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1、精选优质文档-倾情为你奉上直线电机基本概念直线电机可以看作旋转电机结构上的一种演变，它可以看作将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展开成直线。直线电机可分为：交流直线感应电动机（LIM），交流直线同步电动机（LSM）、直流直线电动机（LDM）、直线步进电动机（LPM）、混合式直线电动机（LHM）、微特直线电动机。其中交流直线同步电动机又分电磁式（EM）、永磁式（PM）、可变电阻（VR）、混合式（HB）、超导体（SC）；直线直流电动机分为电磁式、永磁式、无刷；直线步进电动机分为可变电阻型和永磁型。同步直线电动机的原理：直线同步电动机与直线异步电动机一样也是由旋转电机演化来的，其工作原理与旋
2、转电机一样。直线同步电动机的磁极一般有直流励磁绕组励磁，或有永磁体励磁。在定子绕组产生的气隙行波磁场与磁极磁场的共同作用下，气隙磁场对磁极动子产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，如果初级是固定不动 的 ，那么次级就沿着行波磁场的运动方向做直线运动。磁极运动的速度v就与行波磁场的移动速度一致,且v=2f t单位(m/s),t为极距。同步直线电机与异步直线电机在性能、使用范畴上有何区别：直线异步电动机具有 ：成本低，相同容量的异步电动机的体积是同容量的同步电动机的6倍左右,常用变频器做速度控制，用于精度要求不是很高的场合。直线同步电动机具有更大的驱动力，其控制性能，位置精度更好，体积小，重量轻，
3、且具有发电制动功能。永磁直线同步电动机可应用于各种精密加工设备上。但是成本相对较高。永磁体性能的提高和价格的下降，以及由永磁取代绕线式转子中的励磁绕组所带来的一系列优点:如转子无发热问题、控制系统简单、具有较高的运行效率和较高的运行速度等等。动圈式直线电机与动磁式直线电机：永磁直线电动机可以做成动磁型，也可以做成动圈型。只要使永磁体产生的磁通由绕组通入直流电励磁产生，任何一种永磁式直线电动机都可以改为电磁式（动磁）直线电动机。动圈型结构具有体积小，成本低和效率高 等优点。用于计算机硬盘驱动器的音圈电机（VCM）就是一种动圈型永磁直线直流电动机。动磁式直线电机没有线圈端部，电枢绕组得到完全利用；
4、气隙均匀，消除电枢和磁极间的吸力。动圈式直线电机的动子惯量小，响应快；由于有导线连结，行程一般较小。 动磁式与上述刚好相反。圆筒型直线电机和平板型直线电机的本质区别：直线电机是从普通旋转电机演变来的，如果将普通旋转电机的圆筒型定子，转子剖开拉直，就成了平板型结构的直线电机，如果再把这种扁平的初级，次级卷绕在一根与磁场运动方向平行的轴上，即可得到一种与平板型直线电机完全不同的圆筒型直线电机。圆筒型直线电机的工作原理与直线电机的原理相似，当在初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相互作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级
5、在推力的作用下做直线运动。反之，则初级作直线运动。它把电能直接转变为直线运动的机械能而无中间变换装置。圆筒型直线电机也可分为同步式和感应式两类（也有步进式）。选择适当的电机选择适当的电机为了选择适当的电机，必须考虑若干因素。比如是选择线性运动还是旋转运动？以下为选择一个电机时应考虑的一些基本要求。这将有助于确定是否要使用一个直线电机，还是要使用一个旋转电机。直线电机要求多大力？工作周期是多少？所希望的步进步长是多少？步进速率或线速度是多少？双极性或单极性线圈？线圈电压？断电时螺杆能否自锁？是否有尺寸限制？所期望的寿命要求是多少？工作坏境温度是多少？固定轴或贯通轴式？驱动器的类型？旋转电机要求多
6、大力矩？工作周期是多少？所希望的步距角是多少？步进速度或转速（RPM）是多少？双极性或单极性线圈？线圈电压？定位力矩或保持力矩要求？是否有尺寸限制？所期望的寿命要求是多少？工作坏境温度是多少？滑动轴承或滚珠轴承?径向载荷和轴向载荷？驱动器的类型？双极性步进电机是指：有两个线圈，四条线。电流在两个线圈中可以正反向流动，所以叫做双极性。单极性步进电机是指：有两个线圈，但是有五条或六条线，即在一个线圈的中间增加了一个抽头，五条线的可以看成是六条线把两个线圈的两根中间线并在一起。因为在一个线圈的中间有了抽头，电流就可以在一个线圈的一半走不同的流向，但这时只是用到电机线圈的一半而已。双极性步进电机和单极
7、性步进电机的产生，是源于几十年前，因为步进电机驱动电路较贵，如果用双极性的驱动电路，比单极性的电路要贵很多，所以多年前，单极性的步进电机很多。但是随着步进电机驱动电路成本越来越低，再加上一些很便宜的驱动芯片的出现，双极性电机的应用多了起来。同时，双极性电机因为一个线圈子正反向电流流过，应用效率高，单极性的则因为电机大部分时间只使用一半的线圈，所以效率较低。但在一些成本要求比较严的地方，单极性电机还是被广泛使用。交流同步电机步进电机也可在交流（AC）下运行。但是其中一相绕组必须通过一个适当选择的电容而得电。在这种情况下，电机限制为仅有一个同步速度。例如，如果电源频率为60赫兹，则电源有120次反
8、向或变更。通过电容通电的相位也按照偏移时间顺序而产生相同数量的变更。电机已按相当于240步/秒的速率真正通电。对于15的旋转电机，要求24个步序来完成一个旋转（24 SPR）。这就成了600转/分（RPM）的同步电机。对于直线电机，所产生的线性速度取决于电机每步的步长。例如，如果向0.001英寸/步的电机通60赫兹的电源，则所获得的速度为0.240英寸/秒(240步/秒0.001英寸/步)。很多海顿的步进电机可以被当成一个300或600RPM的交流同步电机。混合式电机简介混合式直线步进电机技术概述步进电机由旋转运动变为线性运动可用几种机械方法完成,包括齿条和齿轮传动及皮带轮传动以及其他机械联动
9、机械.所有这些设计都需要各种机械零件。而完成这种转变的最有效方法是在电机自身内部实现。说明基本的步进电机是由有磁性的转子铁芯通过与由定子产生的脉动的定子电磁场相互作用而产生转动。直线电机把旋转运动变为线性运动，完成这个转变的精密性取决于转子的步进角度和所选方法。线性步进电机，或者称为直线步进电机，首先出现在1968年的第3，402，308号专利上，是颁发给Willian Henschke的。从此以后，直线步进电机被应用于包括制造、精密调准和精密流体测量在内的诸多高要求领域。使用螺纹的直线电机的精密度，取决于它的螺距。在直线电机的转子中心安装一个螺母，相应地采用一根螺杆与此螺母啮合，为使螺杆轴向
10、移动，必须用某种方法来防止螺杆与转子组件一同转动。由于螺杆转动受到制约，当转子旋转时，螺杆实现了线性运动。无论是在电机内部用固定螺纹轴组件还是在外部的螺纹轴上使用不能旋转但轴向可自由移动的螺母，都是实现转动约束的典型方法。为简化设计，在电机内部实现线性变换是有意义的。该方法极大的简化了设计，使得在许多应用领域中能够在不安装外部机械联动装置的情况下直接使用直线电机进行精密的线性移动。最初的直线电机采用了一个滚珠螺母和丝杆的结合体。滚珠丝杆提高达90%以上的效率，而根据螺纹条件，梯形螺纹提供的效率仅有20%-70%。尽管对于转换旋转运动为线性运动而言滚珠丝杆是一种高效的方法，但是滚珠螺母对校准要求
11、很高，而且体积较大，费用昂贵。因此，在大多数应用领域中，滚珠丝杆并非是一个较实用的解决方法。大多数设备设计人员对以混合式步进电机为基础的直线电机十分熟悉。该产品已有多年历史，与其它设备一样有其自身的长处和局限性。设计简便、紧凑、无电刷（因此无火花）、惊人的机械优点、设计的实用性以及可靠性是它与生俱来的优点，然而在某些情况下，此直线电机不能用于某些设备，因为在没有日常维护的条件下它是不能保证其耐久性的。不过，目前有几种方法可以克服这样的障碍，使直线电机具有更高的耐久性且不用维护，由于步进电机的无电刷设计，产生磨损的唯一部件是转子轴承以及由导螺杆/螺母组成的螺纹接合。滚珠轴承近年来的改进已经提供了
12、适应直线运动的长寿命产品。最近导螺杆和螺母组合的寿命和耐用性也都有了改进。提高耐久性首先有必要了解电机的基本结构。一个较好的研究实例Size 17电机，它属于混全式步进电机家庭中尺寸较小的。习惯上，直线电机使用由一轴承级金属材料（如青铜）加工成的空心轴，该空心轴具有内螺纹然后与螺纹导杆连接。空心轴沿转子轴线安装。导杆材料通常为不锈钢，它具有相当的防腐蚀性能。大多数零件所用的螺纹的型式是加工螺纹（如#10-32），此螺纹有单头或多头，这取决于电机所需的精度和速度。加工螺纹一般选择 “V”形螺纹，这是由于其易加工并可轧制成形。尽管这对加工来说是较为适用，但对动力的传输而言却是不利。相比之下Acme
13、螺纹更为合适，主要理由如下：Acme螺纹的设计更加高效。而从使用角度来看，低损耗（包括磨擦），就意味着磨损少和使用寿命长。从螺纹的基本几何原理看就很容易理解其中的原因。“V”形螺纹的相对面之间的角度为60度，而Acme螺纹的仅为29度。假定磨擦、扭矩和螺纹角相同，“V”形螺纹能传送的力约为梯形螺纹的85%。用式（1）和（2）可以求出效率，因为使用的螺纹是V形的，取决于负载方向。60度螺纹的效率除以29度螺纹效率就能计算出比率。这里的效率计算还未考虑由于“V”形螺纹表面的高压力而产生的额外的损耗。Acme螺纹导杆一般是为传送动力而制作的，所以其表面光洁度、螺距精度及公差得到严格保证。“V”形螺纹
14、基本上用于紧固螺纹，所以其表面光洁度和直线性并不受到严格控制与此同时，驱动螺杆的螺母甚至显得更重要，该螺母通常是嵌入电机转子中的。传统的螺母材料采用轴承级的青铜并在其内部加工螺纹，这样做是综合考虑了物理稳定性和润滑性。当然，说它是综合考虑是因为其在这两方面并非特别优秀。直线电机中驱动螺母的较好材料是自润滑的热塑性材料。这是因为用新的工程塑料能使螺杆螺母运动磨擦系数降低。图3是不同内螺纹转子材料的磨擦性能的比较。结果很明显，但为何不用塑料的驱动螺母？对螺纹来说塑料是好的，可惜的是对于混合式电机中的转子轴颈来说工程塑料却不稳定。由于电机的温度在运行时可能升至167F，在这种情况下塑料的膨胀量可能达
15、到0.004英寸，但黄铜在同样热条件下仅膨胀0.001英寸。见图4轴承轴颈在混合式电机结构中是非常重要的,为了达到最佳性能,混合式电机在设计时必须保持千分之几英寸的转子铁芯外径和定子内径之间的空隙。如果转子装配不同心则将与定子内壁磨擦。设计人员希望通过选择合适的材料在螺纹寿命和轴承轴颈的稳定性上都取得较好的效果，而注塑有内螺纹的金属转子结构正好是理想的选择。（图5）该结构极大地提高了电机运行寿命和效率，并降低了运行噪音。电机寿命比在其它电机中使用的常规青铜螺母结构高，且不需维护。（图6）步进电机原理步进电机基本原理 电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的
16、运动是精确的，并可重复，这就是为什么步进电机在定位应用中如此有效的原因。永磁步进电机包括一个永磁转子、线圈绕组和导磁定子。给线圈绕组通电将产生一个电子磁场，分为北极和南极，见图1所示。定子产生产磁场使转子转动到与定子磁场对直。通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。图2显示了一个两相电机的典型的步进顺序。在第1步中，两相定子中的A相被通电，因异性相吸，其磁场将转子固定在图示位置。当A相关闭、B相被通电时，转子顺时针旋转90。在第3步中，B相关闭、A相被通电，但极性与第1步相反，这促使转子再次旋转90。在第4步中，A相关闭、B相通电，极性与第2步相反。重复该顺序促使转子按90的步距角顺时针旋转。图2中显
