4.4直线电机的应用

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1、教 案（首页）授课班级 机电高职 1002授课日期课题序号 4.4 授课形式 讲授 授课时数 2课题名称 直线电机的应用教学目标1了解直线感应电动机的用途、结构、分类和基本工作原理。2了解永磁式直线无刷直流电动 机的原理、 结构与优点。3了解直线电动机的实际应用。教学重点1、直线感应电动机的用途、结构、分类和基本工作原理。2、永磁式直线无刷直流电动机的原理、结构与优点。教学难点1、直线感应电动机的用途、结构、分类和基本工作原理。2、永磁式直线无刷直流电动机的原理、结构与优点。教材内容更新、补充及删减无课外作业 见教案教学后记 无送审记录 盐城生物工程高等职业技术学校课堂时间安排和板书设计复习

2、5导入 5新授 60练习 15小结 5一、直线感应电动机1、结构与分类2、工作原理3、用途及特点二、直线直流电动机1、永磁式直线直流电机2、永磁式直线无刷直流电机三、直线电动机应用实例直线电机驱动的龙门架构系统1、系统的组成2、主要部件性能介绍课 堂 教 学 安 排课题序号 4.4 课题名称 直线电机的应用 第 1 页 共 5 页教学过程 主要教学内容及步骤导入新授直线电动机直接实现直线运动，从而消除了旋转电机由旋转运动到直线运动的中间机构，使精度提高、结构简化。在铁路运输上，直线感应电动机可以用于 400500 km/h 的超高速列车。在生产线上，各种传送带已开始采用直线电动机来驱动。现代机

3、床加工设备中，采用直线电动机直接驱动与定位。在仪器仪表系统中，直线电动机作为驱动、指示和测量的应用更加广泛，如快速记录仪、X-Y 绘图仪、磁头定位系统、光驱中轨迹的聚集与跟踪。直线电动机的应用已经进入运输行业、工业自动化、办公自动化、医疗设备和家庭自动化等许多领域。部分直线电动机及应用如图 4-21 和 4-22 所示。直线电动机与旋转电动机在原理上相同。本任务以直线感应电动机和直线直流电动机为例，介绍直线电动机的特点、原理、主要结构形式和实际应用。 一、直线感应电动机1结构与分类直线电动机是一种作直线运动的电动机。它可以看成是从旋转电动机演化而来的，如图 4-23 所示。从原理上讲，每种旋转

4、电机都有与之相对应的直线电动机。直线电动机也分异步，同步、步进、有刷直流、无刷直流等各种类型。直线电动机按工作原理可分为直线感应电动机、直线直流电动机、直线无刷直流电动机、直线步进电动机等。旋转电动机的定子和转子分别对应直线电动机的初级和次级。直线电动机的运动部分既可以是初级，也可以是次级。按初级运动还是次级运动可以把直线电动机分为动初级和动次级两种。为了在运动过程中始终保持初级和次级耦合，初级侧或次级侧中的一侧必须做得较长。直线感应电动机常见的形式有平板形和圆筒形两种，如图 4-24所示。盐城生物工程高等职业技术学校课 堂 教 学 安 排课题序号 4.4 课题名称 直线电机的应用 第 2 页

5、 共 5 页教学过程 主要教学内容及步骤在直线电动机的制造中，既可以是初级短、次级长，也可以是初级长、次级短。前者称为短初级，后者称为短次级。由于短初级的制造成本、运行费用均比短次级低得多，因此，除特殊场合外，一般均采用短初级结构。仅在一边安放初级，这种结构形式的直线电动机称为单边型直线电动机。单边平板形直线感应电动机工作时对次级存在着较大的电磁拉力，而双边平板形则可消除对次级的电磁拉力，有利于电动机的工作。短初级直线感应电动机的结构如图 4-25 所示。平板形直线感应电动机的次级形式较多。最常用的是带状软钢板或直接用角钢、丁字钢、工字钢等来做次级。平板形直线感应电动机的功率较大，多用在工业生

6、产的传送带和铁路运输上。圆筒形结构的优点是没有绕组端部，不存在横向边缘效应，次级的支撑也比较方便。缺点是铁心必须沿圆周叠片，才能减小由交变磁通在铁心中感应的涡流，这在工艺上比较复杂；散热条件也比较差。圆筒形直线感应电动机功率较小，它的行程也相对小些，一般只有 0.52.0m 左右。 2工作原理直线电动机的初级三相绕组通入三相交流电后，就会在气隙中产生一个沿直线移动的正弦波磁场，其移动方向由三相交流电的相序决定，如图 4-26 所示。显然该行波磁场的移动速度与普通电机旋转磁场在定子内圆表面的线速度相等。 行波磁场切割次级上的导体后，在导体中感应出电动势和电流，该电流与气隙磁场作用，在次级中产生电

7、磁力，驱动次级沿着行波磁场移动的方向作直线运行，或者利用反作用力驱动初级朝相反的方向运动。如果改变直线电动机初级绕组的通电相序，即可改变电动机的运行方向。因此直线电动机可实现往返直线运动。 3用途及特点直线感应电动机主要应用于各种直线运动的动力驱动系统中，如精密数控机床、加工中心、电磁锤、高速冲压设备、传送带自动搬运装置、带锯、直线打桩机以及高速列车、电动门 盐城生物工程高等职业技术学校课 堂 教 学 安 排课题序号 4.4 课题名称 直线电机的应用 第 3 页 共 5 页教学过程 主要教学内容及步骤等。直线感应电动机的特点是：结构简单，维护方便；散热条件好，额定值高；适宜于高速运行；能承担特

8、殊任务，如液态金属的运输、加工等。其缺点是气隙大，功率因数低，力能指标差，低速运行时需采用低频电源，使控制装置复杂。二、直线直流电动机直线直流电动机分为永磁式直线直流电动机和永磁式直线无刷直流电动机。1永磁式直线直流电动机永磁式直线直流电动机主要有：音圈电机、框架式永磁直线直流电动机。(1)音圈电机 图 4-27 是可动线圈型直线电动机的一种，在磁钢产生的气隙磁场内放大线圈，磁场与流过线圈的电流相互作用产生电磁力，效率较高。因为这种结构与电动式扬声器的音频线圈部分相似，所以叫音频线圈电动机。音圈的一部分 (指长音圈外磁式)或全部 (指短音圈内磁式)处于永久磁铁发出的恒定磁场中，音圈绕组通大电流

9、，就会产生推动音圈移动的电磁力。电磁力的大小与方向取决于通入音圈的电流的大小和极性。由于音圈式直线直流电动机的磁场均匀，仅线圈移动 (内铁心不动)，所以重量轻、惯量小，因此这种电动机的响应频率很高。磁盘存储器中用转臂式音圈电机控制磁头，使速度和位置精度大为提高，从而提高了磁盘存储器的容量和工作速度，如图 4-28 所示。(2)框架式永磁直线直流电动机 框架式永磁直线直流电动机可以做成动铁型，也可以做成动圈型。动圈型结构如图 4-29 所示，在软铁架两端装有极性同向放置的两块永磁体，通电线圈可在滑道上做直线运动。这种结构具有体积小、成本低和效率高等优点。动圈型结构因为只有线圈的动作，所以具有成本

10、低、效率高、体积小、惯性小、响应快速的优点。但必须要有给可动部分送电用的引线，这在耐用性方面多少有些不利。对此，可把永久磁铁做成可动部分，线圈绕在一个软铁框架上，线圈的长度要包括整个行程。动铁型结构如图 4-30 所示，在这种情况下，不再是单极结构，而是多极，线圈也是两组。 盐城生物工程高等职业技术学校课 堂 教 学 安 排课题序号 4.4 课题名称 直线电机的应用 第 4 页 共 5 页教学过程 主要教学内容及步骤2永磁式直线无刷直流电动机(1)工作原理 永磁式直线无刷直流电动机是从旋转无刷直流电动机演变而来的。图 4-31 表示其工作原理。永磁式直线无刷直流电动机的推力是由定子中的电枢电流

11、和动子的永磁磁场相互作用产生的。由于电子换向的作用，使电枢绕组的电流轮流变化，在动子中产生恒定方向的推力。为了实现电子换向，永磁式直线无刷直流电动机除了电枢和永磁磁场之外，还需要位置传感器。当传感元件 a、b、c（图 4-31a）不断地发出位置信号时，电枢绕组通过的电流方向在不同磁极下轮流变化，从而实现电子换向。 (2)分类、结构和组成 永磁式直线无刷真流电动机可分有铁心和无铁心两种常用形式。有铁心式是指定子有铁心，无铁心式是指定子无铁心，其余部分均相同。直线无刷直流电动机均做成平板形结构，有铁心式电动机采用单边式结构，无铁心式电动机采用双边式结构。直线无刷直流电动机由电机本体和电子线路组成。

12、电动机本体包括定子和动子两个部分。定子由电枢和位置传感器组成，动子由永磁磁极组成。直线无刷直流电动机的电子线路与旋转式无刷直流电动机的电子线路相同。(3)性能 高性能直线无刷直流电动机己经批量生产，下面简要介绍其性能特点。1)调速范围宽 无刷直流电动机没有任何机械传动的限制，运行的速度变化范围几乎难以想象，且运行速度稳定。 2)高动态特性 电动机的动态特性与其承受加速能力有关。直线无刷直流电动机的运行加速度可以达到几个重力加速度，小功率电动机高达 65g，大中功率电动机一般为35g。上述数据不仅其他类型直线电动机无法达到，旋转式电动机就更难以达到。永磁式直线无刷直流电动机具有如此高的加速度，其

13、运行速度也很高。3)运行平稳、定位精度高 直线无刷直流电动机的定子和动子采用无铁心或有铁心两种形式，两者均可消除齿槽效应，电动机运行很平稳。采用反馈闭环系统后，系统的定位很精确，一般伺服控制用电动机的定位精度可达 0.5m。4)维护方便、可靠性高、耐用性好 直线无刷直流电动机不存在摩擦接触，具有运行可靠、维护方便、耐用性好等优点。 三、直线电动机应用实例直线电动机驱动的龙门架构系统1系统的组成图 4-32 所示是直线电动机驱动的龙门架构系统。它由三台 LMC 系列无铁心式三相直线直流无刷电动机、三台 LDMS6 系列驱动器、高精度测量系统、主控计算机及 PCI4P 四轴运动控制卡、24V 电源

14、适配器等组成。广泛应用于液晶等离子平面显示器加工业、半导体集成电路板业、PCB 电路板生产检测业、激光加工机械等领域。盐城生物工程高等职业技术学校课 堂 教 学 安 排课题序号 4.4 课题名称 直线电机的应用 第 5 页 共 5 页教学过程 主要教学内容及步骤2主要部件性能介绍LMC 系列无铁心式三相永磁直线无刷电动机的特点是：重量轻，特别适宜于平滑的扫描运动，加速度高；体积小，运动平滑，空载加速度达 67g、最大推力可达2400N；运动平稳，速度波动小，高度低，无磨耗，使用寿命长。由于直线电动机龙门架构属于高精度定位系统，结构上一定要有位置反馈系统来提供整体控制上的换相以及定位精度，因此一

15、般需要借助光学尺才可能达到功能需求。 1-驱动器电源线3 2-直线电动机驱动器3 3-数据线2(驱动器端) 4-数据线l(控制器端) 5-数据端子盒1 6-编码器信号线3 7-LINK IN/OUT 信号线2 LDMS6 系列驱动器适用于三相伺服电机，以具备高性能浮点运算的 DSP-TMS320C32 芯片设计的伺服控制卡，其伺服回路更新时间极快，可在 96s 完成。采用闭环控制，通过数据线与 PC 机相连，可方便调整参数，使电机获得最佳性能。PCI4P 四轴运动控制卡采用 DDA 技术，输出增量形式的脉冲信号给电机驱动器。最大可支持四轴定位，亦可提供轴间的内插功能。人机界面良好。MCCL 运动函数库支持VC+/VBd 在 Windows98/2000/XP 上的直线、圆弧等运动功能。数据端子盒 PCI4P-TB 提供更方便的数据线和 I/O 接线。思考与练习1直线电动机根据形状可以分为哪几类?简述它们的特点?各应用于什么场合?2简述直线感应电动机的特点及主要应用领域。3简述直线无刷直流电动机的性能。盐城生物工程高等职业技术学校