中南大学
硕士学位论文
磁悬浮平台的直线电机的电磁特性研究
姓名：肖俏伟
申请学位级别：硕士
专业：机械电子工程
指导教师：段吉安;李群明
20070129
中南大学硕Ｌ学位论文第二章空芯永磁直线同步电机气隙磁场和推力的解析分析第二章空芯永磁直线同步电机气隙磁场和推力的解析分析
本章介绍了永磁同步直线电机的类型和基本结构，详细介绍了两级磁悬浮平台驱动用双边式空芯永磁同步直线电机的定子和动子线圈的结构。以解析的方法分析了电机的磁场以及电机的推力，并建立了电机磁场和推力的计算公式。
２．１永磁直线同步电机
永磁直线同步电机按动子结构形状可以分为单边、双边、圆柱永磁直线同步电机；按动子磁阻特性可分为凸极型与隐极型永磁同步电机；按输入电流可分为矩形波与正弦波永磁直线同步电机。图２—１所示的为单边扁平铁心齿槽结构的永磁直线同步电机直接驱动系统结构示意图。
图２－１永磁直线同步电机直接驱动系统
２．１．１永磁直线同步电机的基本结构类型及其特点
永磁直线同步电机按结构与性能特点主要分为以下几类ｎ“：铁心齿槽直线电机、空芯直线电机、无槽直线电机三类。
图２－２铁心永磁直线电机结构示意图，
铁心齿槽永磁直线电机结构原理如图２—２所示，绕组按一定规律固定在叠层铁心上。该类结构永磁电机的优势体现在以下几方面：（１）由于铁心的聚磁作
中南大学硕上学位论文第二章宅芯水磁直线同步电机气隙磁场和推力的解析分析
用，气隙磁密较大，产生的推力密度比较大；（２）散热性能比较好；（３）动子刚度比较高。不足之处在于：（１）法向吸力比较大；（２）动子质量大；（３）齿槽效应引起推力波动；（４）铁心的磁饱和问题等。
无槽永磁直线电机结构如图２—３所示。与铁心齿槽直线电机相比，去除绕组铁心，采用非铁磁材料如聚合物等固定安装绕组即转换为无槽永磁直线电机。无槽永磁直线电机的等效气隙相应变大，相同情况下气隙密度变低，力密度比铁心永磁直线同步要低。由于去除了绕组铁心，动子质量变轻，同时无齿槽效应问题，磁饱和现象相对较弱，法向吸力一定程度上减小，由于背铁的作用，依然保持较好结构刚度与散热性能。
图２－３无槽永磁直线电机结构示意图
如果将无槽永磁直线电机的绕组背铁去除即转换为空心永磁直线电机。去除绕组背铁，动子质量进一步降低，气隙磁密进一步降低，力密度相应更低，相应电流峰值密度比较高；同时散热性能下降，动子刚度降低；同样不存在齿槽效应问题，完全无磁饱和现象。
上述后两种结构永磁直线电机都属于无齿槽结构电机，与铁心齿槽结构电机相比，单位体积出力较低，相应输入电流更高，永磁材料费用更高，但绕组成本低；在低速范围内效率更高，但在高速时效率较低；无齿槽效应引起的推力波动问题，噪声更低。三类永磁直线电机的性能对比如表２一ｌ所示“钉
表２－１三类永磁直线电机ｌ生能对比
性能铁芯齿槽电机空芯电机无槽电机
造价最低高低
法向吸力大无中等
齿槽力大无中等单位体积出力大小中等热特性最好差好
动子重量高轻中等
动子强度大小较大
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
直线电机装配工艺的研究与应用
摘要：为了提高企业制造技术，加快新技术的开发，促进企业技术进步，随着高速切削、超精密加工等先进制造技术的发展，要求要有很高的驱动推力、快速进给速度和极高的快速定位精度。机床进给系统形成了直线电机直接驱动为主的发展方向。本文阐述了直线电机的工作原理及其功能，并以CKS6125数控车床所采用的直线电机为例，阐述直线电机的装配工艺的关键技术，且对直线电机的主要装配工序进行分析与研究。此次直线电机试装的成功，为我厂机床更新换代，经济的发展起到了积极的推动作用。 1．引言 近年来，就如何提高企业制造技术，加快新技术的开发，以被越来越多企业所重视。随着高速切削、超精密加工等先进制造技术的发展，对机床各项性能指标提出了越来越高要求。同时也对机床进给系统的伺服性能提出了更高的要求：要有很高的驱动推力、快速进给速度和极高的快速定位精度。高速度、高加速度和高精度是现代伺服的要求及发展趋势。直线电动机高速进给单元的应用使进给传动链及其结构发生深刻的变化，机床进给系统形成了直线电机直接驱动为主的发展方向。直线电机的机械结构虽然简单，但制造工艺要求却非常严格，为加快我国高速加工技术的发展与应用，加速我厂数控机床的更新换代，组织力量对直线电机装配工艺过程进行攻关是必要的。 2．直线电机简介 直线电机是将直线位移机构的传动元件和执行元件相结合。按能量转换定理，进给机构的直线电机可分为同步电动机和异步电动机。直线电机结构紧凑、功率损耗小、快移速度高、加速度高、运动噪声低等优点，直线电机
驱动方式与旋转电机驱动方式的最大区别是，取消了从电动机到工作台之间的一切机械中间传动环节，实现了“零传动”，避免了丝杠传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚性不足等缺点，使机床的性能大大提高。这项新技术国际上只有几家较大的机床公司把它应用到机床行业，而我国直线电机的设计制造技术刚刚起步，尚末形成批量生产规模，直线电机各项性能指标和国外尚有较大差距。 我厂在数控车床上应用直线电机在国内是第一家，所以说直线电机在CKS6125数控车床X轴上的应用，是我们对这项新技术的尝试，这项新技术研制的成功，为以后的机床开发和应用打下了基础。由于该项技术为我厂首次试制，直线电机的装配应处在探索中。 CKS6125数控车床X轴直线电机采用的是西门子1FN3永磁同步直线电机，是将初级部构芯（线圈）安装在滑板上，次级部构芯（磁铁）安装在床鞍上而成的一个完整内装式电机。其结构如图1： 图1 1FN3永磁同步直线电机主要有初级部分、次级部分、初级部构芯型材、精密冷却部分组成，其结构如图2：
《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
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。
16.3 探究电磁铁的磁性 学习目标 1、了解什么是电磁铁。知道电磁铁的特性和工作原理。 2、了解影响电磁铁磁性强弱的因素。 3、知道电磁铁的应用。 学习重点：了解电磁铁的工作原理。 学习难点：探究影响电磁铁磁性强弱的因素。 导学方法：讲授法实验法 课前导学 1、我们把插入的叫电磁铁。它时有磁性， 无磁性。 2、电磁铁的磁性强弱与和及有无有关。 课堂导学 1、电磁铁 定义：把一根导线绕成，再给螺线管内插入，当有电流通过它时，也可以像永久磁铁那样工作。这种磁体，在有电流通过时有，没有电流时失去磁性。我们把这种磁体叫作。 演示实验：取一个带有铁芯的螺线管、一些大头针，将螺线管通电，靠近大头针，观察发生的现象，然后断开电路，观察发生的现象。 现象表明：螺线管通电时，断电时。我们把叫电磁铁。它运用于我们生活的很多领域。 2、电磁铁磁性的强弱跟哪些因素有关 演示实验：将刚才的实验电路图中加一个滑动变阻器，闭合电路，调整变阻器的滑片，使电路中电流的大小发生变化，观察吸引大头针的数目有什么变化。 实验现象表明：。 那么电磁铁的磁性强弱还跟什么因素有关呢？ 探究实验： 问：怎样判断电磁铁磁性强弱？答：。 猜想：电磁铁的磁性强弱与有关。 设计实验（注意变量的控制）。 进行实验，完成下面的表格。 影响电磁铁磁性强弱的因素有、、。带有，越强，越多，磁性就越强。 3、电磁铁的优点及应用 优点： （1）磁性有无可以通过通、断来控制； （2）磁极的极性可以通过改变来控制； （3）磁性强弱可以通过改变通入电磁铁的或来控制。 阅读课本p15~16，了解电磁铁的几个具体应用：电磁起重机，电磁选矿机，电铃等等。
直线电机和传统的旋转电机的区别 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 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）之间的机械传动环节，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。 1.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机械传动件（如丝杠等）， 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。 2.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，即可大大提高机床的定位精度。 3. 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度。 4.速度快、加减速过程短：由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车（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）当然是没有问题的。也由于上述"零传动"的高速响应性，使其
加减速过程大大缩短。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（g=9.8m/s2），而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1～0.5g。 5.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（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。 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，传动效率大大 提高。 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！ 更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展.
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/c99352391.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
《探究电磁铁的磁性》教案 教学目标：1、知识与技能： （1知道什么是电磁铁，了解电磁铁在生产、生活和自动控制中的应用 （2）理解电磁铁的特点和工作原理 2、过程与方法： （1）经历探究电磁铁磁性强弱跟哪些因素有关的过程，进一 步熟悉控制变量法。 （2）在探究过程中学习发现、提出问题、制定简单的实 验方案。 3、情感态度与价值观： （1）通过了解电磁铁在生产实践中的应用，认识物理是有用 的，以激发学生的学习兴趣。 （2）通过一系列制作、实验探究活动，让学生感知实验的意义和价值。 重点：1.通电螺线管的磁场 2.影响电磁铁磁性强弱的因素 3.电磁铁的应用 难点：1.右手螺旋定则的实际应用 2.探究电磁铁磁性强弱的过程 教学方法：讲授法、讨论法、实验法 课时安排：1课时 教学设备：多媒体 教学过程 导入新课复习：1、奥斯特实验说明了什么？2、电流的三个效应？ 3、右手螺旋定则的内容？ 引入：从生活走向物理 观看图片：电磁起重机和磁悬浮列车。看完的同学议一议，你最想知道什么？
引入：电磁铁的概念。 推进新课 一、认识电磁铁 1、观察电磁铁的结构 2、给电磁铁通电后观察电磁铁是否有磁性 电路中电流增大时，磁性如何变化 插入铁芯时磁性的变化 改变的方向，磁场的方向改变吗？（多媒体播放） 分析与结论：电磁铁的主要部分是螺线管，通电螺线管具有磁性，电流越大磁性越强；通电螺线管有铁芯时磁性增强；改变螺线管中电流的方向，磁场的方向也发生改变。 二、探究电磁铁的磁性与哪些因素有关 1.猜想磁性强弱可能与电流的大小、线圈的匝数有关 2.器材电源、开关、变阻器、导线、电流表、大头针、电磁 铁 3.设计电路 4.实验方法和过程 A 方法:控制变量法 过程：（1）研究电磁铁的磁性强弱跟电流的关系 不变量：线圈匝数 改变量：电流的大小 现象：电流越大，吸引的大头针越多 结论：当线圈匝数一定时，电流越大，磁性越强。 (2)研究电磁铁的磁性跟线圈匝数的关系 不变量：电流的大小 改变量：线圈匝数 现象：线圈匝数越多，吸引的大头针越多 3.结论：当电流的大小一定时，线圈匝数越多，磁性越强。
直线电机简介 直线电机是将直线位移机构的传动元件和执行元件相结合。按能量转换定理，进给机构的直线电机可分为同步电动机和异步电动机。直线电机结构紧凑、功率损耗小、快移速度高、加速度高、运动噪声低等优点，直线电机驱动方式与旋转电机驱动方式的最大区别是，取消了从电动机到工作台之间的一切机械中间传动环节，实现了“零传动”，避免了丝杠传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚性不足等缺点，使机床的性能大大提高。这项新技术国际上只有几家较大的机床公司把它应用到机床行业，而我国直线电机的设计制造技术刚刚起步，尚末形成批量生产规模，直线电机各项性能指标和国外尚有较大差距。 图1 永磁同步直线电机主要有初级部分、次级部分、初级部构芯型材、精密冷却部分组成，其结构如图2：
图2 图3： 图3 1．直线电机装配工艺的关键技术及工艺方案 1.1 直线电机装配工艺的关键技术 根据直线电机的结构特点，直线电机零件加工和装配的主要关键： a) 初、次级部构芯安全装配。 b) 安装直线电机所需工装选择。 c) 安装直线电机螺钉紧固扭矩选择。 端子盒 可选件：精确冷却器 (对环境温度影响< 4 K) 次级部分 初级部分 可选件：连续防护件 (保护次级部分) 动力冷却器 可选件：尾端件 (固定机盖，水流入流出) 可选件：冷却部分 (对环境温度影响< 4 K)
d)直线电机初、次级部芯装配。 e)直线电机装配后检查与运车。 1.2直线电机装配工艺方案确定 直线电机机械结构较为简单，但其装配工艺却非常严格。由于直线电机次级构芯的永磁体有一个强大的静态磁场和相当高铁铁磁极力，这对于人的健康和安全有直接的影响，因此装配过程中既要考虑如何保证直线电机的装配精度，也要重视人身安全。按照上述要求制定直线电机装配工序流程为： 装配前准备→将床鞍安装在床身、安装床鞍导轨→预装滑板调整机床精度→将次级部构芯冷却安装在床鞍上并试漏→安装次级部构芯→安装次级部构芯磁性盖板→将初级部构芯冷却器安装在滑板上→安装初级部构芯→安装滑板→检验直线电机安装情况（手动）→连接各冷却和液压管路→完善各部 1.3直线电机装配过程的分析 由于直线电机装配后，拆装非常困难，因此必须做好装配前准备工作。装配前应按目录清点零件,收集所需工装，清洗零件，按图纸对零件进行检测。按照直线电机装配工艺流程进行装配。 一、如何实现直线电机安全装配 由于直线电机次级构芯的永磁体有一个强大的静态磁场和相当高铁磁极力，因此装配过程中要求做到： a.磁性材料距次级部构芯距离必须保证＞100mm。 b.手表、磁性材料（磁卡、软盘等）要远离。 c.安装、维修、维护设备时要带工作手套。 d.带心脏起搏器的人员不得在此设备上工作。
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 系部：机械工程系 专业：起重运输机械设计与制造 班级：起机121 学生姓名：吴燚 学号：120125145 指导教师：安林超 2014年10月20日
绪论 直线电机也称线性电机，线性马达，直线马达，推杆马达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。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和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。 直线电机动子（forcer,rotor)是用环氧材料把线圈压成的。磁轨是把磁铁固定在钢上。 直线电机在过去的10年，经实践上引人注目的增长和工业应用的显著受益才真正成熟。 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（air gap）。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。 直线电机的控制和旋转电机一样。象无刷旋转电机，动子和定子无机械连接（无刷），不象旋转电机的方面，动子旋转和定子位置保持固定，直线电机系统可以是磁轨动或推力线圈动（大部分定位系统应用是磁轨固定，推力线圈动）。用推力线圈运动的电机，推力线圈的重量和负载比很小。然而，需要高柔性线缆及其管理系统。用磁轨运动的电机，不仅要承受负载，还要承受磁轨质量，但无需线缆管理系统。 相似的机电原理用在直线和旋转电机上。相同的电磁力在旋转电机上产生力矩在直线电机产生直线推力作用。因此，直线电机使用和旋转电机相同的控制和可编程配置。直线电机的形状可以是平板式和U 型槽式，和管式.哪种构造最适合要看实际应用的规格要求和工作环境。
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。
直线电机的缺点 以下专业资料由精密丝杆供应商:雷研精密传动设备有限公司提供。 很多机械制造行业的技术人员想迫切了解直线电机能否完全替代滚珠丝杠，就目前来说，只能说是一个很好的发展方向，但尚有很多技术不是很成熟，直线电机的缺点，主要有以下方面： (1)伺服控制难度大直线电机传动的控制只能是全闭环控制。这样，工作台的负荷(工件重盆、切削力等)及其变化，对一个稳定系统来说就是外界干扰，若自动调节不好会使系统失稳而展荡。而回转电机传动可采用半闭环隔离这些干扰。即使采用全闭环，由于存在着滚珠丝杆等这些弹性中间环节，它们既有刚性差而使加速度上不去的负面影响，又有吸收和抑制干扰的正面作用，而使伺服控制难度减小。此外，由于是在高速、高精度下工作，还要求反馈用位置检测元件具备调速数据采集和响应能力和较高的分辨率。 (2)应用于垂直行程部件时，由于存在着重力加速度，故要求采取复杂的平衡措施，否则会造成电机过热。由于是在高速、高精度下工作，要求快速响应，往往不是简单加平衡重锤所能解决的，而需在电机和伺服驱动电路上采取措施。断电时的自锁措施也比回转电机传动复杂。回转电机传动一般可在联轴节处装简单的超越离合器来解决自锁问题。 (3) 往往要采取冷却措施凡是电机都要发热的。回转电机一般安装在机床的周边位置,有较好的散热条件, 远离构件, 难以造成构件的热变形, 因而一般不采取冷却措施。而直线电机因安装在机床腹部，根据具体情况, 有时须采取风冷(自然风或压缩空气)或循环水冷的措施。这时, 气管或水管还必须随工作台一起作高速运动。 (4) 装配和防护难度加大回转电机的磁场是闭式的, 而直线电机的是开式的。特别是同步式, 定件上要安装一排或多排强磁的永久磁钢, 而床身等构件和装配用工具又都是磁性材料, 动不动就会被吸住,尘埃中的磁性物质, 钢铁等切屑都难抗拒强磁的吸力, 一旦尘屑堵 住了不大的气隙, 电机就不能工作. 1直线电机工作原理 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。 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，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。直线电机的驱动控制技术一个直线电机应用系统不仅要有性能良好的直线电机，还必须具有能在安全可靠的条件
浅谈直线电机的应用 简要介绍直线电机在轨道交通运输、机械设备、物料搬运等多领域的实际应用情况，分析各方面应用的优势和成果，指出直线电机的应用前景，将是未来的发展方向。 标签：直线电机；磁悬浮；直接传动 1 概述 直线电机也称线性电机，线性马达，直线马达。常用的直线电机有平板式、U型槽式和管式等。直线电机可以认为是旋转电机在结构上沿径向展开，平铺而成。因为直线电机无需把圆周运动转化成直线运动，所以省去了大量的传动机构，大大简化系统的结构，体积和重量大大降低，同时传动功耗也得到减少，效率也得到提高。 由于自动化控制技术以及微型计算机技术的快速发展，直线电机的应用效果在很多方面得到完善，如定位精度方面、响应速度等等。为此，近年来许多国家都在积极研究直线电机的应用，这让直线电机的应用推广越来越丰富。 2 直线电机应用 2.1 轨道交通方面 直线电机应用首当其冲的是磁悬浮列车方面，而磁悬浮列车的承载结构主要分为常导吸浮型和超导斥浮型两类。 常导吸浮：是指直线电机导体线圈在常温下工作，磁场极性相异产生吸力为原理使列车悬浮，通常称为常导吸浮型，主要代表为德国的磁悬浮。 超导斥浮：是指直线电机线圈在低温时的超导效果，形成抗磁性磁极斥力作用为原理，通常称为超导斥浮型，主要代表为日本的磁悬浮。 传统轨道交通的造价上涨、运营提速，使得磁悬浮的应用前景一片光明。加上电力技术和控制技术的不断发展，使其与传统轨道交通有着巨大的竞争力。 2.2 机械设备方面 由于直线电机的线性运动的特点，在机械设备和机电设备上都有广泛的应用。直线电机驱动的各种数控机床，在机械加工方面多用于往复运动的动力源，替代了传统机械丝杆传动。 在冶金设备中，电磁泵、金属搅拌器；纺织设备中，电梭子、割麻装置；自
交流永磁直线电机及其伺服控制系统的设计 摘 要 直线电机在各行各业中发挥着越来越重要的作用，特别是在机床进给驱动系统中。本 文以平板式交流永磁同步直线电机为研究对象，从电机机体到伺服驱动系统的软、硬件设 计作了深入研究。 本文首先介绍了交流永磁同步直线电机机体设计过程中电枢绕组、铝芯和定子磁钢的 设计和改进方法，较大程度上减小了推力波动，并且结合大推力直线电机的特点设计了方 便有效的装配过程。 建立交流永磁同步直线电机的数学模型，在此基础上分析了当今最通用的伺服控制策 略，选择了矢量控制方法。确定 0 = d i 的矢量控制实现形式。通过 SVPWM 方法进行脉宽调 制，合成三相正弦波。选用 TI 公司2000 系列最新 DSP TMS320F2812，深入研究了以上算法 在 DSP 中的实现形式。采用了 C 语言和汇编语言混合编程的实现方法。在功率放大装置中， 以智能功率模块 IPM 为核心，设计了功率伺服驱动系统。还包括电流采样、光电隔离、过 压欠压保护和电源模块等。 由于知识和能力的限制，本次课题只对直线电机做一些理论研究。 关键词：永磁同步直线电机 DSP SVPWM 矢量控制
Abstract Line motors are playing a more and more important role in all kinds of trade , especially in machine tool feed system. We carry out our study in motor , software and hardware servo system based on flat AC permanent magnet synchronous linear motor(PMSLM). First introduce the design method of armature ,core of al and magnet which can minish the thrust ripples, then introduce the means of assembly base on high thrust permanent magnet synchronous motors. To ensure the accuracy to a high requirements and get a wide speed range, we choose the dsp of Texas Instruments named TMS320F2812 which is the core of the servo system .In the paper we set up mathematical model of PMSLM, then analyse the current control strategies and choose the vector control method which is realized by the method of 0 = d i .The three phase sine wave is compounded by space voltage pulse width modulation(SVPWM).The arithmetic realized by C language and assembly language in DSP. Intelligent Power Model (IPM) is the core of the power amplification circuit system which also contains current sampling circuit, photoelectric-isolation circuits, over-voltage protection circuits, under-voltage protection circuits and power supply. As a result of the knowledge and ability limit, this topic only does a fundamental research to the linear motor. Key words: permanent magnet synchronous linear motor(PMSLM), DSP , SVPWM, vector control
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）。 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。 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2 直线电动机原理结构 图1 SUPT Motion 公司生产的一种直线电机
直线电动机 直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的电力传动装置。它可以省去大量中间传动机构，加快系统反映速度，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力，使动子沿行波方向作直线运动。若把直线异步电动机定子绕组中电源相序改变一下，则行波磁场移动方向也会反过来，根据这一原理，可使直线异步电动机作往复直线运动。 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。 直线电机原理 一般电动机工作时都是转动的．但是用旋转的电机驱动的交通工具（比如电动机车和城市中的电车等）需要做直线运动，用旋转的电机驱动的机器的一些部件也要做直线运动．这就需要增加把旋转运动变为直线运动的一套装置．能不能直接运用直线运动的电机来驱动，从而省去这套装呢？几十年前人们就提出了这个问题．现在已制成了直线运动的电动机，即直线电机． 1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. 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。 直线电机的原理并不复杂．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电动机（图）．在直线电机中，相当于旋转电机定子的，叫初级；相当于旋转电机转子的，叫次级．初级中通以交流，次级就在电磁力的作用下沿着初级做直
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。 定子轨道可以按需要连接，因而理论上电机长度不限。电机动子与定子不接触运动，没有采用普通丝杆滚珠和皮带等传动的磨损、卡死、背隙问题，因此我们的直线电机可以达到免维护长期工作。我们的U型槽式直线电机分为铁芯和无铁芯两类，铁芯类直线电机单位体积出力更大，非铁芯直线电机无磁滞和涡流效应，运动更加平滑高速，磁损耗少，发热小。 此类直线电机特别适用于：机器人、致动器、直线平台、光学光纤排列定位、精密机床、半导体制造、视觉系统、电子元件接插、工厂自动化等对运动系统的速度和精度同时要求较高的应用场合。 b