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现代驱动技术
直线异步电机的工作原理及控制系统

题目: 直线异步电机的工作原理及控制系统
一、 直线异步电机的基本结构:
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。它能够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, 因此得到广泛的应用。
直线电机最初由英国人惠斯登1840年提出、 实验, 但不成功。随后, 人们对它进行了深入研究, 从理论到实践做了大量工作。1945年美国西屋公司首先研究成功以直线电机作为动力的飞机弹射器, 但由于成本太高而未能推广。总体来说, 当时由于自身理论上的不完善, 加上其它相关技术的局限, 同时, 需求不是很迫切, 直线电机技术发展缓慢。
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, 从上世纪60年代开始, 由于控制技术、 材料技术的发展, 基础研究的进步与突破, 直线电机进入全面开发阶段。世界上许多国家下大力气在研究、 发展和应用直线电机, 使得直线电机的应用领域越来越广。英国莱斯韦特教授1966年出版了比较系统地介绍直线电机的专著《Induction Machines for Spesial Purposes》, 为直线电机的发展做出了突出贡献。一般电动机工作时都是转动的。可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。
直线电机是一种新型电机, 近年来应用日益广泛。磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的。直线电机除了用于磁悬浮列车外, 还广泛地用于其它方面, 例如用于传送系统、 电气锤、 电磁搅拌器等．在中国, 直线电机也逐步得到推广和应用。直线电机的原理虽不复杂, 但在设计、 制造方面有它自己的特点, 产品尚不如旋转电机那样成熟, 有待进一步研究和改进。
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 3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。
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, 因此很少采用。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, 也可经过电容移相。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, 动子不但作为导磁、 导电体, 甚至能够作为结构部件, 其应用前景广阔。
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。
二、 直线异步电机的工作原理:
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。它能够看成是一台旋转电机按径向剖开, 并展成平面而成。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。
利用电能直接产生直线运动的电动机。其原理与相应的旋转式电动机相似, 在结构上可看作是由相应旋转电机沿径向切开, 拉直演变而成( 图1) 。直线电动机包括定子和动子两个主要部分。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见于电气铁路高速列车的牵引、 鱼雷的发射等装备中。 直线异步电动机由旋转式异步电动机演变而来。其工作原理和旋转式异步电动机相同。主要由原边和副边两部分组成, 嵌有线圈的部分为原边。当多相绕组中通入电流后, 电机气隙中就产生一个磁场行波, 切割副边的导体而感生电流。此电流与磁场作用产生电磁力使原边和副边发生相对运动。直线异步电动机能够做成原边固定、 副边可动的短副边型和副边固定、 原边可动的短原边型两种结构。短原边型所用线圈数量少, 比较经济, 应用较多;短副边型常见于金属物体的投射。直线异步电动机常在工业自动化系统中作为操作杆的动力, 用它操作自动门窗、 自动开关和阀门以及各种机械手, 也可用于电气铁路高速列车的牵引和鱼雷发射等。
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, 特别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。
直线电机的工作原理和旋转电机一样, 也是利用电磁作用将电能转换成为机械能。
交流感应直线电机在机床上的安装如图4-56所示。铁芯的多相通电绕组( 电机的初级) 安装在机床工作台( 溜板) 的下部, 是直线电机的动子部件; 在床身导轨之间安装不通电的绕组, 每个绕组中的每一匝都是短路的, 相当于交流感应回转电机鼠笼的展开, 是直线电机的定子部件。

图4-56 短初级直线电机安装结构及实物照片
1-光栅尺 2-次级( 定子)  3-初级( 动子)
如图4-57所示, 在直线电机的三相绕组中通入三相交流电时, 会在电机初、 次级间的气隙中产生磁场, 如果不考虑端部效应, 磁场在直线方向呈正弦分布。

图4-57 直线电机基本工作原理图
1-初级 　2-次级　 3-行波磁场
当三相交流电随时间变化时, 气隙磁场将按A、 B、 C相序沿直线移动, 称此平移的磁场为行波磁场。直线电机内的行波磁场的移动速度与旋转电机的旋转磁场在定子内圆表面的线速度相同, 这个速度称为同步线速度vs, 其计算公式如下:

式中
——初级的极距;
f ——电源频率。
改变直线异步电机初级绕组的通电相序, 就可改变电机运动的方向, 从而可使电机作往复运动。

三、 直线电机控制系统和控制方法:
直线电机控制系统能够采用开环控制系统, 闭环控制系统,
如果把直流电机结构进行”里翻外”的处理, 即把电枢绕组装在定子, 转子为永磁部分, 并以转子轴上的编码器测出磁极位置控制电子开关进行电子换相, 这就构成了永磁无刷直流电机。这种交流伺服电机具有良好的伺服性能。从80年代开始, 逐渐应用在数控系统的进给驱动装置上。交流伺服系统采用交流伺服电机作为驱动器件, 能够和直流伺服电机一样构成高精度、 高性能的半闭环或全闭环控制系统, 由于交流伺服电机内是无刷结构, 几乎不需维修, 体积相对较小, 有利于转速和功率的提高。当前交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。在当代数控系统中, 伺服技术取得的突破能够归结为:交流伺服取代直流伺服、 数字控制取代模拟控制、 或者把它称为软件控制取代硬件控制。这两种突破的结果产生了交流数字驱动系统, 应用在数控机床的伺服进给和主轴装置上。由于电力电子技术及控制理论、 微处理器等微电子技术的快速发展, 软件运算及处理能力的提高, 采用高速微处理器和专用数字信号处理器(DSP-DigitalSignalProcessor)的全数字化交流伺服系统出现后, 使系统的计算速度大大提高, 采样时间大大减少。原来的硬件伺服控制变为软件伺服控制, 一些现代控制理论中的先进算法得到实现, 进而大大地提高了伺服系统的性能, 例如OSP-U10/U100网络式数控系统的伺服控制环就是一种高性能的伺服控制网, 它对进行自律控制的各个伺服装置和部件实现了分散配置, 网络连接, 进一步发挥了它对机床的控制能力和通信速度。这些技术的突破, 使伺服系统性能改进、 可靠性提高、 调试方便、 柔性增强, 大大推动了高精高速加工技术的发展。
直线电机直接驱动也存在一些缺点和问题, 除控制难度大(中间没有缓冲环节和存在端部效应)外, 还存在强磁场对周边产生磁干扰, 影响滚动导轨副的寿命, 同时给排屑、 装配、 维修带来困难, 以及发热大、 散热条件差。需解决散热、 隔磁、 足够的推力、 自锁和移动部件轻量化等方面的问题, 才能在机床上实际应用, 同时成本较高也影响其推广应用。当前这些问题都已得到不同程度的解决, 采用者愈来愈多。交流直线伺服电机也有感应(异步)式和同步式两大类, 同步式(次级为永久磁钢)由于效率高、 推力密度大、 可控性好等优点, 尽管其对隔磁防尘要求较高和装配较困难, 现在也已成为机床用直线电机的主流。例如, 美国Ingersoll铣床公司生产的HVM800高速卧式加工中心, X、 Y、 Z三轴都采用永磁同步直线伺服电机, 最大进给速度可达76.2m/min, 最大加速度1.5g。