淺談直線電機(jī)技術(shù)結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、應(yīng)用

1 直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)

直線電機(jī)是從旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來的。它的基本構(gòu)成和作用原理與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)類似,就如同將旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿半徑方向切開展平而成,其傳動(dòng)方式也就由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。

一般采用新型整體式換向結(jié)構(gòu), 三級減振降噪,5000V100P 電容吸納浪涌脈沖尖峰。

2 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)

機(jī)床上傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機(jī) + 滾珠絲杠”進(jìn)給傳動(dòng)方式,由于受自身結(jié)構(gòu)的限制 ,在進(jìn)給速度、加速度、快速定位精度等方面很難有突破性的提高, 已無法滿足超高速切削、超精密加工對機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)伺服性能提出的更高要求。直線電機(jī)將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能,不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。具有起動(dòng)推力大、傳動(dòng)剛度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、定位精度高、行程長度不受限制等優(yōu)點(diǎn)。

在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中,采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與原旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)的最大區(qū)別是取消了從電機(jī)到工作臺(拖板)之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié),把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長度縮短為零,因而這種傳動(dòng)方式又被稱為“零傳動(dòng)”。正是由于這種“零傳動(dòng)”方式, 帶來了原旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。

(1)高速響應(yīng)

由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的機(jī)械傳動(dòng)件(如絲杠等),使整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能大大提高,反應(yīng)異常靈敏快捷。

(2)精度

直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取消了由于絲杠等機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的傳動(dòng)間隙和誤差,減少了插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)因傳動(dòng)系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制,即可大大提高機(jī)床的定位精度。

(3)動(dòng)剛度高由于“直接驅(qū)動(dòng)”,避免了啟動(dòng)、變速和換向時(shí)因中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運(yùn)動(dòng)滯后現(xiàn)象, 同時(shí)也提高了其傳動(dòng)剛度。

(4)速度快、加減速過程短

由于直線電動(dòng)機(jī)最早主要用于磁懸浮列車(時(shí)速可達(dá)500km/h),所以用在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中,要滿足其超高速切削的最大進(jìn)給速度(要求達(dá)60～100M/min 或更高)當(dāng)然是沒有問題的。也由于上述“零傳動(dòng)”的高速響應(yīng)性,使其加減速過程大大縮短。以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)時(shí)瞬間達(dá)到高速, 高速運(yùn)行時(shí)又能瞬間準(zhǔn)停?？色@得較高的加速度,一般可達(dá)2～10g(g=9.8m/s2),而滾珠絲杠傳動(dòng)的最大加速度一般只有0.1～0.5g。

(5) 行程長度不受限制在導(dǎo)軌上通過串聯(lián)直線電機(jī), 就可以無限延長其行程長度。

(6)運(yùn)動(dòng)動(dòng)安靜、噪音低。由于取消了傳動(dòng)絲杠等部件的機(jī)械摩擦,且導(dǎo)軌又可采用滾動(dòng)導(dǎo)軌或磁墊懸浮導(dǎo)軌(無機(jī)械接觸),其運(yùn)動(dòng)時(shí)噪音將大大降低。

(7)效率高。由于無中間傳動(dòng)環(huán)節(jié),消除了機(jī)械摩擦?xí)r的能量損耗,傳動(dòng)效率大大提高。

3 直線電機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用

目前,直線電機(jī)技術(shù)在世界各國的應(yīng)用大致可分為五個(gè)方面。

3.1 直線電機(jī)技術(shù)在物流輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用

我國目前郵政系統(tǒng)的郵包、印刷品的物流分揀、輸送線絕大部分通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用鏈傳動(dòng)或連桿等方式。國外一些發(fā)達(dá)國家則逐步采用了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的,由計(jì)算機(jī)控制的新型郵政物流分揀輸送系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的鏈傳動(dòng)或連桿方式相比,直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的物流系統(tǒng)具有高效、低噪、安全可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)而獲得應(yīng)用者青睞。在一些新穎的立體化倉庫的搬運(yùn)系統(tǒng)和新型的自動(dòng)化車庫,也開始采用了直線電機(jī),其中采用直線電機(jī)的自動(dòng)化車庫是在庫地上安裝一系列縱向和橫向的直線電機(jī)初級, 而載車板為次級。通過計(jì)算機(jī), 利用直線電機(jī)初次級作用移動(dòng)汽車進(jìn)或出。效率和利用率都很高。

3.2 直線電機(jī)技術(shù)在工業(yè)設(shè)備中的應(yīng)用

直線電機(jī)在工業(yè)設(shè)備中的應(yīng)用,主要在機(jī)床業(yè)方面比較突出,近幾年,國際上對數(shù)控機(jī)床采用直線電機(jī)顯得特別熱,究其原因是,傳統(tǒng)機(jī)床的驅(qū)動(dòng)裝置依賴絲桿驅(qū)動(dòng),絲桿驅(qū)動(dòng)本身具有一系列不利因素。

3.3 直線電機(jī)技術(shù)在信息與自動(dòng)化方面的應(yīng)用

直線電機(jī)在信息設(shè)備方面的應(yīng)用主要在計(jì)算機(jī)設(shè)備以及它的輸入輸出設(shè)備方面,在計(jì)算機(jī)主機(jī)上,在硬盤裝置方面,直線伺服電動(dòng)機(jī)首先在IBM2314 主光驅(qū)上使用,后來又在IBM333 上采用,日本松下公司,在3.5 英寸的磁盤裝置上也采用了直線伺服電動(dòng)機(jī),日本神鋼電機(jī)公司、富士通公司等也制造了供軟驅(qū)裝置用的直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī),采用直線電機(jī)后,計(jì)算機(jī)有效地縮短了存取時(shí)間,提高了工作效率。此外直線電機(jī)也在計(jì)算機(jī)的輸入輸出設(shè)備中得到了應(yīng)用。如日本神鋼電機(jī)公司,富士通公司分別將直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直線直流電動(dòng)機(jī)用于打印機(jī),取得了分辯能力和停止精度提高,加速特性更好的效果。日本松下公司則將直線伺服電動(dòng)機(jī)用于驅(qū)動(dòng)數(shù)字掃描儀,使掃描儀總重減輕,啟動(dòng)推力提高,圖象波動(dòng)減少,掃描速度提高近5倍。至于國內(nèi)外現(xiàn)有高精度的平面繪圖儀,幾乎均采用了平面直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī), 它實(shí)現(xiàn)了繪圖機(jī)的高速、高精度、高可靠性及耐久性。這種繪圖機(jī),中科院電工所和上海 21 所早在 20 世紀(jì) 80 年代就已試制成功。直線電機(jī)在自動(dòng)化設(shè)備方面的應(yīng)用有如新型的筆式記錄儀、自動(dòng)繞線機(jī)、照相機(jī)電磁快門、條形碼自動(dòng)讀出器等。

3.4 直線電機(jī)技術(shù)在交通與民用方面的應(yīng)用

磁懸浮列車改變了傳統(tǒng)軌道車輛靠輪軌摩擦力推進(jìn)的方式,采用磁力懸浮車體、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù),使列車在軌道上浮起滑行,在交通技術(shù)發(fā)展史上是一個(gè)重大的突破,被譽(yù)為21世紀(jì)一種理想的交通工具。磁浮車與現(xiàn)有常規(guī)車相比,主要優(yōu)點(diǎn)是:速度快(500km/h);安全,無翻車;無噪聲振動(dòng);占地小;爬坡強(qiáng);結(jié)構(gòu)簡單;節(jié)能。在交通應(yīng)用方面,直線電機(jī)還被應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)地鐵車、驅(qū)動(dòng)高速公路車等。直線電機(jī)在民用方面,發(fā)展較為迅速,產(chǎn)品較為成熟,應(yīng)用面廣。目前已應(yīng)用的有直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)門;直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)窗和窗簾; 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的床、柜、桌、椅,盤型直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的冼衣機(jī)?？照{(diào)、冰箱用直線電機(jī)壓縮機(jī),用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的家用針織機(jī)和縫紉機(jī)、炒茶機(jī)等。特別是用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電梯, 它所具有的結(jié)構(gòu)簡單、省材、省空間、高速、低噪聲、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn),引起電梯界的極大關(guān)注。

3.5 直線電機(jī)技術(shù)在軍事及其它方面的應(yīng)用

直線電機(jī)在軍事上也得到了一些應(yīng)用,如前面所述的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的潛艇,還有直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電磁炮。此外在一些軍事設(shè)施上,如軍用靶場、軍用仿真系統(tǒng)、軍用戰(zhàn)斗武器如導(dǎo)彈的發(fā)射等等。此外, 直線電機(jī)還可用于天文觀測系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)擺鏡和反觀鏡;直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)人工心臟;直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的盲人觸覺摸擬器; 直線電機(jī)在醫(yī)院設(shè)備、電動(dòng)工具、玩具以及建筑用打樁機(jī)等方面得到應(yīng)用。