2009年第1期
唐丽婵,等:基于LabVIEW 的无线远程温度监控系统
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文章编号:1674-540X(2009)01-025-07
收稿日期:2009-01-15
作者简介:王振滨(1973-),男,博士研究生,主要从事分数阶线性系统和电气传动方面的研究工作,E mail:wangzhenbing@https://www.doczj.com/doc/286878748.html,
直线电机开发及应用研究
王振滨1, 余鹿延2, 周守国3
(1.上海电气集团股份有限公司中央研究院,上海200070;
2.上海赛科现代交通设备有限公司,上海200023;
3.上海捷晟电机有限公司,上海200075)
摘 要:介绍了直线电机国内外的发展现状,指出永磁同步直线电机将是直线电机今后的发展方向。阐述了永磁同步直线电机的磁阻力产生的原因及其造成的推力波动对永磁同步直线电机控制性能的影响,并归纳出减小磁阻力的方法。最后简要介绍了上海电气中央研究院在开展永磁同步直线电机研究及应用的情况。
关键词:永磁同步直线电机;磁阻力;控制;开发与应用中图分类号:T M 33 文献标识码:A
The Development and Application Research of Linear Motors
W A N G Zhenbin 1
,YU L uyan 2
,ZH O U S houguo
3
(1.Shang hai Elect ric Group Co.Lt d.Cent ral A cademe,Shang hai 200070,China;2.Shanghai SEC M odern Traffic Equipment Co.Ltd.,Shanghai 200023,China;
3.Shanghai Jie Sheng M ot or Co.,Ltd.,Shanghai 200075,China)
Abstract:It intro duces the up to date researches o f linear mo to rs hom e and abro ad,and points out permanent magnet linear synchronous m otors (PMLSM )w ill be the development dir ectio n of linear motor s in the future.T he r easo ns orig inated fr om detent for ce of PM LSMs are illustrated as w ell as the influences of the thrust force r ipple caused by it on the control per for mances of PM LSMs,and the methods o f reducing detent force is summed up.Finally,a brief introduction is g iven of the researches and applications of PM LSM s made by Shanghai Electr ic Gr oup Co.Ltd.Centr al A cademe.
Key words:PM LSM;detent force;contr ol;development and applicatio n
1 直线电机国内外研究现状
1.1 快速发展的永磁直线电机技术
永磁直线电动机具有结构简单、体积小、无电
励,效率高、单位推力大等优点,随着稀土永磁材料、电磁场数值计算与分析、智能控制理论以及计算机技术的不断发展,永磁直线电动机的发展越来越快,己成为学术研究和开发应用的热点。永磁直
26 上海电气技术2009年第1期
线电机将引领直线电机的发展潮流[1,2]。
永磁直线电动机种类较多,结构多样。目前的研究,主要以交流永磁直线电动机为多。在交流永磁直线电动机当中,又较多的集中在有铁心永磁直线电动机方面。对于该电机,人们主要是研究如何减少磁阻力(包含端部力和齿槽力)及由其产生的推力波动影响。通过大量的理论分析、试验验证以及实际应用,目前已取得了明显的成果。
在国外,有很多高校和研究机构从事永磁直线电机方面的研究。在扁平型永磁直线电机方面, Deng Zesheng,Bo ldea和Nasar等早在1986年利用等效磁化电流的方法对单边扁平型永磁直线电机进行了解析求解;Yu Xiongg uang和Nasar则在1989年利用磁荷的概念和镜像法,对扁平型永磁直线电机进行了解析求解;美国M IT的T rumper根据Max w ell方程组,推导出矢量磁位的微分方程组,并推导出磁密、推力、磁链、自感和反电势的解析公式等。
在圆筒型永磁直线电机方面,意大利的Nicola Bianchi分别采用等效磁路法和等效磁化强度的方法分析了轴向和径向充磁结构的圆筒型永磁直线电机,分析了几个电机主要尺寸对磁场的影响;澳大利亚悉尼理工大学的Lu H aiw ei,Zhu Jiang uo设计了1种微型无槽式圆筒型永磁直线电机,并将其应用在微型机器人上;意大利的M arignetti, Scarano设计了1种轴向充磁的圆筒型永磁直线电机,详细分析了电机尺寸对性能的影响等。
国内研究扁平型永磁直线电机的单位比较多,其中包括中科院电工所、河南理工大学(原焦作工学院)、浙江大学、清华大学、华中科技大学和太原理工大学等。研究内容包括永磁直线电机的线性分析模型;等效电路参数的推导;采用等效磁化电流的方法求解电机磁场;建立永磁直线电机的 整体分层线性模型 ;三维场的分析推导和数学模型的建立;端部效应对永磁直线电机电枢磁链的影响;法向力与推力、电机尺寸与推力的关系,机床进给系统用永磁直线电机的设计方法;以及永磁直线电机推力波动产生的机理和减小推力波动的技术措施。此外,还有一些关于永磁直线电机动、静态性能分析的研究等。
国内关于圆筒型永磁直线电机的研究相对较少,目前主要有太原理工大学、浙江大学、山东大学、河南理工等机构采用 等效磁势法 和 等效磁化强度法 对空心式永磁直线电机内磁场进行解析分析,通过解析分析与有限元分析的比较,证明 等效磁化强度法 的求解结果更准确;推导了电机气隙磁密、推力和反电势的解析公式,并详细分析了电机主要尺寸对电机性能的影响;对不同向充磁圆筒型永磁动圈或动铁式永磁直线电动机的气隙磁场进行了解析分析和有限元分析,给出了永磁直线电机设计的基本方法等。
在目前的直线电机的产品中,永磁直线电机占了很大的份额,生产商主要集中在日本、美国、英国、德国等发达国家。他们在永磁直线电机的研究和开发方面取得了显著成果。
1.2 大推量、高速高精度、伺服性直线电机技术
1.2.1 大推力直线电机技术的研究发展
(1)在交通领域的发展
近些年来,直线电机在大推力、大容量方面的发展也是比较快的。其应用领域如:20世纪80年代开始在加拿大、日本、美国、马来西亚等应用的直线感应电机的城轨交通(地铁和轻轨),现在发展很快,特别在日本和中国。其优势主要体现在降低车体高度,减小隧道面积,成本减少,土地节约;爬坡能力强,转弯半径小;非接触牵引,节能,噪音低;列车加减速度快,效率高;维护量少,运营成本低;长期的安全运行纪录。如温哥华空中列车在14年的时间里安全运送乘客4.5亿人次,运行里程超过10亿km。
日本自1990年3月在大阪7号线采用了直线感应电机驱动的地铁,1991年在东京12号线采用直线电机驱动地铁后,神户、横滨、福冈、仙台和其他一些城市也引入直线电机地铁。我国广州地铁的4号线、5号线、6号线、7号线,有的已用,有的将要用。北京机场一东直门的直线电机轻轨地铁线已于2008年7月投入使用。国内浙江大学与上海南洋电机集团合作的直线电机驱动地铁车试验线正在调试中。另外,中科院与泰富公司也在从事这方面工作。
直线电机在大推力、大容量方面的发展除在地铁和轻轨的应用领域外,在磁浮交通方面的应用也是令人注目的一部分。目前一些国家在磁浮交通驱动技术方面仍在不断向前发展,如日本、德国、美国以及其他一些国家以不同的方式开展研发和推进应用。中国的沪杭磁浮交通线仍在进行相关调研工作。
(2)在物流及工业设备方面的发展
发达国家企业的物流设备占项目总投资的比
2009年第1期王振滨,等:直线电机开发及应用研究27
例一般都在20%以上,从而使得物流设备不断地改进发展,其中由直线电机驱动的物流传输设备代表了现代先进物流传输技术的1种应用和1种潮流。一些发达国家(如美国、日本、德国、法国、意大利、丹麦等),在物流传输领域,如机场行包输送,邮政自动化分拣、报刊书籍配送中心,工厂流水线等系统中,已基本实现了自动化。这些设备普遍采用直线电机作为驱动系统,适应多批量灵活安排的需求,代表着目前世界物流传输技术的发展水平。
1.2.2 高速高精度、伺服性直线电机技术的研究发展
直线电机在高速、高精度伺服性能方面的发展首推在现代机床业中的应用。传统机床的驱动装置依赖丝杆驱动,具有长度限制、机械背隙、磨擦、扭曲、螺距周期误差、较长的振动衰减时间、与电机的耦合惯量以及丝杠的轴向压缩等缺点。所有这些因素均限制了其进一步的应用,而直线伺服电机驱动有传统滚珠丝杠驱动装置无法达到的高速、高精度、高刚度、运行时噪声低和行程长度不受限制等优点,将是高性能数控机床的首选驱动方式。
目前,世界上最知名的机床厂家,如美国Ingersoll公司、意大利普瑞玛工业公司和德国DMG 等公司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。这些直线电机驱动数控机床极大地提高了生产质量和效率。例如,克莱斯勒汽车公司使用了6台直线电机驱动的HVM600卧式加工中心,用来生产高级汽车发动机汽缸盖,这6台加工中心每天生产300个汽缸盖,相当于11台非直线电机驱动的加工中心的生产量之和。意大利普瑞玛工业公司采用双机同步联动结构和直线电机并联运动方式,在切割过程中加速度可达6g(g=9.8m/s2)。它每分钟可以切割超过1000个孔,而市场上目前最快的激光切割机也只能加工600个孔。意大利JOBS公司为航宇和模具制造业生产的LinX大型高速铣床产品,采用高架桥式布局与直线电机坐标驱动,加工时间可减少50%。德国用户采用LinX龙门加工中心(三轴均为直线电机驱动)加工模具,由于无效时间大为缩短等因素,加工效率比未采用直线电机的同类机床效率提高40%。
国内自1995年以来也开展了直线电机在机床上的应用研究,如广东工大研发的直线感应电机驱动的GD-3型高速数控机床进给单元,清华研究的长行程永磁直线伺服单元,北京机电院研发的直线电机驱动的加工中心,浙江大学研制的圆筒型直线电机驱动的并联机构坐标测量机和扁平永磁直线电机驱动的磨床,北京机床研究所研发的直线电机驱动的电火花成型机床,国防科大研发的活塞非圆切削中采用直线电机驱动刀具以及北航、南航与有关单位合作研发的机床等。此外,一些企业如杭州机床集团、江苏多棱数控机床股份有限公司、济南捷迈数控公司、深圳市大族激光科技股份有限公司、南京四开公司等也分别在平面磨床、激光划线机、激光切割机、雕铣机、加工中心等上采用了不同的直线电机技术,取得了较好的效果。
1.3 日趋成熟的直线电机控制技术
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推力控制技术方向发展。
目前,永磁直线电机直接推力控制的研究和样品较多,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推力控制技术方向发展。
(3)无位置传感器技术正在得到人们的重视。
(4)现代控制和现代智能控制理论用于永磁直线电机控制也正成为研究热点。
2 PMLS M磁阻力的产生机理及危害
PMLSM(Permenant Magneut Linear Synchronism Motor永磁同步直线电机)的磁阻力又称定位力或静态齿槽力,是初级断电或零电流状态,由于初级铁心齿槽的存在及铁心长度有限造成的,其与初、次级的相对位置有关,是初、次级相对位置的函数,其实质是由于初级齿槽的存在及磁路开断而造成初级铁心磁阻的变化,次级永磁体与初级齿槽及其边端在相对运动的过程中产生的相互作用力沿推力方向的分量[3]。
在磁路闭合的永磁旋转电机中,只存在由于齿槽而产生的齿槽转矩。然而,在磁路开断的PM LSM中,存在2种分量:一种是由齿槽效应而
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引起的齿槽分量,称为齿槽力;另一种是由端部效应引起的端部分量,称为端部力。不同结构类型的PM LSM,齿槽分量和端部分量分布是不一样的。对于长初级短次级型PM LSM,次级完全处于初级区域中,因此只存在磁阻力的齿槽分量,如果初级采用整距绕组则磁阻力齿槽分量以齿距为周期;而对于长次级短初级型的PM LSM,初级完全处于次级范围内,即存在磁阻力的齿槽分量又存在端部分量,端部分量一般以极距为周期,且通常较齿槽分量大许多。磁阻力造成PM LSM的推力和速度波动,进而产生振动和噪音,使电机产生噪声,严重影响了电机的定位精度和伺服性能,尤其是在低速时影响更为严重。
2.1 磁阻力最小化方法[4-7]
在PM LSM中,磁阻力的产生有2个原因:一是初级开槽;二是初级开断,并分别称之为磁阻力的齿槽分量和端部分量。磁阻力的存在导致推力和速度的波动,因此为实现高性能的伺服系统就必须消除磁阻力扰动的影响。国内外学者对PM LSM 磁阻力最小化技术进行了大量研究,提出了一系列齿槽转矩最小化方法。抑制磁阻力的方法有很多,总体而言可从电机本体设计和电机控制策略两方面着手考虑。
从PMLSM本体结构抑制磁阻力的研究可分为2个方面: 优化初级结构; 优化次级结构。
2.1.1 初级结构考虑
PM LSM的磁阻力由端部分量和齿槽分量两部分构成。从初级结构考虑的齿槽转矩最小化方法,有些是从抑制磁阻力的端部分量角度出发,如优化初级铁心长度、优化初级端部形状等;有些是从抑制磁阻力的齿槽分量角度出发,如斜槽、选择槽口形状、合理绕组分布,以及无槽结构等。
PM LSM有长初级短次级和长次级短初级2种不同结构形式。对于长初级短次级PMLSM而言,当次级距离初级端部有2~3个极距时,端部效应对磁阻力的影响很小,可以认为此类型PM LSM的磁阻力不存在端部分量;而对于长次级短初级的PM LSM,这时就不能不考虑端部效应对磁阻力的影响,即存在端部磁阻力,此时可以优化初级铁心长度和初级端部形状来减小端部效应对磁阻力的影响,这样一来两个端部产生的磁阻力可以互相抵消一部分,从而大大减小磁阻力。
对于PMLSM磁阻力齿槽分量的抑制,合理的绕组分布无疑是1种很好的方法。极数较多,极距相对较小,每极每相槽数q不可能很大,否则总槽数过多,制造困难。但是如果q取较小整数,虽然总槽数少,但却不能充分利用分布绕组的办法来削弱磁场的谐波分量。分数槽绕组较短距绕组和分布绕组更能够削弱磁场的高次谐波,无疑是减小磁阻力齿槽分量的好方法。
对于磁路闭合的永磁旋转电机,斜槽法是最为有效且应用最广泛的齿槽转矩最小化方法之一。该方法对于PMLSM磁阻力齿槽分量的抑制同样是有效的,理论上来讲,初级齿槽相对于次级磁极倾斜一个齿距的距离就可很好地抑制磁阻力的齿槽分量。但斜槽法势必会使电机的结构趋于复杂,增加加工难度,并且在一定程度上会降低电机的输出推力。同样PM LSM初级槽开口也是影响磁阻力齿槽分量的重要因素之一。在不考虑端部效应的情况下,PMLSM磁阻力的主要原因是初级开槽,气隙中存在着高次空间和时间谐波。直观上来讲,减小槽开口宽度、采用磁性槽楔,以及闭口槽的方法,可以减小气隙磁导的变化,减小时间谐波,从而降低磁阻力的齿槽分量,而附加的材料还可以增加电机的最大推力。但是,无论是减小槽开口宽度或闭口槽,还是采用磁性槽楔,势必会导致电机初级结构复杂化,尤其是采用闭口槽绕组,给绕组嵌线带来极大不便,此外也会大大增加槽漏磁。当然,为从根本上消除磁阻力的齿槽分量,可采用无槽初级结构,但是无槽初级结构导致电机的推力密度低,效率不高的问题。
2.2 次级结构考虑
从次级结构考虑的齿槽转矩最小化方法,主要是集中于对PMLSM磁阻力齿槽分量的抑制。因此,对于从转子结构出发减低永磁旋转电机齿槽转矩有效的方法,同样可以用于PM LSM磁阻力齿槽分量的抑制,如调整极弧系数、斜极、优化永磁体形状、永磁体不对称分布,以及改变磁极磁化方式等。
对于PM LSM而言,调整极弧系统就是改变永磁体的长度(运动方向上),该方法是众多磁阻力最小化方法中是较简单和有效的方法之一,但是该方法并非对于所有类型的PM LSM都适用。
与斜槽作用原理一样的斜极也是PMLSM抑制磁阻力齿槽分量应用最广泛最有效的方法之一。斜极有整体磁极的倾斜和沿轴向分段错开的磁极两种方式,两者都可以减小磁阻力。
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王振滨,等:直线电机开发及应用研究
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一般情况下,PM LSM 中各磁极均匀对称分布于次级轭部,为了减小由永磁体和初级齿槽相互作用引起的磁阻力,可采用永磁体不对称分布也称为磁极偏移的方法。
除此之外,改变磁极磁化方式对PMLSM 磁阻力的形状和幅值都有影响。改变磁极磁化方式,改善气隙磁场的分布情况,从而可以达到抑制磁阻力的目的。
2.3 气隙长度影响
气隙长度的增加,可显著减小PM LSM 初级齿槽和次级永磁体之间的相互作用,从而使得磁阻力显著降低。然而,气隙长度的增加同时会导致电机
最大出力的降低。因此,采用增加气隙长度的方法进行磁阻力抑制时,应综合考虑其对电机磁阻力和最大出力的影响,在不影响电机性能基础上,可适当增加气隙的长度,以降低推力波动。
综上所述,通过优化电机本体结构抑制PM LSM 的磁阻力,有很多的方法可供选择,如图l 所示。在实际的应用中,可根据实际的情况采用合适的削弱方法,既可采用一种,也可采用几种的组合,如对于短初级PM LSM 而言,优化初级铁心、减少端部效应的同时,可采用分数槽结构、半闭口槽方式等初级电磁结构抑制齿槽效应引起的磁阻力,还可配以次级永磁体长度、形状,
以及磁化方式等。
图1 PMLSM 磁阻力最小化技术一览图
2.4 先进控制策略在磁阻力最小化技术中的应用
通过电机本体结构的优化受加工技术、成本,以及应用环境的制约,并不能完全消除PMLSM 的
磁阻力,尤其是初级开断对电机推力的影响。因此,仍需要采用相应的控制技术被动地补偿磁阻力对推力的影响,抑制推力波动。对于先进控制策略在磁阻力最小化方面的应用,国内外学者作了大量的研究工作,针对PMLSM 多变量、非线性的控制特点,结合现代控制理论的发展,提出了许多先进的控制方法,用于抑制推力波动。这些方法大体可以分为3类: 通过改善PM LSM 的供电电源,可以通过采用合理的滤波技术,选用合理的PWM 调制方式,提高逆变器的性能; 采用矢量控制策略实现对推力的闭环控制,这样可以直接控制瞬时推力快速跟踪复现指令推力的变化,PMLSM 的瞬时
推力检测可采用传感器直接检测与建立推力观测器间接检测两类方法; 结合现代控制理论和现代智能控制理论,如自适应控制、滑模变结构控制、模糊控制、H - 鲁棒控制、专家系统,以及人工神经网络技术等的最新研究成果,在PMLSM 伺服系统的速度外环采取有效的控制策略来抑制推力波动。虽然这些控制策略在PM LSM 及其伺服系统中的应用技术还不是很成熟,存在一些问题,但人工智能控制技术无疑是一个很好的发展方向。
3 上海电气中央研究院直线电机开发及应用简介
上海电气中央研究院联合上海赛科现代交通设备有限公司、开通数控有限公司和上海捷晟电机有限公司开展了国产直线电机及其驱动器的研制工作,已经完成国产永磁直线电机样机和驱动器开
30
上海电气技术
2009年第1期
发工作,目前已经成功用于国产XH 714数控机床的X 轴直线电机改造,成功解决了数控系统、直线电机驱动系统与机械部件的匹配问题,并已在2008年的中国工业博览会上成功展出。
在对国外永磁同步直线电机相关样本进行仔细消化吸收的基础上,上海电气中央研究院自主研发了具有自主知识产权的国产单边式有铁芯自然冷永磁同步直线电机系列产品:ZST -1-075、
ZST -3-200、ZST-4-150,其性能已经接近国外同类永磁同步直线电机的水平,并申请了2项专利。
该系列永磁同步直线电机具有集中式、单层、短距、三相分布绕组特点,采用大极比分数槽结构从而有效地抑制磁场中的高次谐波,提高了电机运行精度。
国产永磁同步直线电机ZST -4-150和直线电机试验平台如图2
所示。
图2 国产永磁同步直线电机ZST-4-150和直线电机试验平台
XH 714数控机床X 轴分别采用进口永磁同步直线电机+科尔摩根驱动器和国产永磁直线电
机+科尔摩根驱动器的相关性能曲线对比图如图3
所示。
2009年第1期王振滨,等:直线电机开发及应用研究31
图3 国产和进口永磁同步直线电机相关性能曲线对比图
从以上试验曲线图可以看出:
(1)科尔摩根驱动器可以正常驱动国产直线电
机,能够快速跟踪从低速、中速和高速大范围内正
负周期变化的速度给定信号,且稳态误差快速趋近
于零;
(2)在相同条件下与进口直线电机比较,国产
直线电机的速度跟踪曲线有少量超调,电流曲线波
动也稍大,这说明国产直线电机的磁阻力比进口电
机要大,需要进一步研究改善国产直线电机端部和
齿槽效应的方法,以便进一步减小直线电机的推力
波动;
(3)由于科尔摩根驱动器在克服直线传动中的
各种扰动采用了速度、加速度前馈补偿、极点配置
等控制策略,控制效果比较明显,这也为今后研制
高性能的直线电机驱动器指明了方向。
经过国产永磁直线电机改造后的上海第三机
床厂生产的XH714数控铣床(见图4),分别给出了
其加工试件俯视图(见图5)和工件加工现场图(见
图6)。改造前后的性能对比情况如表1所示,从中
(下转第35页)
可见基本指标达到了当初的设计要求。
2009年第1期
曾 佳,等:面向复杂环境的移动机器人在线路径规划
35
4 结 语
针对移动机器人作业环境的复杂性和不确定性,提出一种面向复杂环境的移动机器人在线路径
规划方法,首先对问题进行描述,其次给出总体方案和实现方法,最后进行仿真验证。本文引入自学习实时启发式搜索思想实现了移动机器人规划段与运动段交替进行,同时也满足了传感器探测范围有限的约束,采用多步搜索方法避免了一次规划一步存在的问题。仿真结果表明本方法可以使规划出的路径适应复杂环境约束,规避障碍,同时满足在线应用的要求。
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(上接第31页
)
4 结 语
直线电机技术正处于快速发展阶段,其应用领域也在不断扩大,它是本世纪最受各国关注的电力驱动技术之一。目前直线电机及其驱动技术在国外发达国家已经进入到市场化阶段,相比之下国内直线电机研制水平仍然处于理论研究和样机研制阶段,尚未有成熟的产品出现,其驱动技术更是以理论研究为主,与国外差距甚大。国内在此方面的科研单位仍然是
以高校为主,企业很少。希望今后有更多的国内企业与高校一同参与到直线电机的开发中来,实现优势互补,共同提高我国的直线电机的科研水平。
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直线电机在数控机床上的应用综述 所在学院：机械工程学院 学科专业：机械工程 学生：解瑞建 学号：12847920 指导教师：董颖怀 天津科技大学机械工程学院 二零一二年十二月二十七日
摘要 简述了直线电机工作原理及其驱动技术，并且举例说明了直线电机直接驱动与传统数控机床“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的传动方式对比具有很大的优势。利用直线电机结构简单、运动平稳、噪声小、运动部件摩擦小、磨损小、使用寿命长、安全可靠性等特性，采用直线电机的开放式数控系统使机床驱动控制技术获得新发展。介绍几个直线电机应用的实例，指出直线电机进给驱动技术将是高速机床未来的发展方向。 关键词：直线电机数控机床驱动控制高速机床 0 引言 数控机床正在向高精密、高速、高复合、高智能和环保的方向发展。高精密和高速加工对传动及其控制提出了更高的要求：更高的动态特性和控制精度，更高的进给速度和加速度，更低的振动噪声和更小的磨损。在传统的传动链中，作为动力源的电动机要通过齿轮、蜗轮副，皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间传动环节才能将动力送达工作部件。在这些环节中产生了较大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损。虽然在这些方面通过不断的改进使传动性能有所提高，但问题很难从根本上解决，于是出现了“直接传动”的概念，即取消从电动机到工作部件之间的各种中间环节。随着电机及其驱动控制技术的发展，电主轴、直线电机、力矩电机的出现和技术的日益成熟，使主轴、直线和旋转坐标运动的“直接传动”概念变为现实，并日益显示出巨大的优越性。直线电机及其驱动控制技术在机床进给驱动上的应用，使机床的传动结构出现了重大变化，并使机性能有了新的飞跃。 图0 SUPT Motion公司生产的一种直线电机
直线电机主要应用于三个方面： 一是应用于自动控制系统，这类应用场合比较多； 二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运动能的装置中。 在实际工业应用中的稳定增长,证明直线电机可以放心的使用。 本期讨论直线电机的运用 Linear motor: 直线伺服电机应用 昆山佳德锐自动化系统销售中心 交流论坛： www.hilife.me 工业之美
什么是直线电机特点 1.什么是直线电机 直线电动机（或称线性马达）（Linear motor）是电动机的一种，其原理与传统的电动机不同，直线电机是直接把输入电力转化为线性动能，与传统的扭力及旋转动能不同。直线电机又分为低加速及高加速两大类，当中低加速直线电机适用于磁悬浮列车及 其他地面交通工具，而高加速直线电机能把物件在短时间内加至极高速度，适用于粒子 加速器、制造武器等。2.直线电机是如何工作的 下面简单介绍直线电机类型 和他们与旋转电机的不同，最 常用的直线电机类型是平板式， U型槽式和管式。线圈的典型组 成是三相，有霍尔元件实现无刷 换相，直线电机用HALL换相的 相序和相电流。 直线电机经常简单描述为旋转电机被展平，而工作原理相同。动子（forcer,rotor) 是用环氧材料把线圈压缩在一起制成的，而且磁轨是把磁铁（通常是高能量的稀土磁铁）固 定在钢上.电机的动子包括线圈绕组，霍尔元件电路板，电热调节器（温度传感器监控温度） 和电子接口。在旋转电机中，动子和定子需要旋转轴承支撑动子以保证相对运动部分的气隙 （airgap）。同样的，直线电机需要直线导轨来保持动子在磁轨产生的磁场中的位置。和旋 转伺服电机的编码器安装在轴上反馈位置一样，直线电机需要反馈直线位置的反馈装置--直 线编码器，它可以直接测量负载的位置从而提高负载的位置精度。 3.直线电机分类 管状直线电机 圆柱形动磁体直线电机的磁路与动磁执行器相似。区别在于线圈可以复制以 增加行程。典型的线圈绕组是三相组成的，使用霍尔装置实现无刷换相。推力 线圈是圆柱形的，沿磁棒上下运动。 U型直线电机 U型槽式直线电机有两个介于金属板之间且都对着线圈动子的平行磁轨。动子由导轨系统 支撑在两磁轨中间。动子是非钢的，意味着无吸力且在磁轨和推力线圈之间无干扰力产生。 非钢线圈装配具有惯量小，允许非常高的加速度。线圈一般是三相的，无刷换相。可以用空 气冷却法冷却电机来获得性能的增强。也有采用水冷方式的。这种设计可以较好地减少磁通 泄露因为磁体面对面安装在U形导槽里。这种设计也最小化了强大的磁力吸引带来的伤害 平板直线电机 有三种类型的平板式直线电机（均为无刷）：无槽无铁芯，无槽有铁芯和有槽有铁芯。选 择时需要根据对应用要求的理解。无槽无铁芯平板电机是一系列coils安装在一个铝板上。由 于FOCER没有铁芯，电机没有吸力和接头效应（与U形槽电机同）。该设计在一定某些应用中有 助于延长轴承寿命。动子可以从上面或侧面安装以适合大多数应用。这种电机对要求控制速度 平稳的应用是理想的。如扫描应用，但是平板磁轨设计产生的推力输出最低。通常，平板磁轨 具有高的磁通泄露。 无槽有铁芯：无槽有铁芯平板电机结构上和无槽无铁芯电机相似。除了铁芯安装在钢叠片 结构然后再安装到铝背板上，铁叠片结构用在指引磁场和增加推力。磁轨和动子之间产生的吸 力和电机产生的推力成正比，迭片结构导致接头力产生。 无槽有铁芯：这种类型的直线电机，铁心线圈被放进一个钢结构里以产生铁芯线圈单元。 铁芯有效增强电机的推力输出通过聚焦线圈产生的磁场。铁芯电枢和磁轨之间强大的吸引力可 以被预先用作气浮轴承系统的预加载荷。这些力会增加轴承的磨损，磁铁的相位差可减少接头力。 加工产品对比
所谓线性马达又称为直线电机，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
《数控技术》大作业二 1．综述 直线电机的结构可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，并将电机的圆周展开成直线而形成的。其中定子相当于直线电机的初级，转子相当于直线电机的次级，当初级通入电流后，在初次级线圈之间的气隙中产生行波磁场，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。 直线电机的工作原理设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直线感应图电动机。 初级做得很长，延伸到运动所需要达到的位置，也可以把次级做得很长；既可以初级固定、次级移动，也可以次级固定、初级移动．通入交流电后在定子中产生的磁通，根据楞次定律，在动体的金属板上感应出涡流。设产生涡流的感应电压为E，金属板上有电感L和电阻R，涡流电流和磁通密度将（费来明法则）产生连续的推力F。 2．工作原理 直线电动机的初级三相绕组通入三相交流电后，就会在气隙中产生一个沿直线移动的正弦波磁场，其移动方向由三相交流电的相序决定，如图所示。显然该行波磁场的移动速度与普通电机旋转磁场在定子内圆表面的线速度相等。 行波磁场切割次级上的导体后，在导体中感应出电动势和电流，该电流与气隙磁场作用，在次级中产生电磁力，驱动次级沿着行波磁场移动的方向作直线运行，或者利用反作用力驱动初级朝相反的方向运动。如果改变直线电动机初级绕组的通电相序，即可改变电动机的运行方向。因此直线电动机可实现往返直线运动。 3．直线电机的特点 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通过中问任何转换装置的新颖电机，它具有系统结构简单、磨损少、噪声低、组合性强、维护方便等优点。旋转电机所具有的品种，直线电机几乎都有相对应的品种，其应用范围正在不断扩大，并在一些它所能独特发挥作用的地方取得了令人满意的效果。 直线感应电动机的特点是：结构简单，维护方便；散热条件好，额定值高；适宜于高速运行；能承担特殊任务，如液态金属的运输、加工等。其缺点是气隙大，功率因数低，力能指标差，低速运行时需采用低频电源，使控制装置复杂。 4．直线电机的应用
文件编号：GD/FS-7710 （安全管理范本系列） 直线电机的发展及其在电梯行业的应用详细版 In Order To Simplify The Management Process And Improve The Management Efficiency, It Is Necessary To Make Effective Use Of Production Resources And Carry Out Production Activities. 编辑：_________________ 单位：_________________ 日期：_________________
直线电机的发展及其在电梯行业的 应用详细版 提示语：本安全管理文件适合使用于平时合理组织的生产过程中，有效利用生产资源，经济合理地进行生产活动，以达到实现简化管理过程，提高管理效率，实现预期的生产目标。，文档所展示内容即为所得，可在下载完成后直接进行编辑。 直线电机可以不用借助任何中间转换结构把电能转变成直线运动，与传统的方式相比，具有噪音低、无磨损、无接触、结构简单、速度快、精度高等方面的优点。基于此本文对直线电机的发展及其在电梯行业的应用进行探讨，阐述了直线电机在电梯中驱动系统、门机系统的应用前景，为工程技术人员对直线电机的研发指明了方向。 传统的电梯曳引系统和门机利用交流旋转电机进行工作，为了实现电梯门的开和关，需要借助一些比较复杂的转动机构来把旋转运动的电机转变成直线运动。就电梯的曳引驱动系统而言，无论是交流电机
蜗轮蜗杆驱动系统或是交流调速系统、或是永磁马达调速系统，因为交流电机响应速度慢，控制起来比较复杂，无法满足未来对电梯性能的要求。而直线电机因为其结构的特殊性，不易被环境影响，受到了行业的广泛关注，正逐渐成为主流的电梯产品。 直线电机的发展和研究情况 1.1.直线电机的发展史 直线电机的概念是在1840年被提出来的，距今有一百多年的历史。可以将其发展史大致分成三个阶段，分别为：探索实验阶段、开发应用阶段和实用商品化阶段。其中第一个阶段指的是直线电机的探索和实验阶段，在这个阶段直线电机的设计还存在一定的问题，也没有找到直线电机合适的应用领域，因此直线电机一直没有被广泛使用。在开发阶段科学家在直线电动机研究的基础上，取得了非常大的研究成
，提高系统精确度，所以得到广泛的应用。直线电动机的种类按结构形式可分为；单边扁平型、双边扁平型、圆盘型、圆筒型（或称为管型）等；按工作原理可分为：直流、异步、同步和步进等。下面仅对结构简单，使用方便，运行可靠的直线异步电动机做简要介绍。 直线异步电动机的结构主要包括定子、动子和直线运动的支撑轮三部分。为了保证在行程范围内定子和动子之间具有良好的电磁场耦合，定子和动子的铁心长度不等。定子可制成短定子和长定子两种形式。由于长定子结构成本高、运行费用高，所以很少采用。直线电动机与旋转磁场一样，定子铁心也是由硅钢片叠成，表面开有齿槽；槽中嵌有三相、两相或单相绕组；单相直线异步电动机可制成罩极式，也可通过电容移相。直线异步电动机的动子有三种形式： (1)磁性动子动子是由导磁材料制成（钢板），既起磁路作用，又作为笼型动子起导电作用。 (2)非磁性动子，动子是由非磁性材料（铜）制成，主要起导电作用，这种形式电动机的气隙较大，励磁电流及损耗大。 (3)动子导磁材料表面覆盖一层导电材料，导磁材料只作为磁路导磁作用；覆盖导电材料作笼型绕组。 因磁性动子的直线异步电动机结构简单，动子不仅作为导磁、导电体，甚至可以作为结构部件，其应用前景广阔。 直线异步电动机的工作原理和旋转式异步电动机一样，定子绕组与交流电源相连接，通以多相交流电流后，则在气隙中产生一个平稳的行波磁场（当旋转磁场半径很大时，就成了直线运动的行波磁场）。该磁场沿气隙作直线运动，同时，在动子导体中感应出电动势，并产生电流，这个电流与行波磁场相互作用产生异步推动 直线异步电动机主要用于功率较大场合的直线运动机构，如门自动开闭装置，起吊、传递和升降的机械设备，驱动车辆，尤其是用于高速和超速运输等。由于牵引力或推动力可直接产生，不需要中间连动部分，没有摩擦，无噪声，无转子发热，不受离心力影响等问题。因此，其应用将越来越广。直线同步电动机由于性能优越，应用场合与直线异步电动机相同，有取代趋势。直线步进电动机应用于数控绘图仪、记录仪、数控制图机、数控裁剪机、磁盘存储器、精密定位机构等设备中。
文件编号：TP-AR-L8349 In Terms Of Organization Management, It Is Necessary To Form A Certain Guiding And Planning Executable Plan, So As To Help Decision-Makers To Carry Out Better Production And Management From Multiple Perspectives. （示范文本） 编订：_______________ 审核：_______________ 单位：_______________ 直线电机的发展及其在电梯行业的应用(正式版)
直线电机的发展及其在电梯行业的 应用(正式版) 使用注意：该安全管理资料可用在组织/机构/单位管理上，形成一定的具有指导性，规划性的可执行计划，从而实现多角度地帮助决策人员进行更好的生产与管理。材料内容可根据实际情况作相应修改，请在使用时认真阅读。 直线电机可以不用借助任何中间转换结构把电能 转变成直线运动，与传统的方式相比，具有噪音低、 无磨损、无接触、结构简单、速度快、精度高等方面 的优点。基于此本文对直线电机的发展及其在电梯行 业的应用进行探讨，阐述了直线电机在电梯中驱动系 统、门机系统的应用前景，为工程技术人员对直线电 机的研发指明了方向。 传统的电梯曳引系统和门机利用交流旋转电 机进行工作，为了实现电梯门的开和关，需要借助一 些比较复杂的转动机构来把旋转运动的电机转变成直
线运动。就电梯的曳引驱动系统而言，无论是交流电机蜗轮蜗杆驱动系统或是交流调速系统、或是永磁马达调速系统，因为交流电机响应速度慢，控制起来比较复杂，无法满足未来对电梯性能的要求。而直线电机因为其结构的特殊性，不易被环境影响，受到了行业的广泛关注，正逐渐成为主流的电梯产品。 直线电机的发展和研究情况 1.1.直线电机的发展史 直线电机的概念是在1840年被提出来的，距今有一百多年的历史。可以将其发展史大致分成三个阶段，分别为：探索实验阶段、开发应用阶段和实用商品化阶段。其中第一个阶段指的是直线电机的探索和实验阶段，在这个阶段直线电机的设计还存在一定的问题，也没有找到直线电机合适的应用领域，因此直线电机一直没有被广泛使用。在开发阶段
内部编号：AN-QP-HT103 版本/ 修改状态：01 / 00 When Carrying Out Various Production T asks, We Should Constantly Improve Product Quality, Ensure Safe Production, Conduct Economic Accounting At The Same Time, And Win More Business Opportunities By Reducing Product Cost, So As T o Realize The Overall Management Of Safe Production. 编辑：__________________ 审核：__________________ 单位：__________________ 直线电机的发展及其在电梯行业的应 用通用范本
直线电机的发展及其在电梯行业的应用 通用范本 使用指引：本安全管理文件可用于贯彻执行各项生产任务时，不断提高产品质量，保证安全生产，同时进行经济核算，通过降低产品成本来赢得更多商业机会，最终实现对安全生产工作全面管理。资料下载后可以进行自定义修改，可按照所需进行删减和使用。 直线电机可以不用借助任何中间转换结构把电能转变成直线运动，与传统的方式相比，具有噪音低、无磨损、无接触、结构简单、速度快、精度高等方面的优点。基于此本文对直线电机的发展及其在电梯行业的应用进行探讨，阐述了直线电机在电梯中驱动系统、门机系统的应用前景，为工程技术人员对直线电机的研发指明了方向。 传统的电梯曳引系统和门机利用交流旋转电机进行工作，为了实现电梯门的开和关，需要借助一些比较复杂的转动机构来把旋转运
2009年第1期 唐丽婵,等:基于LabVIEW 的无线远程温度监控系统 25 文章编号:1674-540X(2009)01-025-07 收稿日期:2009-01-15 作者简介:王振滨(1973-),男,博士研究生,主要从事分数阶线性系统和电气传动方面的研究工作,E mail:wangzhenbing@https://www.doczj.com/doc/286878748.html, 直线电机开发及应用研究 王振滨1, 余鹿延2, 周守国3 (1.上海电气集团股份有限公司中央研究院,上海200070; 2.上海赛科现代交通设备有限公司,上海200023; 3.上海捷晟电机有限公司,上海200075) 摘 要:介绍了直线电机国内外的发展现状,指出永磁同步直线电机将是直线电机今后的发展方向。阐述了永磁同步直线电机的磁阻力产生的原因及其造成的推力波动对永磁同步直线电机控制性能的影响,并归纳出减小磁阻力的方法。最后简要介绍了上海电气中央研究院在开展永磁同步直线电机研究及应用的情况。 关键词:永磁同步直线电机;磁阻力;控制;开发与应用中图分类号:T M 33 文献标识码:A The Development and Application Research of Linear Motors W A N G Zhenbin 1 ,YU L uyan 2 ,ZH O U S houguo 3 (1.Shang hai Elect ric Group Co.Lt d.Cent ral A cademe,Shang hai 200070,China;2.Shanghai SEC M odern Traffic Equipment Co.Ltd.,Shanghai 200023,China; 3.Shanghai Jie Sheng M ot or Co.,Ltd.,Shanghai 200075,China) Abstract:It intro duces the up to date researches o f linear mo to rs hom e and abro ad,and points out permanent magnet linear synchronous m otors (PMLSM )w ill be the development dir ectio n of linear motor s in the future.T he r easo ns orig inated fr om detent for ce of PM LSMs are illustrated as w ell as the influences of the thrust force r ipple caused by it on the control per for mances of PM LSMs,and the methods o f reducing detent force is summed up.Finally,a brief introduction is g iven of the researches and applications of PM LSM s made by Shanghai Electr ic Gr oup Co.Ltd.Centr al A cademe. Key words:PM LSM;detent force;contr ol;development and applicatio n 1 直线电机国内外研究现状 1.1 快速发展的永磁直线电机技术 永磁直线电动机具有结构简单、体积小、无电 励,效率高、单位推力大等优点,随着稀土永磁材料、电磁场数值计算与分析、智能控制理论以及计算机技术的不断发展,永磁直线电动机的发展越来越快,己成为学术研究和开发应用的热点。永磁直
直线电机的工作原理 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，如图１所示。 由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。 直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：当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，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。 直线电机的优缺点介绍
直线电机是一种将电能转化为动能的机械装置，通常应用于工业生产当中。与直线电机相对应的一种装置是旋转电机，两者的工作原理类似。但是直线电机是进行直线运动的电机，而旋转电机是进行旋转运动的电机。直线电机可以直接将电能转化为动能，而不需要中间装置。 直线电机的优点 直线电机一般有平板式、U型式、管式几种。直线电机的工作系统是通过内部直线导轨来完成工作，用环保材料将线圈压缩成电路板的动子和电热调节器连接，然后在稀土磁铁的磁轨上进行动力推动，不需要像旋转电机一样，将动子固定在旋转轴承的支撑架上来保证相
对运动部分的稳定，通过直接反馈位置的直线编码器装置，就可以直接测量负载位置，从而保证负载位置的精确度。 由上看出，直线电机因为不需要中间转换装置，所以操作简单，非常适合进行非离心力的运动。直线电机的优势主要有以下几点： 首先，结构简洁。直线电机直接产生直线运动，位置精确度高，更为节省成本、稳定可靠、操作和维护简便。 第二，运动效率高。直线电机的气垫和磁垫中间存在缝隙，在运动时，不会出现机械接触，也不会出现摩擦和噪音，对零部件的损伤较小，从而具有较高的工作效率，可以进行高速直线运动。
直线电机与并联机床：机床技术创新典范 在全球经济陷入金融危机，并尚未摆脱其复杂影响的今天，人们对未来的发展进行了深入思考，我们将以什么样的姿态和面貌来迎接一个全新时代的到来呢？可以想见，危机过后，世界经济环境将发生巨大而深刻的变化，技术和产品的发展模式也将不再简单重复过去，我们必将造就一个以高新技术和创新成果为支撑的，以节能环保和低碳经济为主导的，绿色而高效的现代文明时代。 本届展会的主题是“以科技创新迎接后危机时代”，那么，现今的机床有哪些令人瞩目的共性、关键技术呢？记者注意到直线电机和并联机床。 直线电机：前途远大瓶颈仍存 日前，中国机床工具工业协会有关人士告诉记者：“直驱技术是行业发展的方向，也是国产机床的短板，在这个领域，德国和日本占尽先机。但是，我最近了解到，日本在直驱技术的开发上也遇到了难题，即大功率、大扭矩加工时无法解决散热问题。” 美国Ingersoll公司是知名的机床制造商，克莱斯勒汽车公司购买其6台HVM600卧式加工中心，用来生产高级汽车发动机汽缸盖。该机床主轴转速2万r/min，X/Y/Z三轴由GEFANUC的直线电机驱动。这6台加工中心每天生产300个汽缸盖，相当于11台非直线电机驱动的加工中心的生产量。 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。 国内自1995年以来也开展了直线电机在机床上的应用研究，如广东工大研发的直线感应电机驱动的GD-3型高速数控机床进给单元，清华研究的长行程永磁直线伺服单元，北京机电院研发的直线电机驱动的加工中心，浙江大学研制的圆筒型直线电机驱动的并联机构坐标测量机和扁平永磁直线电机驱动的磨床，北京机床研究所研发的直线电机驱动的电火花成型机床，国防科大研发的活塞非圆切削中采用直线电机驱动刀具以及北航、南航与有关单位合作研发的机床等。此外，一些企业如杭州机床集团、江苏多棱数控机床股份有限公司、济南捷迈数控公司、深圳市大族激光科技股份有限公司、南京四开公司等也分别在平面磨床、
直线电机的结构及工作原理 来源：本站整理作者：佚名2010年02月25日 17:43 分享 订阅 [导读]直线电机的结构直线电机的结构可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，并将电机的圆周展开成直线而形成的。其中定子相 关键词：直线电机 直线电机的结构 直线电机的结构可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，并将电机的圆周展开成直线而形成的。其中定子相当于直线电机的初级，转子相当于直线电机的次级，当初级通入电流后，在初次级之间的气隙中产生行波磁场，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。 直线电机的工作原理 设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直线感应图电动机。 初级做得很长，延伸到运动所需要达到的位置，也可以把次级做得很长；既可以初级固定、次级移动，也可以次级固定、初级移动． 通入交流电后在定子中产生的磁通，根据楞次定律，在动体的金属板上感应出涡流。设引起涡流的感应电压为E，金属板上有电感L和电阻R，涡流电流和磁通密度将按费来明法则产生连续的推力F。 直线电机的特点 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如丝杠等机械传动件，使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。 位精度高线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构引起的传动误差减少了插补时因传动系统滞后带来跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。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，同时提高了其传动刚度。 速度快、加减速过程短 行程长度不受限制在导轨上通过串联直线电机，就可以无限延长其行程长度。 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（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。 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。 直线电机的应用 直线电机主要应用于三个方面： 应用于自动控制系统，这类应用场合比较多； 作为长期连续运行的驱动电机； 应用在需要短时间、短距离内提供巨大的直线运动能的装置中。 U槽无刷直线电机可以直接驱动，无需将转动转为线性运动，机械结构简单可靠。电机运行超平稳，无齿槽效应，动态响应速度极快，惯量小，加速度可达20G，速度达到10-30m/s，低速1μm/s时运动平滑，刚性高，结构紧凑，可选配直线编码器做高精度位置控制，其位置精度取决于所选编码器。
直线电机的发展及其在电梯行业的应用 直线电机可以不用借助任何中间转换结构把电能转变成直线运动，与传统的方式相比，具有噪音低、无磨损、无接触、结构简单、速度快、精度高等方面的优点。基于此本文对直线电机的发展及其在电梯行业的应用进行探讨，阐述了直线电机在电梯中驱动系统、门机系统的应用前景，为工程技术人员对直线电机的研发指明了方向。传统的电梯曳引系统和门机利用交流旋转电机进行工作，为了实现电梯门的开和关，需要借助一些比较复杂的转动机构来把旋转运动的电机转变成直线运动。就电梯的曳引驱动系统而言，无论是交流电机蜗轮蜗杆驱动系统或是交流调速系统、或是永磁马达调速系统，因为交流电机响应速度慢，控制起来比较复杂，无法满足未来对电梯性能的要求。而直线电机因为其结构的特殊性，不易被环境影响，受到了行业的广泛关注，正逐渐成为主流的电梯产品。 直线电机的发展和研究情况 1.1.直线电机的发展史 直线电机的概念是在1840年被提出来的，距今有一百多年的历史。可以将其发展史大致分成三个阶段，分别为：探索实验阶段、开发应用阶段和实用商品化阶段。其中第一个阶段指的是直线电机的探索和实验阶段，在这个阶段直线电机的设计还存在一定的问题，也没有找到直线电机合适的应用领域，因此直线电机一直没有被广泛使用。在
开发阶段科学家在直线电动机研究的基础上，取得了非常大的研究成果，发表了一些比较系统的电机类著作和文章，极大的推进了直线电机的发展，同时也引起了广大研究人员对直线电机的重视。从1971年开始对直线电机进行了独立应用，在这个阶段，研究人员选择了出了适合直线电机使用的途径，各种各样的直线电机被广泛的推广，研究出了非常多的具有使用价值的产品，比如冲压机、空压机、煤机等。 1.2.近年来国内外对直线电机的研究情况 近年来，直线电机得到了迅速的发展，很多人都开始对直线电机进行研究。国际上很多公司也逐渐开始研发直线电机类的产品，比如日本的三井精机公司、美国的Koll-morgen公司、各国的Wesitinghouse 公司等等。各种各样质量良好的直线电机产品也出现在了人们的视野中。比如Indramat公司研究出了非常完整的直线电机系列，其中包含了封闭式异步直线电机和无罩壳异步直线电机。在直线电机的控制系统中设置了非常标准的接口，可以更好的保证各种景观改型的程序控制器和数字变换器相兼容。 我国对直线电机的研究发展比较晚，大概是从70年代发展起来的。不过在国外直线电机使用潮流的影响下，我国国内也出现了很多直线电机开发使用的单位，例如浙江大学、沈阳工业大学、浙江大学、西安交通大学等。我国第一个直线电机研究所在浙江大学诞生，并且此研究取得了非常不错的研究成果。目前我国在直线电机方面的研究成
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。 直线电机主要应用场合：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运动能的装置中。 直线电机可以在几秒钟内把一架几千公斤重的直升飞机拉到每 小时几百公里的速度，它在真空中运行时，其时速可达几千上万公里。在军事上，人们利用它制成各种电磁炮，并试图将它用于导弹、火箭的发射；在工业领域，直线电机被用于生产输送线，以及各种横向或垂直运动的一些机械设备中；直线电机除具有高速、大推力的特点以外还具有低速、精细的另一特点，例如，步进直线电机，它可以做到步距为1μm的精度，因此，直线电机又被应用到许多精密的仪器设备中，例如计算机的磁头驱动装置、照相机的快门、自动绘图仪、医疗仪器、航天航空仪器、各种自动化仪器设备等。除此之外，直线电机还被用于各种各样的民用装置中，如电动门、电动窗、电动桌、椅的移动，门锁、电动窗帘的开、闭等等，尤其在交通运输业中，人们利用直线电机制成了时速达500km以上的磁浮列车。
直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形，它可以看作是一台旋转电机沿其径向剖开，然后拉平演变而成。近年来，随着自动控制技术和微型计算机的高速发展，对各类自动控制系统的定位精度提出了更高的要求，在这种情况下，传统的旋转电机再加上一套变换机构组成的直线运动驱动装置，已经远不能满足现代控制系统的要求，为此，近年来世界许多国家都在研究、发展和应用直线电机，使得直线电机技术发展速度加快，应用领域越来越广。 直线电机的优点是：结构简单、反应速度快、灵敏度高、随动性好、密封性好、不怕污染、适应性强(由于直线电机本身结构简单，又可做到无接触运行，因此容易密封，各部件用尼龙浸渍后，采用环氧树脂加以涂封，这样它就不怕风吹雨打，或有毒气体和化学药品的侵蚀，在核辐射和液体物质中也能应用)、工作稳定可靠、寿命长(直线电机是一种直接传动的特种电机，可实现无接触传递，故障少，几乎不需要维修，又不怕振动和冲击)、额定值高(直线电机冷却条件好，特别是长次级接近常温状态，因此线负荷和电流密度可以取得很高)、有精密定位和自锁的能力(和控制系统相配合，可做到0.001mm的位移精度和自锁能力)。 直线电机能直接产生直线运动，这一点对直线运动机械设计者和使用者有很大的吸引力。不少直线运动的机械是由旋转电机传动的，必须配置由旋转运动变为直线运动的机械传动装置，使得整个装置机构庞大，成本较高和效率较低。采用直线感应电机，不但省去了机械
电机的历史与未来发展 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】
摘要 在现代社会中，电能是现代社会最主要的能源之一。在电能的生产、输送和使用等方面，电机起着重要的作用。从19世纪30年代法拉第发明了世界上第一台真正意义上的电机—法拉第圆盘发电机开始，到现在21世纪10年代，电机的发展已经经过了近200年的历史。从最初的直流电机到现在大热的超声电机，随着科学的进步，生产力的迅猛发展，电机更新换代的速度日益加快，应用范围也越来越广，遍及生产生活的各个领域。我国在电机方面起步比西方国家晚了100年，但研究发展速度很快，很多企业和高校也都有自己新的研究技术，与国外先进国家的差距在逐渐缩短。未来，相信电机的应用和发展将会更加环保，更加智能。 关键词：电机、历史、发展、中国电机发展、未来 1、电机的简介 电机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。电机主要包括发电机、变压器和电动机等类型。发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，电动机将电能转换成为机械能，用来驱动各种用途的生产机械。 在自然界各种能源中，电能具有大规模集中生产、远距离经济传输、智能化自动控制的突出特点，它不但成为人类生产和活动的主要能源，而且对近代人类文明的产生和发展起到了重要的推动作用。与此相呼应，作为电能生产、传输、使用和电能特性变化的核心装备，电机在现代社会所有行业和部门中也占据着越来越重要的地位。 纵观电机的发展，其应用范围不断扩大，使用要求不断提高，结构类型不断增多，理论研究也不断深入。特别是近30年来，随着电力电子技术和计算机技术的进步，尤其是超导技术的重大突破和新原理；新结构；新材料；新工艺；新方法的不断推动，电机发展更是呈现出勃勃生机，其前景是不可限量的。 2、电机的历史 直流电机发展史 1820年丹麦物理学家奥斯特发现了电流磁效应 随后安培通过总结电流在磁场中所受机械力的情况建立了安培定律
直线电机在城市轨道交通系统中的应用 摘要：介绍了直线电机工作原理和直线电机电动车特点，以及日本利用直线电机的地铁和常导磁悬浮交通系统发展的概况。 城市交通在城市的发展过程中愈来愈重要，而城市轨道交通占据突出的位置。由于近年来科学技术的发展和进步，包括地铁、轻轨交通、单轨交通、新交通系统以及磁悬浮交通系统等城市轨道交通的形式变化多样。在改善城市交通的时候，各个城市根据自己城市的具体特点选择交通系统的范围也更宽。安全、舒适、高密度运行，通过引入新技术达到节能，保护环境，降低成本，从结构和性能上采取措施，不断进行改进，保持先进性是城市轨道交通存在的价值。在城市轨道交通系统中，根据车辆的特点，采用直线电机作为驱动电机又提供了一种新的选择。 1 直线电机的工作原理 通常，电动机是旋转型的。定子包围着圆筒形的转子，定子形成磁场，在转子中流过电流，使转子产生旋转力矩。而直线电机则是将两个圆筒形部件展开成平板状，面对面，定子在相应于转子移动的长度方向上延长，转子通过一定的方式被支承起来，并保持稳定，形成转子和定子之间的空隙。 直流电机、感应电机、同步电机等都可做成直线电机，但是，直流电机在结构上无法做成无整流子型，所以，直线电机一般为感应电动机和同步电动机。这些交流电动机的1次侧有作为定子侧的，也有作为转子侧即移动体侧的。例如，超导磁悬浮中，同步电动机的定子（地上）是1次侧，旋转磁场在地上移动；而地铁的直线电机，感应电动机的旋转磁场装在车上，2次侧固定在地上。前者的空隙靠左右导向线圈保持，而后者靠车轮保持。 产生推进力的原理与电动机产生力矩的原理一样，在直线电机地铁中，安装在转向架上的直线电动机沿前进方向产生移动磁场。让面对该磁场、安装在地上的反作用板（相当于2次线圈）中通过2次电流（涡电流），由这个2次电流切割磁场产生的力作为反作用力，安装在转向架上的直线电动机得到推进力。 直线电机的基本缺点是很难将定子与转子空隙做成象旋转式电机那么小，旋转式是无限循环的，而直线电动机是有端头的。为此，泄漏磁通多，电气—机械能量转换的效率低，如果要得到相同的输出，逆变器的容量需要比旋转式大。 2 直线电机电动车的特点 在使用旋转式电机的电动车中，一般是通过齿轮减速将旋转力矩转换为列车的牵引力，同时也受到轮轨间粘着的限制。 直线电机电动车的推进力和制动力都利用直线电机，如上所述，有1次侧在车上和地上2种。1次侧在车上时，要将VVVF逆变器和直线电机装载在车上，使车辆重量增加，车辆价格高；但在地面上的设备仅只有反作用板，又降低了建设费用。1次侧在车上的方式已在一部分地铁得到了实际应用。 在直线电机的电动车中，推进力由铺设在钢轨间的反作用板直接传递，所以不受粘着的限制，有可能从滑行和空转产生的各种问题中解脱出来，有利于通过大坡道（最大坡度可达60‰～80‰）和小半径曲线（最小半径为50 m）的线路。此外，由于直线电机无转动部件，所以不需要轴承和润滑机构，使之结构简单，延长寿命，这是其最大的特点。 在旋转电动机中，旋转力矩与其直径的平方成正比，所以要得到大的旋转力矩，电动机的直径就要增大，在直线电机中，这相当于将相应的部分在长度方向延长，而高度方向可以减小。在大型电机中，如果是1级齿轮减速，车轮直径也必须加大；而在直线电机驱动中，则不必如此，所以，可以减小车轮的直径，这将使车辆的地板面的高度降低。
直线电机工作原理及其驱动技术的应用 摘要：简述了直线电机工作原理及其驱动技术，并且举例说明了直线电机直接驱动与传统数控机床“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的传动方式对比具有的巨大优势。介绍了直线电机进给驱动技术在数控机床上的几个应用实例，指出直线电机进给驱动技术将是高速数控机床未来发展的方向。 引言 随着航空航天、汽车制造、模具加工、电子制造行业等领域对高效率地进行加工的要求越来越高，需要大量高速数控机床。机床进给系统是高速机床的主要功能部件。而直线电机进给系统彻底改变了传统的滚珠丝杠传动方式存在的弹性变形大、响应速度慢、存在反向间隙、易磨损等先天性的缺点，并具有速度高、加速度大、定位精度高、行程长度不受限制等优点，令其在数控机床高速进给系统领域逐渐发展为主导方向。 1 直线电机及其驱动技术 现代先进的驱动技术主要分为两大类：一类为电磁式的，另一类则为非电磁式的。 电磁类的现代先进的驱动技术主要由现代电磁类驱动器与现代控制系统组成，它的驱动器包括传统改进型的电磁驱动器与新发展型的电磁驱动器。它们中有旋转的、直线的、磁浮的、电磁发射的等等。除了在一般通用电机技术基础上改进获得的电机技术外，还有更多的是在通用电机技术基础上进一步发展的新型电机技术，如直线电机技术、无刷直流电机技术、开关磁阻电机技术和各种新型永磁电机技术等。 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通过中问任何转换装置的新颖电机，它具有系统结构简单、磨损少、噪声低、组合性强、维护方便等优点。旋转电机所具有的品种，直线电机几乎都有相对应的品种，其应用范围正在不断扩大，并在一些它所能独特发挥作用的地方取得了令人满意的效果。 直线电机结构示意图如下图所示。直线电机是将传统圆筒型电机的初级展开拉直，变初级的封闭磁场为开放磁场，而旋转电机的定子部分变为直线电机的初级，旋转电机的转子部分变为直线电机的次级。在电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，在初级和次级间产生气隙磁场，气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，沿展开的直线方向呈正弦分布。当三相电流随时问变化时，使气隙磁场按定向相序沿直线移动，这个气隙磁场称为行波磁场。当次级的感应电流和气隙磁场相互作用便产生了电磁推力，如果初级是固定不动的，次级就能沿着行波磁场运动的方向做直线运动。即可实现高速机床的直线电机直接驱动的进给方式，把直线电机的初级和次级分别直接安装在高速机床的工作台与床身上。由于这种进给传动方式的传动链缩短为0，被称为机床进给系统的“零传动”。 与“旋转伺服电机+滚珠丝杠”传动方式相比较，直线电机直接驱动有以下优点：（1）高速度，目前最大进给速度可达100～200m／min。（2）高加速度，可高达2g～10g。（3）定位精度高，由于只能采用闭环控制，其理论定位精度可以为0，但由于存在检测元件安装、测量误差，实际定位精度不可能为0。最高定位精度可达0．1～0．01m。（4）