1、 現代驅動技術直線異步電機的工作原理及控制系統題目：直線異步電機的工作原理及控制系統一、 直線異步電機的基本結構：直線電動機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能的電力傳動裝置。它可以省去大量中間傳動機構，加快系統反映速度，提高系統精確度，所以得到廣泛的應用。直線電機最初由英國人惠斯登1840年提出、實驗，但不成功。隨后，人們對它進行了深入研究，從理論到實踐做了大量工作。1945年美國西屋公司首先研究成功以直線電機作為動力的飛機彈射器，但由于成本太高而未能推廣。總體來說，當時由于自身理論上的不完善，加上其它相關技術的局限，同時，需求不是很迫切，直線電機技術發展緩慢。隨著自動控制技術和微型計算機的

2、高速發展，對各類自動控制系統的定位精度提出了更高的要求。在這種情況下，傳統的旋轉電機再加上一套變換機構組成的直線運動驅動裝置，已經遠不能滿足現代控制系統的要求。為此，從上世紀60年代開始，由于控制技術、材料技術的發展，基礎研究的進步與突破，直線電機進入全面開發階段。世界上許多國家下大力氣在研究、發展和應用直線電機，使得直線電機的應用領域越來越廣。英國萊斯韋特教授1966年出版了比較系統地介紹直線電機的專著Induction Machines for Spesial Purposes，為直線電機的發展做出了突出貢獻。一般電動機工作時都是轉動的。但是用旋轉的電機驅動的交通工具（比如電動機車和城市中

3、的電車等）需要做直線運動，用旋轉的電機驅動的機器的一些部件也要做直線運動。這就需要增加把旋轉運動變為直線運動的一套裝置。能不能直接運用直線運動的電機來驅動，從而省去這套裝呢？幾十年前人們就提出了這個問題現在已制成了直線運動的電動機，即直線電機。 直線電機是一種新型電機，近年來應用日益廣泛。磁懸浮列車就是用直線電機來驅動的。直線電機除了用于磁懸浮列車外，還廣泛地用于其他方面，例如用于傳送系統、電氣錘、電磁攪拌器等在我國，直線電機也逐步得到推廣和應用。直線電機的原理雖不復雜，但在設計、制造方面有它自己的特點，產品尚不如旋轉電機那樣成熟，有待進一步研究和改進。直線電動機按原理分為直流直線電動機、交流

4、直線異步電動機、直線步進電動機和交流直線同步電動機。以前 3種應用較多。按結構可分為單邊型和雙邊型兩種。在單邊型結構中，定子和動子之間受有較大的單邊磁拉力；雙邊型結構由于兩邊磁拉力互相平衡，支承部分摩擦力較小，動作比較靈活。 直線異步電動機的結構主要包括定子、動子和直線運動的支撐輪三部分。為了保證在行程范圍內定子和動子之間具有良好的電磁場耦合，定子和動子的鐵心長度不等。定子可制成短定子和長定子兩種形式。由于長定子結構成本高、運行費用高，所以很少采用。直線電動機與旋轉磁場一樣，定子鐵心也是由硅鋼片疊成，表面開有齒槽；槽中嵌有三相、兩相或單相繞組；單相直線異步電動機可制成罩極式，也可通過電容移相。

5、直線異步電動機的動子有三種形式： (1)磁性動子 動子是由導磁材料制成（鋼板），既起磁路作用，又作為籠型動子起導電作用。 (2)非磁性動子 ，動子是由非磁性材料（銅）制成，主要起導電作用，這種形式電動機的氣隙較大，勵磁電流及損耗大。 (3)動子導磁材料表面覆蓋一層導電材料，導磁材料只作為磁路導磁作用；覆蓋導電材料作籠型繞組。 因磁性動子的直線異步電動機結構簡單，動子不僅作為導磁、導電體，甚至可以作為結構部件，其應用前景廣闊。直線電動機的種類按結構形式可分為；單邊扁平型、雙邊扁平型、圓盤型、圓筒型（或稱為管型）等；按工作原理可分為：直流、異步、同步和步進等。下面僅對結構簡單，使用方便，運行可靠的

6、直線異步電動機做簡要介紹。二、 直線異步電機的工作原理： 直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉電機按徑向剖開，并展成平面而成。直線異步電動機的工作原理和旋轉式異步電動機一樣，定子繞組與交流電源相連接，通以多相交流電流后，則在氣隙中產生一個平穩的行波磁場（當旋轉磁場半徑很大時，就成了直線運動的行波磁場）。該磁場沿氣隙作直線運動，同時，在動子導體中感應出電動勢，并產生電流，這個電流與行波磁場相互作用產生異步推動力，使動子沿行波方向作直線運動。若把直線異步電動機定子繞組中電源相序改變一下，則行波磁場移動方向也會反過來，根據這一原理，可

7、使直線異步電動機作往復直線運動。利用電能直接產生直線運動的電動機。其原理與相應的旋轉式電動機相似，在結構上可看作是由相應旋轉電機沿徑向切開，拉直演變而成（圖1）。直線電動機包括定子和動子兩個主要部分。在電磁力的作用下，動子帶動外界負載運動作功。在需要直線運動的地方，采用直線電動機可使裝置的總體結構得到簡化。直線電動機較多地應用于各種定位系統和自動控制系統。大功率的直線電動機還常用于電氣鐵路高速列車的牽引、魚雷的發射等裝備中。 直線異步電動機由旋轉式異步電動機演變而來。其工作原理和旋轉式異步電動機相同。主要由原邊和副邊兩部分組成，嵌有線圈的部分為原邊。當多相繞組中通入電流后，電機氣隙中就產生一個

8、磁場行波，切割副邊的導體而感生電流。此電流與磁場作用產生電磁力使原邊和副邊發生相對運動。直線異步電動機可以做成原邊固定、副邊可動的短副邊型和副邊固定、原邊可動的短原邊型兩種結構。短原邊型所用線圈數量少，比較經濟，應用較多;短副邊型常用于金屬物體的投射。直線異步電動機常在工業自動化系統中作為操作桿的動力，用它操作自動門窗、自動開關和閥門以及各種機械手，也可用于電氣鐵路高速列車的牽引和魚雷發射等。 直線異步電動機主要用于功率較大場合的直線運動機構，如門自動開閉裝置，起吊、傳遞和升降的機械設備，驅動車輛，尤其是用于高速和超速運輸等。由于牽引力或推動力可直接產生，不需要中間連動部分，沒有摩擦，無噪聲，

9、無轉子發熱，不受離心力影響等問題。因此，其應用將越來越廣。直線同步電動機由于性能優越，應用場合與直線異步電動機相同，有取代趨勢。直線步進電動機應用于數控繪圖儀、記錄儀、數控制圖機、數控裁剪機、磁盤存儲器、精密定位機構等設備中。直線電機的工作原理和旋轉電機一樣，也是利用電磁作用將電能轉換成為機械能。交流感應直線電機在機床上的安裝如圖4-56所示。鐵芯的多相通電繞組（電機的初級）安裝在機床工作臺（溜板）的下部，是直線電機的動子部件；在床身導軌之間安裝不通電的繞組，每個繞組中的每一匝都是短路的，相當于交流感應回轉電機鼠籠的展開，是直線電機的定子部件。 圖4-56 短初級直線電機安裝結構及實

10、物照片1-光柵尺 2-次級（定子） 3-初級（動子） 如圖4-57所示，在直線電機的三相繞組中通入三相交流電時，會在電機初、次級間的氣隙中產生磁場，如果不考慮端部效應，磁場在直線方向呈正弦分布。 圖4-57 直線電機基本工作原理圖 1-初級 2-次級 3-行波磁場 當三相交流電隨時間變化時，氣隙磁場將按A、B、C相序沿直線移動，稱此平移的磁場為行波磁場。直線電機內的行波磁場的移動速度與旋轉電機的旋轉磁場在定子內圓表面的線速度相同，這個速度稱為同步線速度vs，其計算公式如下： 式中 初級的極距； f 電源頻率。 改變直線異步電機初級繞組的通電相序，就可改變電機運動的

11、方向，從而可使電機作往復運動。 三、 直線電機控制系統和控制方法：直線電機控制系統可以采用開環控制系統，閉環控制系統，如果把直流電機結構進行“里翻外”的處理，即把電樞繞組裝在定子，轉子為永磁部分，并以轉子軸上的編碼器測出磁極位置控制電子開關進行電子換相，這就構成了永磁無刷直流電機。這種交流伺服電機具有良好的伺服性能。從80年代開始，逐漸應用在數控系統的進給驅動裝置上。交流伺服系統采用交流伺服電機作為驅動器件，可以和直流伺服電機一樣構成高精度、高性能的半閉環或全閉環控制系統，由于交流伺服電機內是無刷結構，幾乎不需維修，體積相對較小，有利于轉速和功率的提高。目前交流伺服系統已在很大范圍內取代了直流

12、伺服系統。在當代數控系統中，伺服技術取得的突破可以歸結為:交流伺服取代直流伺服、數字控制取代模擬控制、或者把它稱為軟件控制取代硬件控制。這兩種突破的結果產生了交流數字驅動系統，應用在數控機床的伺服進給和主軸裝置上。由于電力電子技術及控制理論、微處理器等微電子技術的快速發展，軟件運算及處理能力的提高，采用高速微處理器和專用數字信號處理器(DSP-DigitalSignalProcessor)的全數字化交流伺服系統出現后，使系統的計算速度大大提高，采樣時間大大減少。原來的硬件伺服控制變為軟件伺服控制，一些現代控制理論中的先進算法得到實現，進而大大地提高了伺服系統的性能，例如OSP-U10/U100網絡式數控系統的伺服控制環就是一種高性能的伺服控制網，它對進行自律控制的各個伺服裝置和部件實現了分散配置，網絡連接，進一步發揮了它對機床的控制能力和通信速度。這些技術的突破，使伺服系統性能改善、可靠性提高、調試方便、柔性增強，大大推動了高精高速加工技術的發展。直線電機直接驅動也存在一些缺點和問題，除控制難度大(中間沒有緩沖環節和存在端部效應)外，還存在強磁場對周邊產生磁干擾，影響滾動導軌副的壽命，同時給排屑、裝配、維修帶來困難，以及發熱大、散熱條件差。需解決散熱、隔磁、足夠的推力、自鎖和移動部件輕量化等方面的問題，才能在機床上實際應用，同時成本較高也影響其推廣應用。