浅谈直线电机技术结构、特点、应用

1 直线电机的结构

直线电机是从旋转电机演变而来的。它的基本构成和作用原理与普通旋转电机类似,就如同将旋转电机沿半径方向切开展平而成,其传动方式也就由旋转运动变为直线运动。

一般采用新型整体式换向结构, 三级减振降噪,5000V100P 电容吸纳浪涌脉冲尖峰。

2 直线电机驱动技术在应用中的优点

机床上传统的“旋转电机 + 滚珠丝杠”进给传动方式,由于受自身结构的限制 ,在进给速度、加速度、快速定位精度等方面很难有突破性的提高, 已无法满足超高速切削、超精密加工对机床进给系统伺服性能提出的更高要求。直线电机将电能直接转换成直线运动机械能,不需要任何中间转换机构的传动装置。具有起动推力大、传动刚度高、动态响应快、定位精度高、行程长度不受限制等优点。

在机床进给系统中,采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台(拖板)之间的机械传动环节,把机床进给传动链的长度缩短为零,因而这种传动方式又被称为“零传动”。正是由于这种“零传动”方式, 带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。

(1)高速响应

由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件(如丝杠等),使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高,反应异常灵敏快捷。

(2)精度

直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差,减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制,即可大大提高机床的定位精度。

(3)动刚度高由于“直接驱动”,避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象, 同时也提高了其传动刚度。

(4)速度快、加减速过程短

由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车(时速可达500km/h),所以用在机床进给驱动中,要满足其超高速切削的最大进给速度(要求达60～100M/min 或更高)当然是没有问题的。也由于上述“零传动”的高速响应性,使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速, 高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度,一般可达2～10g(g=9.8m/s2),而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1～0.5g。

(5) 行程长度不受限制在导轨上通过串联直线电机, 就可以无限延长其行程长度。

(6)运动动安静、噪音低。由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦,且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨(无机械接触),其运动时噪音将大大降低。

(7)效率高。由于无中间传动环节,消除了机械摩擦时的能量损耗,传动效率大大提高。

3 直线电机技术在各个领域的应用

目前,直线电机技术在世界各国的应用大致可分为五个方面。

3.1 直线电机技术在物流输送系统中的应用

我国目前邮政系统的邮包、印刷品的物流分拣、输送线绝大部分通过旋转电机采用链传动或连杆等方式。国外一些发达国家则逐步采用了直线电机驱动的,由计算机控制的新型邮政物流分拣输送系统。与传统的链传动或连杆方式相比,直线电机驱动的物流系统具有高效、低噪、安全可靠、维护方便等优点而获得应用者青睐。在一些新颖的立体化仓库的搬运系统和新型的自动化车库,也开始采用了直线电机,其中采用直线电机的自动化车库是在库地上安装一系列纵向和横向的直线电机初级, 而载车板为次级。通过计算机, 利用直线电机初次级作用移动汽车进或出。效率和利用率都很高。

3.2 直线电机技术在工业设备中的应用

直线电机在工业设备中的应用,主要在机床业方面比较突出,近几年,国际上对数控机床采用直线电机显得特别热,究其原因是,传统机床的驱动装置依赖丝杆驱动,丝杆驱动本身具有一系列不利因素。

3.3 直线电机技术在信息与自动化方面的应用

直线电机在信息设备方面的应用主要在计算机设备以及它的输入输出设备方面,在计算机主机上,在硬盘装置方面,直线伺服电动机首先在IBM2314 主光驱上使用,后来又在IBM333 上采用,日本松下公司,在3.5 英寸的磁盘装置上也采用了直线伺服电动机,日本神钢电机公司、富士通公司等也制造了供软驱装置用的直线步进电动机,采用直线电机后,计算机有效地缩短了存取时间,提高了工作效率。此外直线电机也在计算机的输入输出设备中得到了应用。如日本神钢电机公司,富士通公司分别将直线步进电动机和直线直流电动机用于打印机,取得了分辩能力和停止精度提高,加速特性更好的效果。日本松下公司则将直线伺服电动机用于驱动数字扫描仪,使扫描仪总重减轻,启动推力提高,图象波动减少,扫描速度提高近5倍。至于国内外现有高精度的平面绘图仪,几乎均采用了平面直线步进电动机, 它实现了绘图机的高速、高精度、高可靠性及耐久性。这种绘图机,中科院电工所和上海 21 所早在 20 世纪 80 年代就已试制成功。直线电机在自动化设备方面的应用有如新型的笔式记录仪、自动绕线机、照相机电磁快门、条形码自动读出器等。

3.4 直线电机技术在交通与民用方面的应用

磁悬浮列车改变了传统轨道车辆靠轮轨摩擦力推进的方式,采用磁力悬浮车体、直线电机驱动技术,使列车在轨道上浮起滑行,在交通技术发展史上是一个重大的突破,被誉为21世纪一种理想的交通工具。磁浮车与现有常规车相比,主要优点是:速度快(500km/h);安全,无翻车;无噪声振动;占地小;爬坡强;结构简单;节能。在交通应用方面,直线电机还被应用于驱动地铁车、驱动高速公路车等。直线电机在民用方面,发展较为迅速,产品较为成熟,应用面广。目前已应用的有直线电机驱动门;直线电机驱动窗和窗帘; 直线电机驱动的床、柜、桌、椅,盘型直线电机驱动的冼衣机。空调、冰箱用直线电机压缩机,用直线电机驱动的家用针织机和缝纫机、炒茶机等。特别是用直线电机驱动的电梯, 它所具有的结构简单、省材、省空间、高速、低噪声、节能的优点,引起电梯界的极大关注。

3.5 直线电机技术在军事及其它方面的应用

直线电机在军事上也得到了一些应用,如前面所述的直线电机驱动的潜艇,还有直线电机驱动的电磁炮。此外在一些军事设施上,如军用靶场、军用仿真系统、军用战斗武器如导弹的发射等等。此外, 直线电机还可用于天文观测系统中驱动摆镜和反观镜;直线电机驱动人工心脏;直线电机驱动的盲人触觉摸拟器; 直线电机在医院设备、电动工具、玩具以及建筑用打桩机等方面得到应用。