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1、第12章 直线电机,12.1 概述 12.2 直线感应电动机 12.3 直线直流电动机 12.4 直线自整角机 12.5 直线和平面步进电动机,12.1 概 述,直线电机是近年来国内外积极研究发展的新型电机之一。它是一种不需要中间转换装置，而能直接作直线运动的电动机械。过去，在各种工程技术中需要直线运动时，一般是用旋转电机通过曲柄连杆或蜗轮蜗杆等传动机构来获得的。但是，这种传动形式往往会带来结构复杂，重量重，体积大，啮合精度差且工作不可靠等缺点。,近十几年来，科学技术的发展推动了直线电机的研究和生产，目前在交通运输、机械工业和仪器仪表工业中，直线电机已得到推广和应用。在自动控制系统中，采用直线
2、电机作为驱动、指示和信号元件也更加广泛，例如在快速记录仪中，伺服电动机改用直线电机后，可以提高仪器的精度和频带宽度；在雷达系统中，用直线自整角机代替电位器进行直线测量可提高精度，简化结构；在电磁流速计中，可用直线测速机来量测导电液体在磁场中的流速；另外，在录音磁头和各种记录装置中，也常用直线电机传动。,与旋转电机传动相比，直线电机传动主要具有下列优点：(1)直线电机由于不需要中间传动机械，因而使整个机械得到简化，提高了精度，减少了振动和噪音；(2)快速响应：用直线电机驱动时，由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响，因而加速和减速时间短，可实现快速启动和正反向运行；(3)仪表用的直线电机，可
3、以省去电刷和换向器等易损零件，提高可靠性，延长使用寿命；,(4)直线电机由于散热面积大，容易冷却，所以允许较高的电磁负荷，可提高电机的容量定额；(5)装配灵活性大，往往可将电机和其它机件合成一体。,直线电机有多种型式，原则上对于每一种旋转电机都有其相应的直线电机。一般，按照工作原理来区分，可分为直线感应电机、直线直流电机和直线同步电机(包括直线步进电机)三种。在伺服系统中，和传统元件相应，也可制成直线运动形式的信号和执行元件。由于直线电机与旋转电机在原理上基本相同，所以下面不一一罗列各种电机，而只介绍其中典型的几种，使大家对这类电机有个基本的了解。,12.2 直线感应电动机,12.2.1 主要
4、类型和结构 直线感应电机主要有两种型式，即平板型和管型。平板型电机可以看作是由普通的旋转感应(异步)电动机直接演变而来的。图12-1(a)表示一台旋转的感应电动机，设想将它沿径向剖开，并将定、转子圆周展成直线，如图12-1(b)，这就得到了最简单的平板型直线感应电机。,由定子演变而来的一侧称作初级，由转子演变而来的一侧称作次级。直线电机的运动方式可以是固定初级，让次级运动，此称为动次级；相反，也可以固定次级而让初级运动，则称为动初级。,图 12-1 直线电机的形成(a)旋转电机；(b)直线电机,图12-1中直线电机的初级和次级长度相等，这在实用中是行不通的。因为初、次级要作相对运动，假定在开始
5、时初次级正好对齐，那末在运动过程中，初次级之间的电磁耦合部分将逐渐减少，影响正常运行。因此，在实际应用中必须把初、次级做得长短不等。根据初、次级间相对长度，可把平板型直线电机分成短初级和短次级两类，如图12-2所示。由于短初级结构比较简单，制造和运行成本较低，故一般常用短初级，只有在特殊情况下才采用短次级。,图 12-2 平板型直线电动机(a)短初级；(b)短次级,图12-2所示的平板型直线电机仅在次级的一边具有初级，这种结构型式称单边型。单边型除了产生切向力外，还会在初、次级间产生较大的法向力，这在某些应用中是不希望的。为了更充分地利用次级和消除法向力，可以在次级的两侧都装上初级。这种结构型
6、式称为双边型，如图12-3所示。,图 12-3 双边型直线电机,与旋转电机一样，平板型直线电机的初级铁心也由硅钢片叠成，表面开有齿槽，槽中安放着三相、两相或单相绕组；单相直线感应电机也可做成罩极式的，也可通过电容移相。它的次级形式较多，有类似鼠笼转子的结构，即在钢板上(或铁心叠片里)开槽，槽中放入铜条或铝条，然后用铜带或铝带在两侧端部短接。但由于其工艺和结构比较复杂，故在短初级直线电机中很少采用。最常用的次级有三种：第一种是整块钢板，称为钢次级或磁性次级，这时，钢既起导磁作用，又起导电作用；第二种为钢板上覆合一层铜板或铝板，称为覆合次级，钢主要用于导磁，而导电主要靠铜或铝；,第三种是单钝的铜板
7、或铝板，称为铜(铝)次级或非磁性次级，这种次级一般用于双边形电机中，使用时必须使一边的N极对准另一边的S极。显然，这三种次级型式都与杯形转子的旋转电机相对应。除了上述的平板型直线感应电机外，还有管型直线感应电动机。如果将图12-4(a)所示的平板型直线电机的初级和次级依箭头方向卷曲，就成为管型直线感应电动机，如图12-4(b)所示。,在平板型电机里线圈一般做成菱形，如图12-5(a)(图中只示出一相线圈的连接)，它的端部只起连接作用。在管形电机里，线圈的端部就不再需要，把各线圈边卷曲起来，就成为饼式线圈，如图12-5(b)所示。管型直线感应电动机的典型结构如图12-6所示，它的初级铁心是由硅钢
8、片叠成的一些环形钢盘，初级多相绕组的线圈绕成饼式，装配时将铁心与线圈交替叠放于钢管机壳内。管型电机的次级通常由一根表面包有铜皮或铝皮的实心钢元或厚壁钢管构成。,图 12-4 管型直线感应电机的形成(a)平板型；(b)管型,图12-5 直线感应电机的线圈(a)菱形；(b)饼式,图12-6 两相管型直线感应电动机,12.2.2 工作原理 由上所述，直线电机是由旋转电机演变而来的，因而当初级的多相绕组中通入多相电流后，也会产生一个气隙基波磁场，但是这个磁场的磁通密度波 B是直线移动的，故称为行波磁场，如图12-7所示。显然，行波的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，即为vs，称为同步
9、速度，且 vs=2f cm/s(12-1)式中，为极距(cm)，f为电源频率(Hz)。,图12 7 行波磁场,在行波磁场切割下，次级导条将产生感应电势和电流，所有导条的电流和气隙磁场相互作用，便产生切向电磁力。如果初级是固定不动的，那末次级就顺着行波磁场运动的方向作直线运动。若次级移动的速度用v表示，则滑差率,(12-2),次级移动速度,(12-3),式(12-3)表明直线感应电动机的速度与电机极距及电源频率成正比，因此改变极距或电源频率都可改变电机的速度。与旋转电机一样，改变直线电机初级绕组的通电相序，可改变电机运动的方向，因而可使直线电机作往复直线运动。直线电机的其它特性，如机械特性、调节
10、特性等都与交流伺服电动机相似，通常也是靠改变电源电压或频率来实现对速度的连续调节，这些不再重复说明。,12.3 直线直流电机,直线直流电机主要有两种类型：永磁式和电磁式。前者多用在功率较小的自动记录仪表中，如记录仪中笔的纵横走向的驱动，摄影机中快门和光圈的操作机构，电表试验中探测头，电梯门控制器的驱动等，而后者则用在驱动功率较大的机构。下面分别对它们作一些介绍。,12.3.1 永磁式 随着高性能永磁材料的出现，各种永磁直线直流电机相继出现。由于它具有结构简单，无旋转部件，无电刷，速度易控，反应速度快，体积小等优点，在自动控制仪器仪表中被广泛的采用。图12-8表示框架式永磁直线电机的 3 种结构
11、型式，它们都是利用载流线圈与永久磁场间产生的电磁力工作的。图12-8(a)采用的是强磁铁结构，磁铁产生的磁通经过很小的气隙被框架软铁所闭合，气隙中的磁场强度分布很均匀。,图12 8 框架式永磁直线电机,当可动线圈中通入电流后便产生电磁力，使线圈沿滑轨作直线运动，其运动方向可由左手定则确定。改变线圈电流的大小和方向，即可控制线圈运动的推力和方向。这种结构的缺点是要求永久磁铁的长度大于可动线圈的行程。如果记录仪的行程要求很长，则磁铁长度就更长。因此，这种结构成本高，体积笨重。图12-8(b)所示结构是采用永久磁铁移动的型式。,在一个软铁框架上套有线圈，该线圈的长度要包括整个行程。显然，当这种结构形
12、式的线圈流过电流时，不工作的部分要白白消耗能量。为了降低电能的消耗，可将线圈外表面进行加工使铜裸露出来，通过安装在磁极上的电刷把电流馈入线圈中(如图中虚线所示)。这样，当磁极移动时，电刷跟着滑动，可只让线圈的工作部分通电。但由于电刷存在磨损，故降低了可靠性和寿命。,图12-8(c)所示的结构是在软铁架两端装有极性同向放置的两块永久磁铁，通电线圈可在滑道上作直线运动。这种结构具有体积小，成本低和效率高等优点。国外将它组成闭环系统，用在25.4 cm(10英寸)录音机中，得到了良好的效果，在推动2.5 N负载的情况下，最大输入功率为8 W，通过全程只需0.25 s，比普通类型闭环系统性能有很大提高
13、。,在设计永磁直线电机时应尽可能减少其静磨擦力，一般控制在输入功率的(2030)%以下。故应用在精密仪表中的直线电机采用了直线球形轴承或磁悬浮及气垫等形式，以降低静磨擦的影响。,根据直流电机的可逆原理，永磁式直线电机除了作电动机应用外，还可作直线测速发电机用。图12-9表示我国试制的永磁直线测速机的结构示意图。由图可见，它的定子上装有两个形状相同、匝数相等的线圈，分别位于永久磁钢两个异极性的作用区段上。两个线圈可以是反向绕制，正接串联，或者同向绕制，反接串联。这样使两个处于不同极性的线圈的感应电势相加，输出增大一倍，因而可提高输出斜率。,图12 9 我国试制的永磁直线测速机的结构示意图,为获得
14、较小的电压脉动，每个线圈的长度应大于工作行程与一个磁极环的宽度之和。线圈骨架除了支撑固定线圈外，还给动子起直线运动的定向作用，所以它由既耐磨损且磨擦系数不大的工程塑料制成。动子包括永久磁钢(AlNiCo5)、磁极环(软铁)和连接杆(非磁性材料)。根据电磁感应定律，当磁钢相对于线圈以速度v运动时，磁通切割线圈边，因而在两线圈中产生感应电势E，其值可用下式表示：,式中，W/L为线圈的线密度，为每极磁通。因而感应电势与直线运动速度成线性关系。这就是直线测速机的基本原理。从关系式可见，线圈的线密度决定着测速机的输出斜率的值。若线圈绕制不均匀，排列不整齐，造成线圈各处密度不等，会使电压脉动等指标变坏。因
15、此，线圈的绕制需十分精心，这是决定电机质量的关键之一。,直线测速机是一种输出电压与直线速度成比例的信号元件，是自动控制系统、解算装置中新近提出的元件之一。其技术指标项目与旋转运动的测速机相似，只是被测的输入量是直线运动的速度。它的技术指标包括：输出斜率、线性精度、电压脉动、正反向误差、可重复性等。我国试制的这台样机的外形尺寸及技术指标为：长度54 mm、外径20 mm，工作行程10 mm，当速度范围为0.510 mm/s的情况下，灵敏度不小于10 mV/(mms-1)，电压脉动不大于5%，线性精度小于1%,正反向误差小于1%，重复性小于0.5%，并具有一定抗干扰能力等。,12.3.2 电磁式
16、当功率较大时，上述直线电机中的永久磁钢所产生的磁通可改为由绕组通入直流电励磁所产生，这就成为电磁式直线直流电机。图12-10表示这种电机的典型结构，其中图(a)是单极电机；图(b)是两极电机。此外，还可做成多极电机。由图可见，当环形励磁绕组通上电流时，便产生了磁通，它经过电枢铁心、气隙、极靴端板和外壳形成闭合回路，如图中虚线所示。电枢绕组是在管形电枢铁心的外表面上用漆包线绕制而成的。对于两极电机，电枢绕组应绕成两半，两半绕组绕向相反，串联后接到低压电源上。,当电枢绕组通入电流后，载流导体与气隙磁通的径向分量相互作用，在每极上便产生轴向推力。若电枢被固定不动，磁极就沿着轴线方向作往复直线运动(图
17、示的情况)。当把这种电机应用于短行程和低速移动的场合时，可省掉滑动的电刷；但若行程很长，为了提高效率，应与永磁式直线电机一样，在磁极端面上装上电刷，使电流只在电枢绕组的工作段流过。,1电枢绕组；2极靴；3励磁绕组；4电枢铁心；5非磁性端板 图12-10 电磁式直线直流电动机(a)单极；(b)两极,图12-10所示的电动机可以看作为管形的直流直线电动机。这种对称的圆柱形结构具有若干优点。例如，它没有线圈端部，电枢绕组得到完全利用；气隙均匀，消除了电枢和磁极间的吸力。国外有关这种电机的样机的外形尺寸和技术数据为：极数为2极，电源为6 V直流，除去电枢外的总长度为12 cm，外径为8.6 cm，除去
18、电枢外的重量为1.8 kg，输出位移为150 cm，2 m/s时输出功率为18 W(40%工作周期)，静止时输出力为13.7 N,1.5 m/s时为10.78 N。,12.4 直线自整角机,在同步联结系统中，有时还要求直线位移同步，如雷达直线测量仪(调波段)中就要求采用直线自整角机。而过去都采用电位器，结果精度很差，齿轮装置复杂，可靠性也较差。直线自整角机的原理与传统旋转式自整角机大致相同，图12-11表示的就是这种电机的一种型式。,图12-11(a)中的 1 表示 3 个凸极定子，其上绕有分布绕组，三相绕组在电气上相差120。2 是磁回路。定子极与磁回路之间是直线位移的印刷动子带(图中 3)
19、，它是在绝缘材料基片的两面印制导线而成。图12-11(b)表示这种印刷电路板导线连接情况，图中粗线表示上层印刷导线，细线表示下层印刷导线，上下层导线通过印刷基片孔连接，下面印刷基片上有两根平行的引出导线 4 和5，通过电刷与外界相连接。显然，动子带上的印刷电路是一种分布的单相绕组。,1凸极定子；2磁回路；3印刷动子带；4、5引出导线 图 12-11 直线自整角机结构示意图(a)结构图；(b)印刷绕组,印刷绕组基片通过两个圆盘轮绞动，当印刷绕组通上交流电时，定子各相绕组中会感应一个与印刷绕组位置有关的电压；相反，若定子三相绕组通电，印刷绕组在定子中作平行直线位移，其输出端就产生一个与其位置有关的
20、电压输出。因此，利用一对这样的直线自整角机，就能实现两绞轮间的直线位移同步。直线自整角机与传统旋转自整角机一样，可与直线伺服电动机和直线测速机一起组成直线伺服闭环系统。它适用于直线同步连接系统，可减少齿轮装置，提高系统精度。,12.5 直线和平面步进电动机,在许多自动装置中，要求某些机构快速地作直线或平面运动，而且要保证精确的定位，如自动绘图机、自动打印机等就是这样机构的典型。一般旋转式的反应式步进电动机可以完成这样的动作。比如采用一台旋转的步进电机，通过机械传动装置将旋转运动变成直线位移，就能快速而正确地沿着某一方向把物体定位在某一点上。,当要求机构作平面运动时，这时可采用两台旋转的步进电机
21、，第一台步进电机带动活动装置作x方向的移动，另一台步进电机装在该活动装置上带动物体作y轴方向的移动，这样便可得到沿着x、y轴方向的位移，精确地将物体定位在xy平面上的任何一点。目前大部分高精度工业定位系统都是用旋转式的步进电机来制成的。但是这种机构需要将步进电机的旋转运动变成直线运动，这就使传动装置变得复杂，而且由于传动装置中的齿轮、齿条等零件因不规则运动而逐渐磨损，使定位精度受到影响，振动和噪声也将增加。,因此，国内外正在试制性能优良的直接作直线运动的步进电机(简称直线步进电动机)来取代一般旋转式的步进电机。这种电机在机床、数控机械、计算机外围设备(如直线打印机、纸带穿孔机和卡片读数器)、复
22、制和印刷装置、高速X-Y记录仪、自动绘图机和各种量测装置等方面正在得到应用。直线步进电机主要可分为反应式和永磁式两种。下面简略地说明它们的结构和工作原理。,12.5.1 反应式直线步进电动机 反应式直线步进电动机的工作原理与旋转式步进电机相同。图12-12表示一台四相反应式直线步进电动机的结构原理图。它的定子和动子都由硅钢片叠成。定子上、下两表面都开有均匀分布的齿槽。动子是一对具有 4 个极的铁心，极上套有四相控制绕组，每个极的表面也开有齿槽，齿距与定子上的齿距相同。当某相动子齿与定子齿对齐时，相邻相的动子齿轴线与定子齿轴线错开1/4齿距。上、下两个动子铁心用支架刚性连接起来，可以一起沿定子表
23、面滑动。,为了减少运动时的摩擦，在导轨上装有滚珠轴承，槽中用非磁性塑料填平，使定子和动子表面平滑。显然，当控制绕组按A-B-C-D-A的顺序轮流通电时(图中表示A相通电时动子所处的稳定平衡位置)，根据步进电机一般原理，动子将以1/4齿距的步距向左移动，当通电顺序改为A-D-C-B-A的顺序通电时，动子则向右移动。与旋转式步进电机相似，通电方式可以是单拍制，也可以是双拍制，双拍制时步距减少一半。,图12-12所表示的是双边型共磁路的直线步进电动机。即定子两边都有动子，一相通电时所产生的磁通与其它相绕组也匝链。此外，也可做成单边型或不共磁路(可消除相间互感的影响)。图12-13表示一台五相单边型不
24、共磁路直线步进电机结构原理图。图中动子上有五个形铁心，每个形铁心的两极上套有相反连接的两个线圈，形成一相控制绕组。当一相通电时，所产生的磁通只在本相的形铁心中流通，此时形铁心两极上的小齿与定子齿对齐(图中表示每极上只有一个小齿)，而相邻相的形铁心极上的小齿轴线与定子齿轴线错开1/5齿距。,当五相控制绕组以AB-ABC-BC五相十拍方式通电时，动子每步移动1/10齿距。国外制成的这种直线步进电动机的主要特性为：步距0.1 mm，最高速度3 m/min,输出推力98 N,最大保持力196 N,在300 mm行程内定位精度达0.075 mm，重复精度0.02 mm，有效行程300 mm。,图 12-
25、12 四相反应式直线步进电动机,图 12 13 五相反应式直线步进电动机,12.5.2 永磁式直线和平面步进电动机 图12-14表示这种电机的结构和工作原理。其中定子用铁磁材料制成如图所示那样的“定尺”，其上开有间距为t的矩形齿槽，槽中填满非磁材料(如环氧树脂)使整个定子表面非常光滑。动子上装有两块永久磁钢A和B，每一磁极端部装有用铁磁材料制成的形极片，每块极片有两个齿(如a和c)，齿距为1.5t，这样当齿a与定子齿对齐时，齿c便对准槽。,同一磁钢的两个极片间隔的距离刚好使齿a和a能同时对准定子的齿，即它们的间隔是kt，k代表任一整数：1、2、3、4 磁钢B与A相同，但极性相反，它们之间的距离
26、应等于(k1/4)t。这样，当其中一个磁钢的齿完全与定子齿和槽对齐时，另一磁钢的齿应处在定子的齿和槽的中间。,图 12-14 永磁直线步进电动机工作原理(1),图 12-14 永磁直线步进电动机工作原理(2),在磁钢A的两个形极片上装有A相控制绕组，磁钢B上装有B相控制绕组。如果某一瞬间，A相绕组中通入直流电流iA，并假定箭头指向左边的电流为正方向，如图12-14(a)所示。这时，A相绕组所产生的磁通在齿a、a中与永久磁钢的磁通相叠加，而在齿c、c中却相抵消，使齿c、c全部去磁，不起任何作用。在这过程中，B相绕组不通电流，即iB=0，磁钢B的磁通量在齿d、d、b和b中大致相等，沿着动子移动方向
27、各齿产生的作用力互相平衡。,概括说来，这时只有齿a和a在起作用，它使动子处在如图12-14(a)所示的位置上。为了使动子向右移动，就是说从图12-14(a)移到图12-14(b)的位置，就要切断加在A相绕组的电源，使iA=0，同时给B相绕组通入正向电流iB。这时，在齿b、b中，B相绕组产生的磁通与磁钢的磁通相叠加，而在齿d、d中却相抵消。因而，动子便向右移动半个齿宽即t/4，使齿b、b移到与定子齿相对齐的位置。,如果切断电流iB，并给A相绕组通上反向电流，则A相绕相及磁钢A产生的磁通在齿c、c中相叠加，而在齿a、a中相抵消。动子便向右又移动t/4，使齿c、c与定子齿相对齐，见图12-14(c)
28、。同理，如切断电流iA，给B相绕组通上反向电流，动子又向右移动t/4，使齿d和d与定子齿相对齐，见图12-14(d)。这样，经过图12-14(a)、(b)、(c)、(d)所示的 4 个阶段后，动子便向右移动了一个齿距t。如果还要继续移动，只需要重复前面次序通电。,相反，如果想使动子向左移动，只要把 4 个阶段倒过来，即从图12-14(d)、(c)、(b)到(a)。为了减小步距，削弱振动和噪音，这种电机可采用细分电路驱动，使电机实现微步距移动(10 m以下)。还可用两相交流电控制，这时需在A相和B相绕组中同时加入交流电。如果A相绕组中加正弦电流，则在B相绕组中加余弦电流。当绕组中电流变化一个周期
29、时，动子就移动一个齿距；如果要改变移动方向，可通过改变绕组中的电流极性来实现。,采用正、余弦交流电控制的直线步进电动机，因为磁拉力是逐渐变化的(这相当于采用细分无限多的电路驱动)，可使电机的自由振荡减弱。这样，既有利于电机启动，又可使电机移动很平滑，振动和噪音也很小。,1平台；2磁钢；3磁极；图 12-15 永磁平面步进电动机,上面介绍的是直线步进电机的原理。如果要求动子作平面运动，这时应将定子改为一块平板，其上开有x、y轴方向的齿槽，定子齿排成方格形，槽中注入环氧树脂，而动子是由两台上述那样的直线步进电机组合起来制成的，如图12-15所示。其中一台保证动子沿着x轴方向移动；与它正交的另一台保
30、证动子沿着y轴方向移动。这样，只要设计适当的程序控制语言，借以产生一定的脉冲信号，就可以使动子在xy平面上作任意几何轨迹的运动，并定位在平面上任何一点，这就成为平面步进电动机了。,据国外资料介绍，在这种步进电机中，还可采用气垫装置将动子支承起来，使动子移动时不与定子直接接触。这样，由于无摩擦，惯性小，故可以高速移动，线速度高达102 cm/s,在6.45 cm2(1平方英寸)范围内的单方向定位精度达2.5410-3cm，整个平台内的单方向定位精度达1.2710-2 cm。应用这样结构所制成的自动绘图机动作快速灵敏，噪音低，而且定位精确，几分钟内便画出一张复杂的地图，也可以绘制各种反映数字控制的图形，以直接检验机床的走刀轨迹和测定程序误差。平面步进电动机不仅在自动绘图机中，而且在激光切割设备和精密半导体制造设备中，也得到了推广和应用。,
