現(xiàn)如今,直線電機應(yīng)用越來越廣泛,尤其是高端應(yīng)用場所取代絲桿+伺服是必然的趨勢,那什么是直線電機呢?

直線電機工作原理:

直線電機是指一種利用電磁作用原理,將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動動能的驅(qū)動裝置,它是一種能實現(xiàn)往復(fù)直線運動的電動機。

直線電機無論是從結(jié)構(gòu)上還是工作原理上看,都是從旋轉(zhuǎn)電機而來的。首先從結(jié)構(gòu)上來講,可以認為直線電機是將旋轉(zhuǎn)電機沿其軸向剖開,然后將其定子和轉(zhuǎn)子展開,變成如圖1所示的由定子和動子組成的直線電機。



其次從工作原理來講,在旋轉(zhuǎn)電機中,當三相繞組中通入三相對稱正弦電流后,會在氣隙中產(chǎn)生按正弦分布的旋轉(zhuǎn)磁場。與此類似,在直線電機中通入三相電流后,也會在氣隙中產(chǎn)生磁場,如果不考慮端部效應(yīng),磁場在直線方向也呈正弦分布,只是這個磁場是平移而不是旋轉(zhuǎn)的,因此稱為行波磁場。行波磁場與次級相互作用便產(chǎn)生電磁推力,驅(qū)動動子沿定子作往復(fù)直線運動。這就是直線電機運行的基本原理。

直線電機分類:

由于直線電機和旋轉(zhuǎn)電機之間存在上述對應(yīng)關(guān)系,因此每種旋轉(zhuǎn)電機都有相應(yīng)的直線電機,但直線電機的結(jié)構(gòu)形式比旋轉(zhuǎn)電機更靈活,另外,由于直線電機的某些性能參數(shù)與應(yīng)用場合密切相關(guān),所以直線電機除了可按工作原理分類外,還可按結(jié)構(gòu)形式分類和性能分類。

按工作原理分類:如上所述,每種旋轉(zhuǎn)電機都有相應(yīng)的直線電機與之對應(yīng),即有:直線直流電機、直線感應(yīng)電機、直線同步電機、直線磁阻電機、直線壓電電機等。

按結(jié)構(gòu)形式分類:根據(jù)不同的使用場合,直線電機的結(jié)構(gòu)形式和分為:平板式、U 形、圓筒式,如下圖所示:

平板直線電機


U槽型直線電機


軸棒直線電機


直線電機應(yīng)用:

①高推力(高推力、大位移)直線電機:其典型應(yīng)用行業(yè)有高速、高精數(shù)控機床、高速加工中心和并聯(lián)(桿機構(gòu))機床等;數(shù)控機械如傳輸機械、冶金機械、紡織機械等;及其他高速、高精且需要高推力、大位移的場合,如飛行模擬器、彈射器,加速滑軌等。

②高響應(yīng)(高頻響、小位移)直線電機:其典型應(yīng)用行業(yè)有往返頻率高、位移小、推力不高的各類精密機床,如非圓截面加工機床、高速磨床、電火花成型加工機床等;快速成形、圖像傳遞、光電醫(yī)療、激光加工等設(shè)備或裝置上的三維振鏡掃描動態(tài)聚焦系統(tǒng);電子制造行業(yè)的裝備:插件機、線路板檢測和鉆孔、半導體行業(yè):芯片加工、切片、連線、離子注入、光刻、芯片檢驗等裝備;計算機外圍驅(qū)備:X-Y繪圖機、高速打印機、掃描儀、數(shù)控坐標測量儀、軟盤驅(qū)動設(shè)備等。

直線電機的特點:

直線電機的特點在于直接產(chǎn)生直線運動,與間接產(chǎn)生直線運動的“旋轉(zhuǎn)電機+滾珠絲杠”相比,其優(yōu)點在于:(具體性能見表1):

1.沒有機械接觸,傳動力是在氣隙中產(chǎn)生的,因此沒有金屬和金屬的接觸,除了導軌外沒有其它摩擦;

2.結(jié)構(gòu)簡單,體積小,以最少的零部件數(shù)量實現(xiàn)直線驅(qū)動,而且是只有一個運動的部件;

3.行程理論上不受限制,而且性能不會因為行程的改變而受到影響;

4.可以提供很寬的速度范圍,從每秒幾微米到數(shù)米,特別是高速是其一個突出的優(yōu)點;

5.加速度很大,最大可達10g;運動平穩(wěn),這是因為除了起支撐作用的直線導軌或氣浮軸承外,沒有其它機械連接或轉(zhuǎn)換裝置的緣故;

6.精度和重復(fù)精度高,因為消除了影響精度的中間環(huán)節(jié),系統(tǒng)的精度取決于位置檢測元件,有合適的反饋裝置可達亞微米級;

7.維護簡單,由于部件少,運動時無機械接觸,從而大大降低了零部件的磨損,只需很少甚至無需維護,使用壽命更長。

直線電機缺點:

以上特點可以看出直線電機具有作為伺服電機的全部特性,有著回轉(zhuǎn)式電機無可比的卓越性能。然而任何事物都具有兩面性,直線電機也有其缺點。首先直線電機端部磁場的畸變影響到行波磁場的完整性,使直線電機損耗增加,推力減少,而且存在較大的推力波動,這就是直線電機特有的"端部效應(yīng)(Edge Effect),直線電機的結(jié)構(gòu)特點決定了端部效應(yīng)是不可避免的。其次直線電機的控制難度大,因為在電機的運行過程中負載(如工件重量、切削力等)的變化、系統(tǒng)參數(shù)攝動和各種干擾(如摩擦力等),包括端部效應(yīng)都直接作用到電機上,沒有任何緩沖或削弱環(huán)節(jié),如果控制系統(tǒng)的魯棒性不強,會造成系統(tǒng)的失穩(wěn)和性能的下降。其他缺點包括安裝困難、需要隔磁、效率低、成本高等。

直線電機模組核心組成:
直線電機(動定子)
直線電機驅(qū)動器
導軌(精度高,不易變形,性價比高)
光柵尺或磁柵尺(高分辨率,安裝方便,性價比高)

機械設(shè)計及加工件

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