河南机电高等专科学校先进制造技术课程论文论文题目:直线电机概述机械制造及其自动化学生姓名：指导老师：20**年10月26绪论电能是能量的一种形式，与别的形式的能量相比，它适宜与大量生产、远距离传输和自动控制，因此，被大范围的应用在工农业及人类生活中。电机是电能生产、输送和应用的能量转换装置，在电力工业、工矿企业、农业、交通运输业、国防、科学文化及日常生活等方面都是十分重要的设备。而直线电机在发展中也扮演着无法替代的角色，直线电机将电能直接转化为直线运动的机械能,不仅省略了中间传动机构,而且降低了系统损耗,非常适用于直线直驱式系统,其研究发展的主要方向是电机本体优化设计和驱动控制技术，后者主要涉及电力电子和自动控制领域,是提高电机调速性能的必要手段,也是现代直线电机研究的重点内容。直线电机概念的提出至今至少有150年的历史了，而专利则要追溯到1841年，1869年在巴黎举行的世博会上Girard演示了他的“漂浮的列车”。在20纪40年代因为西屋电气公司“电弹器”的发展使得直线电机重新发展，它可以使10000马达的飞机在4.2s内加速到115m/h.电力电子，超导磁体和控制理论的发展使得直线电机日渐重要，特别是运输设备。本论文介绍了直线电机的概述、原理、结构、特点、分类、发展历史、及与传统电机比较以及实际应用分析。第一章直线引言许多直线驱动装置或系统都是采用旋转电动机通过中间转换装置，例如链条、钢丝绳、皮带、齿条或丝杆等机构转换为直线运动的。由于这些装置或系统有中间转换传动机构，所以整机存在着体积大、效率低、精度差等问题。直线电机主要是直线电动机，它是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需任何中间转换机构的传动装置。它是20世纪下半叶电工领域中具有新原理、新理论的新技术，如图1-1所示。它所具有的特突优势，已越来越引起了人们的重视，不久的将来，它将象微电子技术和计算机技术一样，在人类的所有的领域中得到普遍的应用。1.2直线电机的工作原理和基本结构直线电机可以看做由旋转电机沿径向剖开并展平而成,两者的结构示意图如图1-2所示。旋转电机的定子对应于直线电机的初级,旋转电机的转子对应于直线电机的次级。从图中能够正常的看到,旋转电机的转子相对于定子产生旋转运动,而直线电机的次级则相对于初级作直线运动。在实际应用中,直线电机既有采用动次级结构的,也有釆用动初级结构的,因此通常把直线电机的运动部分称为动子,静止部分称为定子。与旋转电机的工作原理相同,直线电机初、次级能够产生相对运动也是由于气隙磁场的作用,不同的是旋转电机中产生的磁场为旋转磁场,而直线电机中为行波磁场,输入电能通过行波磁场转化为电磁推力,从而驱使直线电机的初级和次级产生相对运动。直线电机初级或次级产生相对运动,为了能够更好的保证两者之间的有效气隙范围保持不变,初级长度和次级长度不相等,分为长初级短次级、短初级长次级两种结构。由于初级制造费用一般要高于次级、而且存在长距离通电或分段供电的问题,所以直线电机通常釆用短初级长次级结构。直线电机的形状多种多样,分为扁平型结构,圆筒型(管型)结构,弧型结构等,其中扁平型结构应用最为广泛,图l-2(b)所示为扁平型结构直线电机,其中又可分为单边型结构与双边型结构两种。单边型结构是指次级仅有一侧安放初级,该结构的缺点是初级、次级之间有很大的法向力,通常是电磁推力的好几倍,对电机的结构与安装会产生一定影响;双边型结构则是在次级两侧安放初级(或者在初级两侧安放次级),其优点是两侧的法向力可以相互抵消,同时提高了电机的加速度。1.3直线电机的特点：直线电机直接产生直线运动而不需要任何中间转换机构,非常适合于直线运动场合。与传统旋转电机相比,采用直线电机驱动的装置具有以下优点:(1)直线电机直接产生直线运动,动子一般和负载直接相连,省去了丝杠、齿轮或者链条等中间传动机构,提高了传递效率。(2)直线电机不仅本身结构相对比较简单,而且中间传动连接附件少,从而简化了运动系统结构,提高了系统的可靠性,减小了机械摩擦带来的噪声干扰。(3)直线电机加速度大,可以在短行程内产生极高的直线)直线电机不受离心力束缚,因此直线)直线电机初级具有规则形状,安放电枢绕组之后能够正常的使用环氧树脂等进行封装,使其不易受雨水以及化学气体或液体的侵蚀,可应用于恶劣工作环境中。由于直线电机的固有结构及形式,与旋转电机相比,也存在一些没办法避免的缺(1)直线电机的结构具有多样性,其结构根据应用场合的不同千差万别,与已图1-2旋转电机与直线电机结构示意图经系列化的旋转电机相比,直线电机主要使用在于一些特殊场合,需求量少,生产厂商也较少,很难形成统一的、规格化的直线电机配件,因此限制了直线)由于材料、加工精度和电气性能等问题造成直线电机的气隙比旋转电机的大,直线电机的效率和功率因数均低于同等规格的旋转电机。(3)直线电机具有开断的初级结构,磁场不对称,由此产生了端部效应,?由于端部效应存在使励磁电流存在畸变,带来了推力波动等问题。(4)直线电机的机械加工精度要求高,成本比较高。第二章直线电机的分类及与传统电机的比较2.1直线电机的分类按照不同标准可以将直线电动机分成多种类型。按照工作电源类型可大致分为直流直线电动机和交流直线电动机;其中交流直线电动机按照工作原理可分为直线感应电动机和直线同步电动机,直线同步电动机根据励磁方式的不同又分为永磁式、电磁式、混合励磁式直线电动机等。除此以外还有一些特种直线电机称为直线驱动器,比如直线振荡驱动器,直线超声波电动机等。同步直线电动机的原理：直线同步电动机与直线异步电动机一样也是由旋转电机演化来的，其工作原理与旋转电机一样。直线同步电动机的磁极一般有直流励磁绕组励磁，或有永磁体励磁。在定子绕组产生的气隙行波磁场与磁极磁场的共同作用下，气隙磁场对磁极动子产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，如果初级是固定不动的，那么次级就沿着行波磁场的运动方向做直线运动。磁极运动的速度v就与行波磁场的移动速度一致。同步直线电机与异步直线电机在性能、使用范畴上有何区别：直线异步电动机具有：成本低，相同容量的异步电动机的体积是同容量的同步电动机的6右,常用变频器做速度控制，用于精度要求不是很高的场合。直线同步电动机具有更大的驱动力，其控制性能，位置精度更好，体积小，重量轻，且具有发电制动功能。永磁直线同步电动机可应用于各种精密加工设施上。但是成本相比来说较高。永磁体性能的提高和价格的下降，以及由永磁取代绕线式转子中的励磁绕组所带来的一系列优点:如转子无发热问题、控制管理系统简单、具有较高的运行效率和较高的工作速度等。动圈式直线电机与动磁式直线电机：永磁直线电动机能做成动磁型，也能做成动圈型。只要使永磁体产生的磁通由绕组通入直流电励磁产生，任何一种永磁式直线电动机都可以改为电磁式直线电动机。动圈型结构具有体积小，成本低和效率高等优点。用于计算机硬盘驱动器的音圈电机就是一种动圈型永磁直线直流电动机。动磁式直线电机没有线圈端部，电枢绕组得到完全利用；气隙均匀， 消除电枢和磁极间的吸力。动圈式直线电机的动子惯量小，响应快；由于有导线 连结，行程一般较小。动磁式与上述刚好相反。 筒型直线电机和平板型直线电机的本质区别：直线电机是从普通旋转电机演 变来的，如果将普通旋转电机的圆筒型定子，转子剖开拉直，就成了平板型结构 的直线电机，如果再把这种扁平的初级，次级卷绕在一根与磁场运动方向平行的 轴上，即可得到一种与平板型直线电机完全不同的圆筒型直线电机。圆筒型直线 电机的工作原理与直线电机的原理相似，当在初级绕组通入交流电源时，便在气 隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应电动势并产生电流，该电流 与气隙中的磁场相互作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力的作用 下做直线运动。反之，则初级作直线运动。它把电能直接转变为直线运动的机械 能而无中间变换装置。圆筒型直线电机也可分为同步式和感应式两类。 2.2 直线电机和传统的旋转电机与滚珠丝杠运动系统的比较 在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别 是取消了从电机到工作台（拖板）之间的物理运动环节，把机床进给传动链的长 度缩短为零，因而这种传动方式又被称为零传动。正是由于这种零传动方式， 带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。 高速响应由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的物理运动件 使整个闭环控制管理系统动态响应性能大幅度的提升，反应异常灵敏快捷。 精度直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差， 减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制， 即可大幅度的提升机床的定位精度。 动刚度高由于直接驱动，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节 的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚 速度快、加减速过程短由于直线电动机最早大多数都用在磁悬浮列车（时速 可达500Km/h），所以用在机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进个速 度（要求达60～100M/min 或更高）当然是没问题的。也由于上述零传动的 高速响应性，使其加减速过程快速缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行 时又能瞬间准停。可获得较高的加速度，一般可达2～10g，而滚珠丝杠传动的 最大加速度一般只有0.1～0.5g。 行程长度不受限制在导轨上通过串联直线电动机，就可以无限延长其行 程长度。 6.运动动安静、噪音低 由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又 可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨，其运动时噪音将大幅度的降低。 7.效率高 由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率 大幅度的提升。 编号 比较内容 直线电机 旋转电机+丝杆 最大推力14500 最大加速度100 米/秒*秒(10G) 最大行程50 运行平稳 高速有噪音 反向间隙直接驱动 3-50um(有中间物理运动 部件) 10效率 11成本 12主要使用在 响应快、速度和精度要求 高的场合 普通应用 第三章 直线 直线电机的应用 直线电机凭借高速度、高加速、高精度及行程不受限制等特性在物流系统、 工业加工与装配、信息及自动化系统、交通与民用以及军事等领域发挥着十分重 要的作用。 直线电机主要使用在场合：一是应用于自动控制系统，这类应用场合比较多； 其次是作为长期连续运行的驱动电机；三是应用在需要短时间、短距离内提供巨 大的直线 有以下许多设备是采用直线 轨道炮和弹射器 它可以在极短的距离内达到极大的加速度（100g）和 极高的速度（超过 1000m/s），这个动能为各种武器装备的开发提供了足以实施 的可能。同样，这种电磁发射器技术非常适合于在航空母舰上发射飞机。