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        【直線電機】直線電機原理與應用 直線電機的優缺點

        發布日期:2018/2/27 10:09:35 訪問次數:5820

        直線電機原理

        由定子演變而來的一側稱為初級,由轉子演變而來的一側稱為次級。在實際應用時,將初級和次級制造成不同的長度,以保證在所需行程范圍內初級與次級之間的耦合保持不變。直線電機可以是短初級長次級,也可以是長初級短次級。考慮到制造成本、運行費用,以直線感應電動機為例:當初級繞組通入交流電源時,便在氣隙中產生行波磁場,次級在行波磁場切割下,將感應出電動勢并產生電流,該電流與氣隙中的磁場相作用就產生電磁推力。如果初級固定,則次級在推力作用下做直線運動;反之,則初級做直線運動。直線電機的驅動控制技術一個直線電機應用系統不僅要有性能良好的直線電機,還必須具有能在安全可靠的條件下實現技術與經濟要求的控制系統。隨著自動控制技術與微計算機技術的發展,直線電機的控制方法越來越多。

        對直線電機控制技術的研究基本上可以分為三個方面:一是傳統控制技術,二是現代控制技術,三是智能控制技術。傳統的控制技術如PID反饋控制、解耦控制等在交流伺服系統中得到了廣泛的應用。其中PID控制蘊涵動態控制過程中的信息,具有較強的魯棒性,是交流伺服電機驅動系統中最基本的控制方式。為了提高控制效果,往往采用解耦控制和矢量控制技術。在對象模型確定、不變化且是線性的以及操作條件、運行環境是確定不變的條件下,采用傳統控制技術是簡單有效的。但是在高精度微進給的高性能場合,就必須考慮對象結構與參數的變化。各種非線性的影響,運行環境的改變及環境干擾等時變和不確定因素,才能得到滿意的控制效果。因此,現代控制技術在直線伺服電機控制的研究中引起了很大的重視。常用控制方法有:自適應控制、滑模變結構控制、魯棒控制及智能控制。主要是將模糊邏輯、神經網絡與PID、H∞控制等現有的成熟的控制方法相結合,取長補短,以獲得更好的控制性能。

        直線電機的結構

        直線電機的結構可以看作是將一臺旋轉電機沿徑向剖開,并將電機的圓周展開成直線而形成的。其中定子相當于直線電機的初級,轉子相當于直線電機的次級,當初級通入電流后,在初次級之間的氣隙中產生行波磁場,在行波磁場與次級永磁體的作用下產生驅動力,從而實現運動部件的直線運動。

        直線電機的特點

        高速響應

        由于系統中直接取消了一些響應時間常數較大的如絲杠等機械傳動件,使整個閉環控制系統動態響應性能大大提高,反應異常靈敏快捷。

        位精度高 線驅動系統取消了由于絲杠等機械機構引起的傳動誤差減少了插補時因傳動系統滯后帶來跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制,即可大大提高機床的定位精度。

        傳動環節的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯后現象,同時提高了其傳動剛度。

        速度快、加減速過程短

        行程長度不受限制 在導軌上通過串聯直線電機,就可以無限延長其行程長度。

        動安靜、噪音低 由于取消了傳動絲杠等部件的機械摩擦,且導軌又可采用滾動導軌或磁墊懸浮導軌(無機械接觸),其運動時噪音將大大降低。

        效率高 由于無中間傳動環節,消除了機械摩擦時的能量損耗。

        直線電機的應用

        直線電機主要應用于三個方面:

        應用于自動控制系統,這類應用場合比較多;

        作為長期連續運行的驅動電機;

        應用在需要短時間、短距離內提供巨大的直線運動能的裝置中。

        U槽無刷直線電機可以直接驅動,無需將轉動轉為線性運動,機械結構簡單可靠。電機運行超平穩,無齒槽效應,動態響應速度極快,慣量小,加速度可達20G,速度達到10-30m/s,低速1μm/s時運動平滑,剛性高,結構緊湊,可選配直線編碼器做高精度位置控制,其位置精度取決于所選編碼器。

        定子軌道可以按需要連接,因而理論上電機長度不限。電機動子與定子不接觸運動,沒有采用普通絲桿滾珠和皮帶等傳動的磨損、卡死、背隙問題,因此我們的直線電機可以達到免維護長期工作。我們的U型槽式直線電機分為鐵芯和無鐵芯兩類,鐵芯類直線電機單位體積出力更大,非鐵芯直線電機無磁滯和渦流效應,運動更加平滑高速,磁損耗少,發熱小。 

        此類直線電機特別適用于:機器人、致動器、直線平臺、光學光纖排列定位、精密機床、半導體制造、視覺系統、電子元件接插、工廠自動化等對運動系統的速度和精度同時要求較高的應用場合。

        直線電機的優缺點

        直線電機的優點

        1、結構簡單。管型直線電機不需要經過中間轉換機構而直接產生直線運動,使結構大大簡化,運動慣量減少,動態響應性能和定位精度大大提高;同時也提高了可靠性,節約了成本,使制造和維護更加簡便。它的初次級可以直接成為機構的一部分,這種獨特的結合使得這種優勢進一步體現出來。

        2、適合高速直線運動。因為不存在離心力的約束,普通材料亦可以達到較高的速度。而且如果初、次級間用氣墊或磁墊保存間隙,運動時無機械接觸,因而運動部分也就無摩擦和噪聲。這樣,傳動零部件沒有磨損,可大大減小機械損耗,避免拖纜、鋼索、齒輪與皮帶輪等所造成的噪聲,從而提高整體效率。

        3、初級繞組利用率高。在管型直線感應電機中,初級繞組是餅式的,沒有端部繞組,因而繞組利用率高。

        4、無橫向邊緣效應。橫向效應是指由于橫向開斷造成的邊界處磁場的削弱,而圓筒型直線電機橫向無開斷,所以磁場沿周向均勻分布。

        5、容易克服單邊磁拉力問題。徑向拉力互相抵消,基本不存在單邊磁拉力的問題。

        6、易于調節和控制。通過調節電壓或頻率,或更換次級材料,可以得到不同的速度、電磁推力,適用于低速往復運行場合。

        7、適應性強。直線電機的初級鐵芯可以用環氧樹脂封成整體,具有較好的防腐、防潮性能,便于在潮濕、粉塵和有害氣體的環境中使用;而且可以設計成多種結構,滿足不同情況的需要。

        8、高加速度。這是直線電機驅動,相比其他絲杠、同步帶和齒輪齒條驅動的一個顯著優勢。

        直線電機的缺點

        1、直線電機的耗電量大,尤其在進行高荷載、高加速度的運動時,機床瞬間電流對車間的供電系統帶來沉重負荷;

        2、振動高,直線電機的動態剛性極低,不能起緩沖阻尼作用,在高速運動時容易引起機床其它部分共振;

        3、發熱量大,固定在工作臺底部的直線電機動子是高發熱部件,安裝位置不利于自然散熱,對機床的恒溫控制造成很大挑戰;

        4、不能自鎖緊,為了保證操作安全,直線電機驅動的運動軸,尤其是垂直運動軸,必須要額外配備鎖緊機構,增加了機床的復雜性。

        隨著高速加工技術的迅速發展,對傳動及控制系統的要求越來越高,使直線電機驅動技術的研究力度在逐步加大。現在直線電機的許多缺點已經被克服,直線電機的動力性能也更加的卓越。直線驅動技術的研究既是技術向更高更快發展的趨勢,同時也更能滿足市場需要,帶來更大的經濟效益,成為未來發展的必然趨勢。

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