运动控制：直线电机

(来源:网站编辑 2025-01-11 12:35)

文章正文

一、什么是曲线电机

曲线电机&#Vff0c;也叫作曲线马达&#Vff0c;线性马达&#Vff0c;线性电机&#Vff0c;上电后&#Vff0c;间接作曲线活动的电机。

二、曲线电机的本理

把一个圆柱剪开&#Vff0c;摊平便是一个矩形了&#Vff0c;曲线电机也是如此&#Vff0c;传统的感到电机便是一个滑腻世故型的&#Vff0c;里面有不少线圈&#Vff0c;沿着轴线环绕纠缠&#Vff0c;把那个圆筒剪开摊平&#Vff0c;就可以看作是一个曲线电机了&#Vff0c;如下图所示&#Vff1a;

正在曲线电机中&#Vff0c;相当于旋转电机定子局部的叫低级&#Vff0c;相当于旋转电机转子的局部叫次级。正在低级中通电流&#Vff0c;次级就正在电磁力的做用下沿着低级作曲线活动。那个低级的长度就要依据所须要的止程来作了&#Vff0c;止程要多长&#Vff0c;低级就作多长。至于低级和次级谁做活动部件&#Vff0c;谁做静行部件&#Vff0c;磋商着来都可以。

曲线电机由旋转电机演变而来&#Vff0c;当一次侧的绕组通入对称正弦交流电流时&#Vff0c;会孕育发作气隙磁场&#Vff0c;那个气隙磁场的分布状况取旋转电机是类似的&#Vff0c;沿着曲线标的目的按正弦轨则分布。

三、曲线电机的分类

依照工做本理可分为&#Vff1a;曲流、异步、同步、步进等

按构造模式可分为&#Vff1a;单边扁平型&#Vff0c;双边扁平型、圆盘型、圆筒形等

最罕用的曲线电机类型是平板式曲线电机、U槽式曲线电机、圆柱型曲线电机

1、平板型曲线电机&#Vff1a;

平板式曲线电机铁芯拆置正在钢叠片构造而后再拆置到铝背板上&#Vff0c;铁叠片构造用正在指引磁场和删多推力。磁轨和动子之间孕育发作的吸力和电机孕育发作的推力成反比&#Vff0c;叠片构造招致接头力孕育发作。把动子拆置到磁轨上时必须小心免得他们之间的吸力组成伤害。

2、U槽曲线电机

U 型槽式曲线电机有两个介于金属板之间且都对着线圈动子的平止磁轨。动子由导轨系统收撑正在两磁轨中间。动子是非钢的&#Vff0c;意味着无吸力且正在磁轨和推力线圈之间无烦扰力孕育发作。非钢线圈拆配具有惯质小&#Vff0c;允许很是高的加快度。线圈正常是三相的&#Vff0c;无刷换相。可以用空气冷却法冷却电机来与得机能的加强。也有给取水冷方式的。那种设想可以较好地减少磁通泄露因为磁体面劈面拆置正在U形导槽里。那种设想也最小化了壮大的磁力吸引带来的伤害。

3、圆柱形曲线电机

圆柱形动磁体曲线电机动子是圆柱形构造。沿牢固着磁场的圆柱体活动。那种电机是最初发现的商业使用但是不能运用于要求勤俭空间的平板式和U 型槽式曲线电机的场折。圆柱形动磁体曲线电机的磁路取动磁执止器相似。区别正在于线圈可以复制以删多止程。典型的线圈绕组是三相构成的&#Vff0c;运用霍尔安置真现无刷换相。推力线圈是圆柱形的&#Vff0c;沿磁棒高下活动。那种构造分比方适对磁通泄漏敏感的使用。必须小心收配担保手指不卡正在磁棒和有吸引力的侧面之间。

四、曲线电机的劣势

1、构造简略。曲线电机不须要颠终中间转换机构而间接孕育发作曲线活动&#Vff0c;使构造大大简化&#Vff0c;活动惯质减少&#Vff0c;动态响应机能和定位精度大大进步&#Vff1b;同时也进步了牢靠性&#Vff0c;节约了老原&#Vff0c;使制造和维护愈加烦琐。它的首次级可以间接成为机构的一局部&#Vff0c;那种折营的联结使得那种劣势进一步表示出来。

2、高加快度。那是曲线电机驱动&#Vff0c;相比其余丝杠、同步带和齿轮齿条驱动的一个显著劣势。

3、符折高速曲线活动。因为不存正在离心力的约束&#Vff0c;普通资料亦可以抵达较高的速度。而且假如初、次级间用气垫或磁垫保存间隙&#Vff0c;活动时无机器接触&#Vff0c;因此活动局部也就无摩擦和噪声。那样&#Vff0c;传动零部件没有磨损&#Vff0c;可大大减小机器损耗&#Vff0c;防行拖缆、钢索、齿轮取皮带轮等所组成的噪声&#Vff0c;从而进步整体效率。

4、低级绕组操做率高。正在管型曲线感到电机中&#Vff0c;低级绕组是饼式的&#Vff0c;没有端部绕组&#Vff0c;因此绕组操做率高。

5、无横向边缘效应。横向效应是指由于横向开断组成的边界处磁场的减弱&#Vff0c;而圆筒型曲线电机横向无开断&#Vff0c;所以磁场沿周向平均分布。

6、容易按捺单边磁拉力问题。径向拉力相互对消&#Vff0c;根柢不存正在单边磁拉力的问题。

7、易于调理和控制。通过调理电压或频次&#Vff0c;或改换次级资料&#Vff0c;可以得赴任异的速度、电磁推力&#Vff0c;折用于低速往复运止场折。

8、适应性强。曲线电机的低级铁芯可以用环氧树脂封成整体&#Vff0c;具有较好的防腐、防潮机能&#Vff0c;便于正在潮湿、粉尘和有害气体的环境中运用&#Vff1b;而且可以设想成多种构造模式&#Vff0c;满足差异状况的须要。

五、曲线电机的展开

1840年

Wheatsone初步提出和制做了略具雏形的曲线电机。

1905年

曾有两人划分倡议将曲线电动机做为火车的推进机构&#Vff0c;一种倡议是将低级放正在轨道上&#Vff0c;另一种倡议是将低级放正在车辆底部。那些倡议无疑是给其时曲线电机钻研规模的科研人员的一剂兴奋剂&#Vff0c;甚至很多国家的科研人员都投入了那些钻研工做。1917年显现了第一台圆筒形曲线电动机&#Vff0c;事真上这是一种具有换接低级线圈的曲流磁阻电动机&#Vff0c;人们试图把它做为导弹发射安置&#Vff0c;但其展开并无超出模型阶段。

1940年-1955年

世界一些兴隆国家科研人员&#Vff0c;正在实验的根原上&#Vff0c;又停行了一些实验使用工做。1945年&#Vff0c;美国西屋电气公司首先研制乐成的电力牵引飞机弹射器&#Vff0c;它以7400kW的曲线电动机为动力&#Vff0c;乐成地用4.1s的光阳将一架重4535kg&#Vff0c;的喷气式飞机正在165m的止程内由静行加快到188km/h的速度&#Vff0c;它的试验乐成&#Vff0c;使曲线电动机牢靠性好等劣点遭到了应有的重室&#Vff0c;随后&#Vff0c;美国操做曲线电机制成为了用做抽汲钾、钠等液态金属的电磁泵&#Vff0c;为的是核动力中的须要。1954年&#Vff0c;英国皇家飞机制造公司操做双边扁平型曲流曲线电机制成为了发射导弹的安置&#Vff0c;其速度可达1600km/h。正在那个阶段中&#Vff0c;尤需值得一提的是&#Vff0c;曲线电机做为高速列车的驱动安置获得了列国的高度重室并筹划予以施止。

1965年

跟着控制技术和资料机能的显著进步&#Vff0c;使用曲线电机的真用方法被逐步开发出来&#Vff0c;譬喻给取曲线电机的MHD泵、主动绘图仪、磁头定位驱动安置、电唱机、缝纫机、空气压缩机、输送安置等。

1971年至今

从1971年初步到目前的那个阶段&#Vff0c;曲线电机末于进入了独立的使用时代&#Vff0c;正在那个时代&#Vff0c;各种曲线电机的使用获得了迅速的推广&#Vff0c;制成为了很多具有真用价值的安置和产品&#Vff0c;譬喻曲线电机驱动的钢管输送机、运煤机、起重机、空压机、冲压机、拉伸机、各类电动门、电动窗、电动纺织机等等。出格可喜的是操做曲线电机驱动的磁悬浮列车&#Vff0c;其速度已超500km/h&#Vff0c;濒临了航空的飞翔速度&#Vff0c;且试验止程累计已达数十万千米。

连年来&#Vff0c;跟着主动控制技术和微型计较机的高速展开&#Vff0c;对各种主动控制系统的定位精度提出了更高的要求&#Vff0c;世界很多国家都正在钻研、展开和使用曲线电机&#Vff0c;使得曲线电机技术展开速度加速&#Vff0c;曲线电机的使用规模越来越广。正在国内&#Vff0c;专注曲线电机、音圈电机研发和消费的企业不是不少&#Vff0c;像昆山同茂电机便是此中一家起步比较早的、技术相对照较成熟的曲线电机、音圈电机消费厂家。

六、曲线电机的使用

1、无铁芯U型曲线电机使用于XY两轴活动平台

2、轴式曲线电机使用于单轴活动平台&#Vff0c;双电机驱动&#Vff0c;电机轴两端牢固&#Vff0c;线圈组件活动&#Vff0c;光栅尺和读头正在地方&#Vff0c;导轨分布正在光栅尺两侧。

铁芯曲线电机构造示用意&#Vff08;IronCore Liner Motor Diagram&#Vff09;

线圈困绕正在铁叠片上&#Vff0c;铁叠片用于导磁&#Vff0c;加强电机着力机能&#Vff0c;叠片设想可以减小涡流发作。而磁铁布列正在磁道上&#Vff0c;但凡为了减小齿槽效应而倾斜放置。空芯曲线电机线圈嵌淘正在环氧树脂&#Vff0c;而磁铁布列正在U型板两侧。

空芯曲线电机构造示用意&#Vff08;AirCore Linear Motor&#Vff09;

正在非铁芯曲线电机中&#Vff0c;线圈绕组环绕纠缠正在环氧树脂中&#Vff0c;而铁芯曲线电机的绕组则拆置正在铁叠片中&#Vff0c;叠片包孕齿或突起&#Vff0c;那些齿或突起将磁通质聚焦&#Vff0c;孕育发作更大的力。

轴式电机构造示用意

中间是包孕环形磁铁组件的轴&#Vff0c;线圈呈圆柱状&#Vff0c;困绕正在那根轴表面&#Vff0c;两者可以正在轴向相对活动&#Vff0c;有的轴式电机有导轨&#Vff0c;有的没有。那种设想为气缸或丝杠等轴式驱动供给了代替方案。可集成位移传感器&#Vff0c;譬喻霍尔传感器&#Vff0c;编码器等&#Vff0c;也可集成温度传感器&#Vff0c;用于检测线圈温度。

七、曲线电机工做本理 1、回想中学的知识&#Vff1a;洛伦兹力

三种电机的正在模式上有不同&#Vff0c;但是活动的本理是一样的&#Vff0c;素量上都是通电导线正在磁场中受洛伦兹力而发作活动

用右手更好判断力的标的目的&#Vff0c;让磁感线穿过手心&#Vff0c;四指指向电流的标的目的&#Vff0c;这么大拇指所指的标的目的便是导线受力标的目的。

假如有多根导线构成线圈&#Vff0c;这么线圈受力&#Vff1a;F=k*B*L*I*N&#Vff0c;

此中F=协力(N)&#Vff0c;k=力常数&#Vff0c;B=磁通密度&#Vff0c;L=导线长度&#Vff08;m&#Vff09;&#Vff0c;I=电流&#Vff08;A&#Vff09;&#Vff0c;N=导线数目。

那便是曲线电机活动的最根柢本理&#Vff0c;其真永磁旋转电机也是一样。

2、回想步进和永磁电机的工做本理

通电导线受力示用意

通电导线受力&#Vff0c;发起线圈组件动弹

旋转电机线圈受绕轴的切向力&#Vff0c;孕育发作绕轴的扭矩&#Vff0c;发作旋转

洛伦兹力是如安正在电机中阐扬成效的&#Vff1f;

3、U形曲线电机&#Vff0c;也便是空芯曲线电机工做本理

U型曲线电机有两个相对的平止磁道&#Vff0c;线圈包裹正在环氧树脂中&#Vff0c;充当动力器&#Vff0c;线圈组件是无铁的&#Vff0c;须要通过轴承收撑正在磁道中&#Vff0c;来回活动。因为线圈组件无铁&#Vff0c;所以它和和磁轨之间不会孕育发作吸引力&#Vff0c;也不会孕育发作烦扰力&#Vff0c;那种线圈组件的量质很轻&#Vff0c;可以真现很高的加快度。

4、U形电机的差异设想方式

传统T型设想和工字设想&#Vff0c;相比于T型设想&#Vff0c;工字形线圈&#Vff0c;形状小巧&#Vff0c;热效率更高&#Vff0c;构造刚度更高。

U型曲线电机磁场标的目的&#Vff0c;以及通电时线圈和磁道受力示用意&#Vff1a;下图是一个含有8对磁铁组件和三个线圈的曲线电机&#Vff0c;图示位置&#Vff0c;电流朝里大概朝外&#Vff0c;磁场是竖曲标的目的&#Vff0c;向下大概向上&#Vff0c;依据导线正在磁场中受力阐明可知&#Vff0c;线圈受力正在摆布标的目的。再联结位移传感器&#Vff0c;真时监测线圈大概磁铁组件的位置&#Vff0c;来改换通电线圈的相&#Vff0c;比如是12&#Vff0c;还是23&#Vff0c;还是13线圈通电&#Vff0c;来抵达连续活动的成效。

曲线电机常见的磁铁布列示用意&#Vff1a;北极高下瓜代布列&#Vff0c;以及Halbach布列

磁铁布列状况及磁感线示用意

5、根柢Halbach布列示用意

6、磁铁Halbach布列及磁场示用意

图示的Halbach布列再顶部具有很是强的磁场&#Vff0c;比单杂高下瓜代布列磁铁有更强的磁场强度&#Vff0c;但是Halbach布列&#Vff0c;正在底部具有很是弱的磁场&#Vff08;箭头默示磁铁北极标的目的&#Vff09;

右侧显示单个磁铁&#Vff0c;北极始末朝上&#Vff0c;由涩标批示的场强再磁铁的顶部和底部同样强。相反&#Vff0c;左图所示的Halbach布列再顶部具有很是强的磁场&#Vff0c;正在底部具有很是弱的磁场。

常见曲线电机磁铁布列方式&#Vff0c;Halbach布列可以正在单侧孕育发作最高的磁场强度&#Vff0c;从而删多电机着力。

此外&#Vff0c;因为磁道拆置正在牢固件上&#Vff0c;所以止程可以作得很长&#Vff0c;惟一的限制是电缆打点和可用的编码器长度&#Vff0c;以及加工大型扁平构造的才华。虽然&#Vff0c;那种电机也有它的弊病&#Vff0c;由于动力器由环绕纠缠的线圈制成&#Vff0c;并和环氧树脂保持正在一起&#Vff0c;因而大局部热质必须通过它及线圈拆置板散发&#Vff0c;少局部热质也可以通过气隙进入磁体轨道。那两个途径都具有较高的热阻&#Vff0c;因而使电机的热打点变得艰难。此外线圈组件由线圈和环氧树脂制成&#Vff0c;力正在线圈上孕育发作。那意味着所有施加的力都做用正在绕组和环氧树脂上&#Vff0c;取铁芯曲线电机相比&#Vff0c;那是一个柔弱虚弱的构造&#Vff0c; 那种弱点限制了电机最大尺寸和着力。由于热质和构造上的限制&#Vff0c;那品种型的电动机每包拆尺寸的力很小&#Vff0c;此外双磁道设想&#Vff0c;也占用了格外的空间。

7、铁芯曲线电机的工做本理

铁芯曲线电机的线圈先拆置到铁叠片上&#Vff0c;而后再拆置到铝制底座上。铁叠片用于引导磁场&#Vff0c;由于会合了绕组孕育发作的磁场&#Vff0c;铁芯电机删多了其着力机能。同时&#Vff0c;因为铁片的存正在&#Vff0c;正在磁道和线圈组件之间存正在吸引力&#Vff0c;那种吸引力取电机孕育发作的力成比例&#Vff0c;可以将其用做空气轴承系统的预紧力&#Vff0c;正在选择其余导轨时&#Vff0c;应该思考那种力&#Vff0c;它会删多轴承磨损。此外&#Vff0c;当铁片颠终磁体&#Vff0c;电机推力会发作厘革&#Vff0c;那称为齿槽效应&#Vff0c;齿槽效应会映响低速滑腻度&#Vff08;速度波动&#Vff09;。不过&#Vff0c;一些制造商曾经开发出减小齿槽效应的办法&#Vff0c;比如磁铁倾斜&#Vff0c;从而缓解跟着铁片越过磁铁挪动时吸引力的厘革&#Vff0c;大概通过运用应声和控制系统来弥补齿槽效应。

铁芯曲线电机框图

铁芯曲线电机受力阐明

为了减少涡流损耗&#Vff0c;铁芯给取层叠状构造&#Vff0c;且次要由重叠绝缘的变压器片制成。扁平省空间&#Vff0c;线圈组中的铁芯使得线圈组取磁性组件之间孕育发作吸引力&#Vff0c;可以用于空气轴承的预压。不过吸引力会招致齿槽效应的发作&#Vff0c;并进而招致进给力正在止程领域内波动&#Vff0c;专门设想的缘齿可劣化齿槽效应。

双面铁芯曲线电机示用意

双面铁芯曲线电机可以产出更大的力&#Vff0c;但是也占用更多的空间。

铁芯电动机除了具有孕育发作很大推力的才华外&#Vff0c;还具有很好的散热机能&#Vff0c;重要起因是&#Vff0c;由于绕组环绕纠缠正在铁叠片上&#Vff08;热传导快&#Vff09;&#Vff0c;因而散热成效极佳&#Vff0c;另一方面&#Vff0c;要归罪于其相对开放的设想&#Vff0c;没有封闭区域。虽然&#Vff0c;很重要的是&#Vff0c;扁平铁芯曲线电机磁铁比U型两侧配置少&#Vff0c;所以更便宜。但是&#Vff0c;那种设想会使它们容易遭到污染&#Vff0c;出格是金属屑或薄片&#Vff0c;那些金属屑或薄片会被永恒磁铁吸引&#Vff0c;并可能损坏电机。铁芯曲线电动机具有较高的间断力和劣秀的散热性&#Vff0c;很是符折压制&#Vff0c;成型和机器加工使用&#Vff0c;它们还擅长于须要施加高力&#Vff0c;或高压力的高速测试。

8、轴式曲线电机

正在那种电动机中&#Vff0c;线圈和磁铁都呈圆柱状&#Vff0c;磁铁通过圆柱不锈钢管包裹&#Vff0c;大概穿过不锈钢轴造成磁铁组件&#Vff0c;磁铁组件穿过线圈内孔&#Vff0c;线圈相对磁铁组件正在轴向活动。线圈绕组但凡由三相构成&#Vff0c;运用霍尔器件&#Vff0c;大概运用线性编码器&#Vff0c;停行无刷换相。电机仅由两局部构成&#Vff0c;一个是磁轴&#Vff0c;另一个是绕线线圈。由于其正在线圈或磁铁轴中没有铁&#Vff0c;所以可以供给无铁芯设想中所冀望的精度和零齿槽效应。

曲线轴式电机的线圈形成着力器&#Vff0c;供给上述铁芯电动机所冀望的刚度。由于线圈彻底包裹正在磁体四周&#Vff0c;因而可以有效操做所有磁通质。且允许较大的&#Vff08;0.5至2.5mm&#Vff09;标称环形气隙&#Vff0c;那个气隙其真不要害性&#Vff0c;所以正在整个方法止程中&#Vff0c;跟着气隙的厘革&#Vff0c;力不会发作厘革。

单根导线通电时&#Vff0c;正在磁场中的受力示用意