的橫向分量只改變合成氣隙磁通密度的幅值，而不改變它的分布形狀；電流的縱向分量對空載氣隙磁場有去磁作用，而且在電流分布越密集的地方去磁作用越強(qiáng)，使合成氣隙磁通密度沿橫軸的分布呈馬鞍狀，它與空載氣隙磁通密度的分布形狀(見圖9 10b中的虛線）明顯不同。橫向邊緣效應(yīng)的存在，使直線電動機(jī)的平均氣隙磁通密度降低，電動機(jī)的輸出功率減小。同時(shí)，二次側(cè)導(dǎo)電板的損耗增大，電動機(jī)的效率降低。橫向邊緣效應(yīng)的大小，與二次側(cè)導(dǎo)電板橫向伸出一次側(cè)鐵心的長度C與極距的比值有關(guān)，比值越大， 橫向邊緣效應(yīng)越小?？梢娨淮蝹?cè)和二次側(cè)相等寬度的直線感應(yīng)電動機(jī)的橫向邊緣效應(yīng)要大些。二、直線直流電動機(jī)直線直流電動機(jī)通常做成圓筒型。它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行效率高，控制較方便、靈活并且和閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)合可精密控制其位移、速度和加速度，控制范圍廣，調(diào)速平滑性好。它的缺點(diǎn)是：存在帶繞組的電樞和電刷。直線直流電動機(jī)應(yīng)用非常廣泛，如在工業(yè)檢測、自動控制、信息系統(tǒng)以及其他技術(shù)領(lǐng)域中都有應(yīng)用。直線直流電動機(jī)類型較多，按勵(lì)磁方式可分為永磁式和電磁式兩大類。前者多用于驅(qū)動功率較小的場合，如自動控制儀器、儀表；后者多用于驅(qū)動功率較大的場合。（一）永磁式直線直流電動機(jī) 永磁式直線直流電動機(jī)的磁極由永久磁鐵做成，按其結(jié)構(gòu)特征可分為動圈型和動鐵型兩種。動圈型在實(shí)際中用得較多。如圖9-11所示，在鐵架兩端裝有極性同向的兩塊永久磁鐵，當(dāng)移動繞組中通直流電流時(shí)，便產(chǎn)生電磁力。只要電磁力大于滑軌上的靜摩擦阻力，繞組就沿著滑軌作直線運(yùn)動，運(yùn)動的方向由左手定則確定。改變繞組中直流電流的大小和方向，即可改變電磁力的大小和方向。電磁力的大小為在上述基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，動圈型永磁直線直流電動機(jī)還有其他的實(shí)用結(jié)構(gòu)。按結(jié)構(gòu)特性可分為兩類，第一類是帶有平面矩形磁鐵的動圈型直線永磁式直流電動機(jī)，如圖9-12所示。它的結(jié)構(gòu)簡單，但繞組總體沒有得到充分利用；在小氣隙中，活動系統(tǒng)的定位較困難； 漏磁通大，即磁鐵未得到充分利用。第二類是帶有環(huán)形磁鐵的動圈型直線永磁式直流電動機(jī)，如圖9-13所示。其結(jié)構(gòu)主要是圓筒型的，繞組的有效長度能得到充分利用。動鐵型直線永磁式直流電動機(jī)如圖9-14所示，在一個(gè)軟鐵框架上套有繞組，該繞組的長度要包括整個(gè)行程。為了降低電能的消耗，利用安裝在磁極上的電刷把電流引入繞組中。這樣，當(dāng)磁鐵移動時(shí)，電刷跟著滑動，只讓繞組的工作部分通電，其余不工作的部分沒有電流流過。由于電刷的存在，降低了運(yùn)行的可靠性和壽命，另外由于電樞較長，電樞繞組用銅量較太大。其優(yōu)點(diǎn)是電動機(jī)行程可做得很長，還可做成無接觸式直線直流電動機(jī)。（二）、電磁式直線直流電動機(jī)任一種永磁式直線直流電動機(jī)，只要把永久磁鐵改成電磁鐵，就成為電磁式直線直流電動機(jī),它同樣也有動圈型和動鐵型兩種。圖9-15所示為電磁式動圈型直線直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)勵(lì)磁繞組通電后產(chǎn)生磁通并與移動繞組的通電導(dǎo)體相互作用產(chǎn)生電磁力，克服滑軌上的靜摩擦力，移動繞組便作直線運(yùn)動。對于動圈型直線直線電動機(jī)，電磁式的成本要比永進(jìn)式低。這是因?yàn)橛来潘玫挠来挪牧显谡麄€(gè)行程上都存在，而電磁式只用一般材料的勵(lì)磁繞組即可；永磁材料質(zhì)硬，機(jī)械加工費(fèi)用大；電磁式可通過串、并聯(lián)勵(lì)磁繞組和附加補(bǔ)償繞組等方式改善電動機(jī)的性能，靈活性較強(qiáng)。但電磁式比永磁式多了一項(xiàng)勵(lì)磁損耗。電磁式動鐵型直線直線電動機(jī)通常做成多極式。圖9 - 16所示為三磁極式直線直流電動機(jī)。當(dāng)環(huán)型勵(lì)磁繞組通電時(shí)，便產(chǎn)生磁通，徑向穿過氣隙和電樞繞組，在鐵心中由徑向過度到軸向，形成閉合回路，如圖9-16中虛線所示。徑向氣隙磁場與通電的電樞繞組相互作用產(chǎn)生軸向電磁力，推動磁扱作直線運(yùn)動。當(dāng)這種電動機(jī)用于短行程和低速移動時(shí)，可以省掉滑動的電刷。如果行程很長，為了提高效率，同永磁式直線電動機(jī)一樣，在磁極上裝上電刷，使電流只在電樞繞組的工作段流過。三、直線和平面步進(jìn)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動機(jī)由于有很多優(yōu)點(diǎn)，已成為除直流伺服電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)外的第三大類執(zhí)行電動機(jī)。但在許多自動裝置中，要求某些機(jī)構(gòu)能夠快速地作直線或平面運(yùn)動，而且要保證精確的定位，在這種情況下，使用直線步進(jìn)電動機(jī)或平面步進(jìn)電動機(jī)最合適。一、直線步進(jìn)電動機(jī)直線步進(jìn)電動機(jī)有多種結(jié)構(gòu)類型，按其電磁推力產(chǎn)生的原理可分為反應(yīng)式和混合式兩種。.反應(yīng)式直線步進(jìn)電動機(jī)圖-所示為一臺三相反應(yīng)式直線步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理。它的定子和動子鐵心都由硅鋼片疊成，定子上、工表面都有均勻的齒，動子極上裝有三相控制繞組，每個(gè)極面也有均勻的齒，動子與定子的齒距相同：反應(yīng)式電動機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)式電動機(jī)完全相同，當(dāng)某一相控費(fèi)繞組通電時(shí)，該相動子的齒與定子的齒對齊，使磁路的磁阻最小，相鄰的相的動子齒軸線與定子軸線錯(cuò)開1/3齒距：顯然，當(dāng)控制繞組按-的順序通電時(shí)，動子將以 1/3 齒距的步距移動。當(dāng)通電順序改為A-C-B-A時(shí)，動子則向相反方向步進(jìn)移動。若為六拍則步距減小1/2。.混合式直線步進(jìn)電動機(jī)混合式直線步進(jìn)電動機(jī)的磁場推力，不僅和各相控制繞組通入的脈沖電流大小有關(guān)，而且還和永久磁鐵所產(chǎn)生磁場的大小有關(guān)。當(dāng)各相控制繞組中的電流按某一規(guī)律變化時(shí)，使各極下磁場位置發(fā)生變化，從而產(chǎn)生磁場推力，使步進(jìn)電動機(jī)的動子在某個(gè)方向上產(chǎn)生直線運(yùn) 動:圖-所示為混合式直線步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。它的定子和反應(yīng)式直線步進(jìn)電動機(jī)相同。動子由一塊永久磁鐵和兩個(gè)“”型電磁鐵組成，其上面裝有A相和B相控制繞組，電磁鐵的鐵心由硅鋼片疊成。磁極1與2或磁極3與4之間距離為定子齒距的（1/2）倍，其中取正整數(shù)。圖9-18中，即磁極1與2和磁極3與4之間的距離為定子齒距的1.5倍。這樣，磁極1（或磁極3）和定子的齒對齊時(shí)、磁極2（或磁極 4）正好對著定子槽。而磁極2和磁極3之間的距離應(yīng)為定子齒距的（2 1/4）倍，其中2取整數(shù)。圖9-18中，2，即磁極2與磁極3之間的距離為定子齒距的.倍。當(dāng)電磁鐵繞組中沒有通電時(shí)，永久磁鐵向所有的磁極提供大致相等的磁通，即/（是永久磁鐵的總磁通），其磁通的方向如圖9-18中的虛線所示。此時(shí)動子上沒有水平推力，動子可以穩(wěn)定在任何隨機(jī)位置上。當(dāng)A相繞組中通入正向電流時(shí)，電流方向和磁通的路徑如圖9-18中的實(shí)線所示。這時(shí)在磁極1中的磁通和永久磁鐵的磁通同方向，而在磁極2中的磁通和永久磁鐵的磁通反方向，二者互相抵消，接近于零。顯然，此時(shí)磁極1所受的電磁力最大，磁極2所受的電磁力幾乎為零。由于相繞組沒有通過電流，磁極3和4在水平方向的力為大小相等，方向相反，相互抵消。動子的運(yùn)動由磁極1所受的電磁力決定，磁極1必然要運(yùn)動到和定子齒1對齊的位置，如圖9 -18c所示的位置，即動子在水平電磁力的作用下向右移動了1/4齒距。當(dāng)B相繞組斷電，給A相繞組通人正向電流IA，其方向如圖9-18d所示。同理磁極2的磁通為最大，磁極1中的磁通接近于零，磁極2所受的電磁力最大，使磁極2對準(zhǔn)定子齒3 ，動子由圖9 - 1813所示的位置移動到圖9 180所示的位置，即動子在水平電磁力的作用下沿水平方向向右移動了 1/4齒距。同理，A相繞組斷電，給B相繞組通人正向電流IB,動子沿水平方向再向右移動了 1/4齒距，使磁極3和定子齒5對齊，如圖9-18e所示0依次類推，這種情況如兩相單四拍運(yùn)行方式，經(jīng)過四拍，動子沿水平方向右移動了一個(gè)定子齒距。若要使動子沿水平方向向左移動，只需將以上4個(gè)階段的通電順序倒過來即可。在實(shí)際使用中，為減小步距，削弱振動和噪聲，可采用類似細(xì)分電路的電源供電，使電動機(jī)實(shí)現(xiàn)微步距移動。也可以在A相和B相繞組中同時(shí)加入交流電，若A相繞組中通入正弦電流，則B相繞組中通人余弦電流。這種控制方式由于電流是連續(xù)變化的，電動機(jī)的電磁力也是逐漸變化的，既有利于電動機(jī)起動，又可使電動機(jī)的動子平滑移動，振動和噪聲也很小。（二）、平面步進(jìn)電動機(jī) 平面步進(jìn)電動機(jī)是由兩臺動子成正交排列的直線步進(jìn)電動機(jī)構(gòu)成。定子制成平面型，上面開有X軸和Y軸方向的齒槽,定子齒排成方格形。兩個(gè)正交排列的動子安裝在同一動子機(jī)架上，如圖 9-19所示。其中一臺動子沿著X軸方向移動，另一臺動子沿著Y軸方向移動，這樣動子機(jī)架就可以在XY平面上作任意幾何軌跡的運(yùn)動，并能定位在平面的任何一點(diǎn)上。在實(shí)際使用時(shí)，還需在編制控制程序時(shí)采用適當(dāng)?shù)拇胧┦箘幼幽軌蚣铀倩蛑苿印Ａ硗猓矫娌竭M(jìn)電動機(jī)還可以采用氣墊裝置，將動子支承起來，使它不與定子間相互摩擦，實(shí)現(xiàn)快速移動。四、 直線電動機(jī)應(yīng)用舉例直線電動機(jī)能直接產(chǎn)生直線運(yùn)動，可省去中間的機(jī)械傳動裝置，在交通運(yùn)輸、機(jī)械工業(yè) 和儀器儀表工業(yè)等技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。一、高速列車?yán)弥本€電動機(jī)驅(qū)動的高速列車-磁懸浮列車是直線電動機(jī)應(yīng)用的典型一例。它的時(shí)速可達(dá)40/h以上。磁懸浮列車就是采用磁力懸浮車體，應(yīng)用直線電動機(jī)驅(qū)動技術(shù)，使列車在軌道上浮起滑行。其突出優(yōu)點(diǎn)是速度快、舒適、安全、節(jié)能等。磁懸浮列車按其機(jī)理可分兩類：1.常導(dǎo)吸浮型常導(dǎo)吸浮型是用一般的導(dǎo)電線圈，以異性磁極相吸的原理，使列車懸浮在軌道上，通常由感應(yīng)或同步直線電動機(jī)驅(qū)動。圖9-20所示為常導(dǎo)吸浮型直線電動機(jī)的組成。它的時(shí)速可設(shè)計(jì)為幾百公里/小時(shí)，磁懸浮高度一般在10mm左右。它是將直線感應(yīng)電動機(jī)的短一次惻安裝在車輛上，由鐵磁材料制成的軌道為長二次側(cè)，同時(shí)在車上還裝有懸浮