直线电机的原理及应用

直线电机发展史

1840年Wheatsone开始提出和制作了略具雏形的直线电机。从那时至今,在160多年的历史中,直线电机经历了三个时期。

1840~1955年为探索实验时期:

1956~1970年为开发应用时期:

1971年至今为实用商品时期:

我国直线电机的研究和应用发展是从20世纪70年代初开始的。

直线电机原理

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能,而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开,并展成平面而成。对应旋转电机定子的部分叫初级,对应转子的部分叫次级。在初级绕组中通多相交流电,便产生一个平移交变磁场称为行波磁场。在行波磁场与次级永磁体的作用下产生驱动力,从而实现运动部件的直线运动。

各系列直线电机分类及其特征

■无铁芯直线电机

无铁芯电机的线圈内部不存在铁芯,线圈继续在双磁路中间运行,典型形状如图

    • 无齿槽效应,容易实现更安定的运动,实现更高精度
    • 体积小重量轻,易实现高加速度运行

■有铁芯直线电机
有铁芯电机的线圈缠绕在铁芯上,可以产生更大的推力。

    • 推力密度高,在同等尺寸下提供更高的推力,可提供最大上万牛顿推力
    • 磁性吸引力,动子定子间会产生较大的磁性吸引力

■圆筒状直线电机

  • 圆筒状直线电机采用两端支撑机构,能简洁地替换丝杆机构。直线电机与旋转电机相比,主要有如下几个特点
    一是结构简单,由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置,因而使得系统本身的结构大为简化,重量和体积大大地下降;
    二是定位精度高,在需要直线运动的地方,直线电机可以实现直接传动,因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差,故定位精度高,如采用微机控制,则还可以大大地提高整个系统的定位精度;
    三是反应速度快、灵敏度高,随动性好。直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑,因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触,这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力,因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性;四是工作安全可靠、寿命长。直线电机可以实现无接触传递力,机械摩擦损耗几乎为零,所以故障少,免维修,因而工作安全可靠、寿命长。五是高速度。直线电机通过直接驱动负载的方式,可以实现从高速到低速等不同范围的高精度位置定位控制。直线电机的动子(初级)和定子(次级)之间无直接接触,定子及动子均为刚性部件,从而保证直线电机运动的静音性以及整体机构核心运动部件的高刚性。直线电机的行程可通过拼接定子来实现行程的无限制,同时也可以通过在同一个定子上配置多个动子来实现同一个轴向的多个独立运动控制。直线电机驱动的机构可以通过增强机构以及反馈元件的刚性以及精度,辅之以恒温控制等措施来实现超精密运动控制。 

    直线电机的几大优势:

    1、免维护

    2、无滚珠丝杆、齿轮箱、齿条与齿轮、传动带/皮带轮

    3、零回程间隙和柔度

    4、高刚度

    5、高定位精度

    6、紧凑的机械装配

    7、减少机器中的部件数量

    8、速度非常平稳

    9、静音运行

     

    机床应用直线电机的优势

    1高响应性
    一般来讲,电气元器件比机械传动件的动态响应时间要小几个数量级。由于系统中取消了响应时间较大的如丝杠等机械传动件,使整个闭环伺服系统动态响应性能大大提高。

    2高精度性
    由于取消了丝杠等机械传动机构,因而减少了传统系统滞后所带来的跟踪误差。通过高精度直线位移传感器,进行位置检测反馈控制,大大提高机床的定位精度,其精度误差可达0.001 μm。

    3高传动刚度、推力平稳
    ‘直接驱动’提高了传动刚度,直线电动机的布局,可根据机床导轨的形面结构及其工作台运动时的受力情况来布置,通常设计成均布对称,使其运动推力平稳。

    4高速度、加减速过程短
    机床直线电机进给系统,能够满足60~100 m/min或更高的超高速切削进给速度。由于具有高速响应性,其加减速过程大大缩短,加速度一般可达到(2~10)g。

    5行程长度不受限制
    通过直线电动机的定子铺设,就可无限延长动子的行程长度。

    6运行时噪声低
    取消了传动丝杠等部件的机械摩擦,导轨副可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨(无机械接触),使运动噪声大大下降。

    优势:

    静/动态刚度高:采用直线电机驱动,电机直接和负载连接,不存在中间机械传动的传动间隙(齿轮间隙,丝杠/螺母间隙),即零间隙,高刚度(低柔性);同时避免了高速运动时在启动、变速和换向阶段因多个传动环节的弹性变形导致的机械谐振现象,整个伺服执行机构的静态刚度和动态刚度均大大提高,从而容易获得较高的 Kv 因子

     

    劣势:

    由于直线电机本身所具有的磁路开断所引起的边端效应以及安装气隙较大等问题,故在一些直线运动的装置或系统中,是否采用新型的直线电机来驱动,要权衡利弊得失

共有 3 条评论

  1. 温新

    学习了

  2. 机械小王子

    谢谢分享

  3. 勇哥

    多分享点技术类的学习下

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