1、1 机电一体化系统设计机电一体化系统设计第三章第三章 机电一体化系统执行元件的选择与设计机电一体化系统执行元件的选择与设计v3.1 概述概述 v3.2 常用控制用电动机常用控制用电动机 v3.3 步进电动机及其驱动步进电动机及其驱动 v3.4 直流直流(DC)和交流和交流(AC)伺服电机及其驱动伺服电机及其驱动 v3.5 直线电机简介直线电机简介2 机电一体化系统设计机电一体化系统设计3.1 概述概述v执行元件：能在微电子装置的控制下，将执行元件：能在微电子装置的控制下，将输入的各种形式的能量转转换为机械能。输入的各种形式的能量转转换为机械能。常用装置：电动机、电磁铁、继电器、液动机、气缸、常
2、用装置：电动机、电磁铁、继电器、液动机、气缸、内燃机等。内燃机等。3 机电一体化系统设计机电一体化系统设计执行元件的种类执行元件的种类执执行行元元件件 电磁式电磁式液压式液压式气压式气压式其它其它电动机电动机电磁铁及其它电磁铁及其它交流交流(AC)伺服电动机伺服电动机直流直流(DC)伺服电动机伺服电动机步进电动机步进电动机其它电动机其它电动机油缸油缸液压电动机液压电动机气缸气缸气压电动机气压电动机与材料有关与材料有关压电元件压电元件形状记忆合金形状记忆合金双金属片双金属片4 机电一体化系统设计机电一体化系统设计执行元件执行元件电动机电动机5 机电一体化系统设计机电一体化系统设计执行元件执行元件
3、电动机电动机6 机电一体化系统设计机电一体化系统设计7 机电一体化系统设计机电一体化系统设计直线电机平台直线电机平台8 机电一体化系统设计机电一体化系统设计9 机电一体化系统设计机电一体化系统设计10 机电一体化系统设计机电一体化系统设计11 机电一体化系统设计机电一体化系统设计执行元件执行元件液压式液压式12 机电一体化系统设计机电一体化系统设计往复运动液压缸往复运动液压缸齿轮缸齿轮缸 13 机电一体化系统设计机电一体化系统设计执行元件执行元件气压式气压式14 机电一体化系统设计机电一体化系统设计执行元件执行元件电动机电动机15 机电一体化系统设计机电一体化系统设计执行元件执行元件液压式液压
4、式16 机电一体化系统设计机电一体化系统设计执行元件执行元件液压式液压式17 机电一体化系统设计机电一体化系统设计压电驱动器压电驱动器18 机电一体化系统设计机电一体化系统设计19 机电一体化系统设计机电一体化系统设计20 机电一体化系统设计机电一体化系统设计执行元件的比较执行元件的比较电气式电气式v特点：可使用商用电源；信号与动力的传送方特点：可使用商用电源；信号与动力的传送方向相同，有交流、直流和驱动电压大小区别。向相同，有交流、直流和驱动电压大小区别。优点：操作简便；编程容易；能实现定位伺服；响应优点：操作简便；编程容易；能实现定位伺服；响应快、易与快、易与CPU相接；体积小、动力较大；
5、无污相接；体积小、动力较大；无污染。染。缺点：瞬时输出功率大；抗过载能力差。缺点：瞬时输出功率大；抗过载能力差。21 机电一体化系统设计机电一体化系统设计执行元件的比较执行元件的比较液压式液压式v特点：压力源的压力为特点：压力源的压力为28Mpa；要求操作人；要求操作人员技术熟练。员技术熟练。优点：输出功率大，速度快，动作平稳，可实现定位优点：输出功率大，速度快，动作平稳，可实现定位伺服；易与伺服；易与CPU相接，响应快。相接，响应快。缺点：设备难于小型化；液压源或液压油要求缺点：设备难于小型化；液压源或液压油要求(杂质、杂质、温度、油量、质量温度、油量、质量)严格；易泄漏且有污染。严格；易泄
6、漏且有污染。22 机电一体化系统设计机电一体化系统设计执行元件的比较执行元件的比较气压式气压式v特点：空气压力源的压力为特点：空气压力源的压力为0.50.7Mpa；要求；要求操作人员技术熟练操作人员技术熟练。优点：气源方便、成本低；无泄漏污染；速度快、操优点：气源方便、成本低；无泄漏污染；速度快、操作比较简单。作比较简单。缺点：功率小，体积大，动作不够平稳；不易小型化；缺点：功率小，体积大，动作不够平稳；不易小型化；远距离传输困难；工作噪声大，难伺服。远距离传输困难；工作噪声大，难伺服。23 机电一体化系统设计机电一体化系统设计3.1.2 执行元件的基本要求执行元件的基本要求惯量小、动力大。对
7、于直线驱动元件，要求驱动惯量小、动力大。对于直线驱动元件，要求驱动力力F大；旋转驱动元件，提低较大的转矩。大；旋转驱动元件，提低较大的转矩。体积小、重量轻。功率密度，体积小、重量轻。功率密度，PG=P/G(kN/W)；比功率密度比功率密度=T2/J(kW/s)便于维修、安装便于维修、安装 宜于微机控制宜于微机控制24 机电一体化系统设计机电一体化系统设计3.2 常用的控制用电动机常用的控制用电动机25 机电一体化系统设计机电一体化系统设计3.2.1 控制用电动机的基本要求控制用电动机的基本要求性能密度和比功率大，性能密度和比功率大，PGP/G；快速性能，即加速转矩大，频响特性好；快速性能，即加
8、速转矩大，频响特性好；位置控制精度高、调速范围宽，低速运行平稳，位置控制精度高、调速范围宽，低速运行平稳，无爬行现象、分辩力高、振动噪声小；无爬行现象、分辩力高、振动噪声小；适应起、停频繁的工作要求；适应起、停频繁的工作要求；可靠性高、寿命长。可靠性高、寿命长。26 机电一体化系统设计机电一体化系统设计3.3 步进电动机及驱动步进电动机及驱动v步进电机：又称脉冲电机，将电脉冲信号步进电机：又称脉冲电机，将电脉冲信号转换成机械转换成机械 角位移的执行元件。角位移的执行元件。输入一个脉冲电机转动一步，转子角输入一个脉冲电机转动一步，转子角位移位移的大小及的大小及转速转速分别与输入的分别与输入的电脉
9、冲数电脉冲数及及频率频率成正比，并在时间成正比，并在时间上与输入脉冲同步。上与输入脉冲同步。27 机电一体化系统设计机电一体化系统设计3.3.1 步进电动机的特点与种类步进电动机的特点与种类步进电机的工作状态不易受各种因素干扰的影响；步进电机的工作状态不易受各种因素干扰的影响；步进电机的步距角有误差，转子转过一定角度后会步进电机的步距角有误差，转子转过一定角度后会出现累积误差，但转子转过一圈后，累积误差变为出现累积误差，但转子转过一圈后，累积误差变为零。零。控制性能好，在启动、停止、反转时不易丢步。控制性能好，在启动、停止、反转时不易丢步。适用于开环控制的机电一体化系统。适用于开环控制的机电一
10、体化系统。28 机电一体化系统设计机电一体化系统设计3.3.2 步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理vAB C A 单相单三拍单相单三拍 ABBC CA AB 双相双三拍双相双三拍360/ZmmKN29 机电一体化系统设计机电一体化系统设计30 机电一体化系统设计机电一体化系统设计三相六拍步进电机三相六拍步进电机AAB B BC C CA A 三相六拍三相六拍360/ZmmKN31 机电一体化系统设计机电一体化系统设计步距角线分步距角线分 转子上有转子上有40个齿，相个齿，相邻两齿之间的齿距角邻两齿之间的齿距角360O。若转子一制成。若转子一制成5个个齿，加工时，当齿，加工时，当A相对齐相
11、对齐时，时，B相沿反时针方向超相沿反时针方向超前前1/3齿距，齿距，C相超前相超前2/3齿距。齿距。32 机电一体化系统设计机电一体化系统设计33 机电一体化系统设计机电一体化系统设计步进电动机的种类步进电动机的种类可变磁阻型可变磁阻型(反应式反应式)v 结构简单、转结构简单、转子直径小，响应子直径小，响应速度快。没有保速度快。没有保持力，效率低、持力，效率低、转子的阻尼差、转子的阻尼差、噪声大。噪声大。34 机电一体化系统设计机电一体化系统设计步进电动机的种类步进电动机的种类永磁型永磁型v具有记忆能力，可具有记忆能力，可用作定位驱动。励磁用作定位驱动。励磁功率小、效率高、成功率小、效率高、成
12、本低。本低。难于制造、步距角大、难于制造、步距角大、转子惯量较大。转子惯量较大。35 机电一体化系统设计机电一体化系统设计步进电动机的种类步进电动机的种类混合型混合型v步距角小、响应频率高，励磁功率小、效率高。步距角小、响应频率高，励磁功率小、效率高。36 机电一体化系统设计机电一体化系统设计37 机电一体化系统设计机电一体化系统设计分分 类类 方方 式式 具具 体体 类类 型型 按力矩产生的原理按力矩产生的原理(1)反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行产生反应力矩实现步进运行(2)激磁式：定、转子均有激磁绕组激磁式：定、转子均有
13、激磁绕组(或转子用永或转子用永久磁钢久磁钢)，由电磁力矩实现步进运行，由电磁力矩实现步进运行 按输出力矩大小按输出力矩大小(1)伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几几(Nm)只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载(2)功率式：输出力矩在功率式：输出力矩在 550 Nm 以上，可以直以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载接驱动机床工作台等较大的负载 按定子数按定子数(1)单定子式单定子式 (2)双定子式双定子式 (3)三定子式三定子式 (4)多
14、定子式多定子式 按各相绕组分布按各相绕组分布(1)径向分布式：电机各相按圆周依次排列径向分布式：电机各相按圆周依次排列(2)轴向分布式：电机各相轴向分布式：电机各相按轴向依次排列按轴向依次排列38 机电一体化系统设计机电一体化系统设计3.3.3 步进电机的运行特性及性能指标步进电机的运行特性及性能指标分辨力。步距角：分辨力。步距角：0.6o/1.2o，0.75o/1.5o，0.9o/1.8o，1o/2o，1.5o/3o等。等。静态特性。静转矩、矩角特性、静态稳定区。静态特性。静转矩、矩角特性、静态稳定区。动态特性。动态稳定区，启动转矩动态特性。动态稳定区，启动转矩Tq，最高连续，最高连续运行频
15、率，空载启动频率与惯频特性。运行频率，空载启动频率与惯频特性。步进电机型号表示方法。步进电机型号表示方法。39 机电一体化系统设计机电一体化系统设计失调角示意图失调角示意图 失调角失调角=0,失调角失调角0,失调角失调角=1/2转子齿距转子齿距 转矩转矩=0 转矩转矩0 转矩转矩=040 机电一体化系统设计机电一体化系统设计矩矩角角 特性曲线特性曲线41 动态特性参数：主要指动态特性参数：主要指动态稳定区动态稳定区、启动转矩启动转矩、矩频特性矩频特性、惯频特性惯频特性等。等。动态稳定区：动态稳定区：在步进电机从在步进电机从A相转换为相转换为B(或或AB)相通电，不产相通电，不产生丢步时的稳定工
16、作区域生丢步时的稳定工作区域r。步进电机工作的拍数越多，稳定。步进电机工作的拍数越多，稳定工作区域工作区域r越接近静态稳定工作区域越接近静态稳定工作区域e，越不容易丢步。，越不容易丢步。起动转矩起动转矩Tq：两相两相(A、B)矩角特性交点矩角特性交点Tq表示步进电机单表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负载转矩，与步进电机的相数和通电相励磁时所能带动的极限负载转矩，与步进电机的相数和通电方式有关。方式有关。42 机电一体化系统设计机电一体化系统设计v 最高连续运转频率最高连续运转频率fmax及矩频特性：及矩频特性：步进电机连续步进电机连续运转时所能接受的最高控制频率运转时所能接受的最高控制频率
17、fmax，称最高连续运转频，称最高连续运转频率；步进电机连续运转转矩随频率的增加而降低，称矩率；步进电机连续运转转矩随频率的增加而降低，称矩频特性。频特性。43 机电一体化系统设计机电一体化系统设计CH250管脚图及三相六拍接线图管脚图及三相六拍接线图AAB B BC C CA A 三相六拍三相六拍44 机电一体化系统设计机电一体化系统设计步进电机的专用环形分配器步进电机的专用环形分配器vCH250三相双三拍接法三相双三拍接法 其他，如日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器其他，如日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器PMM8713ABBC CA AB 45 机电一体化系统设计机电一体化系
18、统设计1.单电压功率放大电路单电压功率放大电路VD起到续流回路泄放作用，保护开关管，起到续流回路泄放作用，保护开关管，R为限流电阻。为限流电阻。缺点：缺点：R消耗能量，使放大器功率降低，同时由于电感消耗能量，使放大器功率降低，同时由于电感L较较大，电路对脉冲电流反应较慢。输出脉冲波形差、输出功大，电路对脉冲电流反应较慢。输出脉冲波形差、输出功率低，用于速度低的小型步进电机中。率低，用于速度低的小型步进电机中。46 机电一体化系统设计机电一体化系统设计2.高低压功串放大电路高低压功串放大电路47 机电一体化系统设计机电一体化系统设计高低压功串放大电路高低压功串放大电路48 机电一体化系统设计机电
19、一体化系统设计3.恒流源功率放大电路恒流源功率放大电路49 机电一体化系统设计机电一体化系统设计4.斩波恒流功率放大电路斩波恒流功率放大电路50 机电一体化系统设计机电一体化系统设计波形图波形图51 机电一体化系统设计机电一体化系统设计5.调频调压功放电路调频调压功放电路52 机电一体化系统设计机电一体化系统设计细分驱动细分驱动v作用：在不改变电机结构参数的条件下，提高作用：在不改变电机结构参数的条件下，提高分辨率；使电机运行平稳。分辨率；使电机运行平稳。53 机电一体化系统设计机电一体化系统设计功率开关细分驱动电源功率开关细分驱动电源54 机电一体化系统设计机电一体化系统设计叠加细分驱动原理
20、叠加细分驱动原理55 机电一体化系统设计机电一体化系统设计阶梯波合成原理阶梯波合成原理56 机电一体化系统设计机电一体化系统设计恒频脉宽调制细分驱动电源恒频脉宽调制细分驱动电源57 机电一体化系统设计机电一体化系统设计步进电动机的微机控制步进电动机的微机控制58 机电一体化系统设计机电一体化系统设计点位控制的加减速过程点位控制的加减速过程59 机电一体化系统设计机电一体化系统设计步进电动机闭环控制原理框图步进电动机闭环控制原理框图60 机电一体化系统设计机电一体化系统设计市售步进电机市售步进电机国内通用步进品牌：国内通用步进品牌：北京斯达特电机北京斯达特电机北京和利时电机北京和利时电机(原四通
21、电原四通电机机)深圳白山深圳白山深圳雷赛深圳雷赛其它品牌：杭州中达、前其它品牌：杭州中达、前常州宝马系列等常州宝马系列等 61 机电一体化系统设计机电一体化系统设计市售步进电机驱动器市售步进电机驱动器62 伺服电动机可分为两类：伺服电动机可分为两类：伺服电动机又称执行电动机。伺服电动机又称执行电动机。将输入的电压控制将输入的电压控制信号转换为电机轴上输出的角位移和角速度，驱动控信号转换为电机轴上输出的角位移和角速度，驱动控制对象。制对象。交流伺服电动机交流伺服电动机 直流伺服电动机直流伺服电动机3.4 伺服电动机伺服电动机 伺服电动机可控性好，反应迅速快。是自动控制伺服电动机可控性好，反应迅速
22、快。是自动控制系系统和计算机外围设备中常用的执行元件。统和计算机外围设备中常用的执行元件。63 机电一体化系统设计机电一体化系统设计交流伺服电动机交流伺服电动机 交流伺服电动机就是一台交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。定子两相交流异步电机。定子上装有空间互上装有空间互差差90 的两个绕组：励磁绕组和控制绕组。的两个绕组：励磁绕组和控制绕组。励磁绕组励磁绕组控制绕组控制绕组杯形转子杯形转子内定子内定子交流伺服电动机结构图交流伺服电动机结构图64 机电一体化系统设计机电一体化系统设计放放 大大 器器检检 测测 元元 件件控制信号控制信号2U2I+U+控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组UCU1I
23、1U+励磁绕组串联电容励磁绕组串联电容C,是为了产生两相旋转磁场。适当选择电是为了产生两相旋转磁场。适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近90,从而产生所从而产生所需的旋转磁场。需的旋转磁场。交流伺服电动机的接线图和相量图交流伺服电动机的接线图和相量图(a)接线图接线图 1 UCU1I1U(b)相量图相量图65 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 工作时两个绕组中产生的电流工作时两个绕组中产生的电流 和和 的相位差近于的相位差近于90，两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子转动。两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子转动。加在控制绕组上
24、的控制电压反相时加在控制绕组上的控制电压反相时(保持励磁电压不变保持励磁电压不变)，旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转。旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转。1I2I控制电压控制电压 与电与电源电压源电压 频率相同，相频率相同，相位相同或反相。位相同或反相。2UU放放 大大 器器检检 测测 元元 件件控制信号控制信号2U2I+U+控制绕组控制绕组交流伺服电动机的特点：交流伺服电动机的特点：在电动机运行时如果控在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。制电压变为零，电动机立即停转。66 机电一体化系统设计机电一体化系统设计不同控制电压下的机械特性曲线不同控制电压下的机械
25、特性曲线 n=f(T),U1=常数常数 交流伺服电动机的机械特性交流伺服电动机的机械特性在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的下降，特在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，电动机转速随控制性曲线下移。在同一负载转矩作用时，电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。电压的下降而均匀减小。0.8 U2 0.6 U2 On67 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 交流伺服电机的输出功率一般为交流伺服电机的输出功率一般为0.1100 W，电源电源频率分频率分50Hz、400Hz等多种。应用很广泛，如用等多种。应用很广泛，如用在各在各种自动控制、自动记录等系统中。
26、种自动控制、自动记录等系统中。68 机电一体化系统设计机电一体化系统设计直流伺服电动机直流伺服电动机 直流伺服电动机的结构与普通直流伺服电动机的结构与普通直流电动机基本直流电动机基本相同，只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。相同，只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。直流伺服电动机的直流伺服电动机的工作原理也与直流电动机工作原理也与直流电动机 相同。相同。供电方式：供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电。个独立的电源供电。U1为励磁电压，为励磁电压，U2为电枢电压为电枢电压 MU1 I1I2 U2 U+直流伺服电动机的接线图直流伺服电动机的
27、接线图69 机电一体化系统设计机电一体化系统设计由机械特性可知：由机械特性可知：(1)一定负载转矩下，当磁通不变时，一定负载转矩下，当磁通不变时，U2 n。(2)U2=0时，电机立即停转。时，电机立即停转。电动机反转：电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。改变电枢电压的极性，电动机反转。直流伺服电机的机械特性直流伺服电机的机械特性直流伺服电动机的直流伺服电动机的 n=f(T)曲线曲线(U1=常数常数)U2 0.8U2 0.6U2 0.4U2 nTO70 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常应用于功率稍大的系
28、统中，如随动系统中的位置控应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制等。制等。直流伺服电机输出功率一般为直流伺服电机输出功率一般为1600W。71 机电一体化系统设计机电一体化系统设计PMW直流调速驱动系统原理直流调速驱动系统原理01aUUdtUUTT72 机电一体化系统设计机电一体化系统设计直流脉宽调调制的基本原理直流脉宽调调制的基本原理脉冲宽度正比代表速度脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压值的直流电压73 机电一体化系统设计机电一体化系统设计桥式桥式PWM晶体管功率放大器晶体管功率放大器74 机电一体化系统设计机电一体化系统设计同步交流伺服电动机及其驱动同步交流伺服电动机及其驱动75
29、机电一体化系统设计机电一体化系统设计交流电动机的等效电路交流电动机的等效电路76 机电一体化系统设计机电一体化系统设计矢量控制框图矢量控制框图77 3.5 直线电机简介直线电机简介一、特点及应用一、特点及应用 二、基本结构与工作原理二、基本结构与工作原理 三、分类及优、缺点三、分类及优、缺点78 机电一体化系统设计机电一体化系统设计一、特点及应用一、特点及应用v1.特点特点 将电能直接转换成直线运动机械能而不需要任何中间将电能直接转换成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构的装置；转换机构的装置；结构多样，可以根据需要制成扁平型、圆筒型或盘型结构多样，可以根据需要制成扁平型、圆筒型或盘型等各种
30、形式；等各种形式；可以采用交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源可以采用交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作；进行工作；不同种类具有截然不同的工作特点，可以根据需要选不同种类具有截然不同的工作特点，可以根据需要选择。能满足高速、大推力的驱动要求，也能满足低速、精择。能满足高速、大推力的驱动要求，也能满足低速、精密定位的要求，如步进直线电动机，交流密定位的要求，如步进直线电动机，交流/直流伺服电机。直流伺服电机。79 机电一体化系统设计机电一体化系统设计v2.应用应用领域：应用应用领域：军事领域。利用直线电机制成各种电磁炮，并试图将军事领域。利用直线电机制成各种电磁炮，并试图将它用于导
31、弹、火箭的发射；它用于导弹、火箭的发射；交通运输业。利用直线电机制成时速达交通运输业。利用直线电机制成时速达500km以上的以上的磁悬浮列车；磁悬浮列车；工业领域。用于生产输送线，以及各种横向或垂直运工业领域。用于生产输送线，以及各种横向或垂直运动的机械设备中；动的机械设备中；精密仪器设备。例如微电子制造装备、计算机的磁头精密仪器设备。例如微电子制造装备、计算机的磁头驱动装置、照相机的快门、自动绘图仪、医疗仪器、航驱动装置、照相机的快门、自动绘图仪、医疗仪器、航天航空仪器、各种自动化仪器设备等；天航空仪器、各种自动化仪器设备等；民用装置。如门、窗、桌、椅的移动，门锁、电动窗民用装置。如门、窗、
32、桌、椅的移动，门锁、电动窗帘的开、闭等。帘的开、闭等。80 机电一体化系统设计机电一体化系统设计v应用实例：应用实例：直线电机驱动的直线电机驱动的X-Y工作台工作台 81 机电一体化系统设计机电一体化系统设计82 机电一体化系统设计机电一体化系统设计二、基本结构与工作原理二、基本结构与工作原理v1.基本结构基本结构(1)扁平型结构扁平型结构 83 机电一体化系统设计机电一体化系统设计v 扁平型直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一扁平型直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，可看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电种演变，可看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的周围展成直线。
33、机的周围展成直线。84 机电一体化系统设计机电一体化系统设计v 定子演变来的一侧称为定子演变来的一侧称为初级初级，转子演变来的一侧称为，转子演变来的一侧称为次级次级。由旋转电机演变而来的直线电机初级和次级长度相等，运由旋转电机演变而来的直线电机初级和次级长度相等，运行中初级与次级的行中初级与次级的耦合不定耦合不定，不能正常工作。为了保证在所需，不能正常工作。为了保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变，将初级与次级制行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变，将初级与次级制造成不同的长度。造成不同的长度。既可做成既可做成短初级长次级型短初级长次级型，也可做成长初级，也可做成长初级短次级型短
34、次级型。但短。但短初级在制造成本上、运行费用上均比短次级低得多，因此目前初级在制造成本上、运行费用上均比短次级低得多，因此目前除特殊场合外，一般采用短初级。除特殊场合外，一般采用短初级。演变而来的原始直线电机仅一边安放初级，称为演变而来的原始直线电机仅一边安放初级，称为单边型直线单边型直线电机电机。单边型电机的初级与次级之间存在着很大的法向吸力，。单边型电机的初级与次级之间存在着很大的法向吸力，在钢次级时约为推力的在钢次级时约为推力的10倍左右，大多数场合下，这个力是不倍左右，大多数场合下，这个力是不希望存在的。因此在次级两边都装上初级，做成希望存在的。因此在次级两边都装上初级，做成双边型结构
35、双边型结构，以抵消法向吸力。以抵消法向吸力。85 机电一体化系统设计机电一体化系统设计单边型直线电机单边型直线电机 a)短初级短初级 b)短次级短次级86 机电一体化系统设计机电一体化系统设计双边型直线电机双边型直线电机 a)短初级短初级 b)短次级短次级87 机电一体化系统设计机电一体化系统设计v典型的单边扁平型短初级直线感应电动机的结构。典型的单边扁平型短初级直线感应电动机的结构。单边扁平型短初级直线感应电动机单边扁平型短初级直线感应电动机 1次级铁心次级铁心 2次级导电板次级导电板 3三相绕组三相绕组 4初级铁心初级铁心 5支架支架 6固定用角铁固定用角铁 7绕组端部绕组端部 8环氧树脂
36、环氧树脂88 机电一体化系统设计机电一体化系统设计89 机电一体化系统设计机电一体化系统设计v 可以认为是将扁平型可以认为是将扁平型直线电机沿着和直线运动直线电机沿着和直线运动相垂直的方向卷接成筒形相垂直的方向卷接成筒形而来的。而来的。(2)圆筒型圆筒型(管型管型)结构结构90 机电一体化系统设计机电一体化系统设计v(3)弧型和盘型结构弧型和盘型结构 弧型是将扁平型直线电机的初级沿运动方向改成弧弧型是将扁平型直线电机的初级沿运动方向改成弧型，并安放于圆柱形次级的柱面外侧。型，并安放于圆柱形次级的柱面外侧。弧型直线电动机弧型直线电动机91 机电一体化系统设计机电一体化系统设计v 盘型结构是把次级
37、做成一片圆盘，将初级放在次盘型结构是把次级做成一片圆盘，将初级放在次级圆盘靠近外缘的平面上，次级可以是双面的也可以是级圆盘靠近外缘的平面上，次级可以是双面的也可以是单面的。单面的。92 机电一体化系统设计机电一体化系统设计v 弧型和盘型直线电机的运动实际上是一个圆周运动，弧型和盘型直线电机的运动实际上是一个圆周运动，运行原理和设计方法与扁平型直线电机相似，所以也归运行原理和设计方法与扁平型直线电机相似，所以也归入直线电机范畴。入直线电机范畴。2.工作原理工作原理 与旋转电机相似。在直线电机的三相绕组中通入三与旋转电机相似。在直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，也会产生气隙磁场。当不考虑
38、由于相对称正弦电流后，也会产生气隙磁场。当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场铁心两端开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，可看成沿展开的直线方向的分布情况与旋转电机相似，可看成沿展开的直线方向呈正弦形分布。呈正弦形分布。93 机电一体化系统设计机电一体化系统设计v 三相电流随时间变化时，气隙磁场将按三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A、B、C相相序沿直线移动。这个原理与旋转电机的相似。差异是：序沿直线移动。这个原理与旋转电机的相似。差异是：这个磁场平移，而不是旋转，称为行波磁场。这个磁场平移，而不是旋转，称为行波磁场。行波行波磁场的移动速度与
39、旋转磁场在定子内圆表面上的线速度磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度一样。称为同步速度一样。称为同步速度 (m/s)，且，且 ，为极距，为极距(m)，为电流的频率为电流的频率(Hz)。svfsv2f行波磁场次级初级NSvSSN94 机电一体化系统设计机电一体化系统设计v 假定次级为栅形次级，次级导条在行波磁场切割下，假定次级为栅形次级，次级导条在行波磁场切割下，将产生感应电动势并产生电流。所有导条的电流和气隙磁将产生感应电动势并产生电流。所有导条的电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力。场相互作用便产生电磁推力。直线电机的次级大多采用整块金属板或复合金属板，并直线电机的次级大多采用整
40、块金属板或复合金属板，并不存在明显导条。可看成无限多导条并列安置进行分析。不存在明显导条。可看成无限多导条并列安置进行分析。假想导条中的感应电流金属板内电流分布金属板内电流分布SSFFv95 机电一体化系统设计机电一体化系统设计v次级的两种结构类型：栅型结构和实心结构。次级的两种结构类型：栅型结构和实心结构。栅型结构，相当于旋转电动机的笼型结构。次级铁心上开槽，栅型结构，相当于旋转电动机的笼型结构。次级铁心上开槽，槽中放置导条，并在两端用端部导条连接所有槽中导条。槽中放置导条，并在两端用端部导条连接所有槽中导条。实心结构，采用整块均匀的金属材料。又可分为非磁性次级实心结构，采用整块均匀的金属材
41、料。又可分为非磁性次级和钢次级。和钢次级。从电动机的性能来说，采用栅型结构时，效率和从电动机的性能来说，采用栅型结构时，效率和功率因数最高，非磁性次级次之，钢次级最差。功率因数最高，非磁性次级次之，钢次级最差。从成本来说，相反。从成本来说，相反。端部导条端部导条槽内导条槽内导条96 机电一体化系统设计机电一体化系统设计v 旋转电机通过对换任意两相的电源线，可以实现反向旋转电机通过对换任意两相的电源线，可以实现反向旋转。直线电机也可以通过同样的方法实现反向运动。根旋转。直线电机也可以通过同样的方法实现反向运动。根据这一原理，可使直线电机做往复直线运动。据这一原理，可使直线电机做往复直线运动。97
42、 机电一体化系统设计机电一体化系统设计三、分类三、分类v1.分类分类 按结构型式分按结构型式分 圆筒型直线电机圆筒型直线电机外形如旋转电机的圆柱形直线电机，需要外形如旋转电机的圆柱形直线电机，需要时可做成既有旋转运动又有直线运动的时可做成既有旋转运动又有直线运动的旋转直线电机旋转直线电机。圆盘型直线电机虽也做旋转运动，但与普通旋转电机相比有圆盘型直线电机虽也做旋转运动，但与普通旋转电机相比有两个突出优点：力矩与旋转速度可以通过多台初级组合的方法两个突出优点：力矩与旋转速度可以通过多台初级组合的方法或通过初级在圆盘上的径向位置来调节；无需通过齿轮减速箱或通过初级在圆盘上的径向位置来调节；无需通过
43、齿轮减速箱就能得到较低的转速，电机噪声和振动很小。就能得到较低的转速，电机噪声和振动很小。圆弧型直线电机也具有圆盘型的特点，两者的主要区别在于圆弧型直线电机也具有圆盘型的特点，两者的主要区别在于次级的形式和初级对次级的驱动点有所不同。次级的形式和初级对次级的驱动点有所不同。长初级长初级 短初级短初级 短初级短初级 单边型单边型 双边型双边型 扁平型扁平型 圆盘型圆盘型 圆弧型圆弧型 圆筒型圆筒型 98 机电一体化系统设计机电一体化系统设计v按功能用途分按功能用途分 按工作原理分按工作原理分 每种旋转电机都有与之相对应的直线电机。按工作原理每种旋转电机都有与之相对应的直线电机。按工作原理可以分两
44、大方面：直线电动机和直线驱动器。可以分两大方面：直线电动机和直线驱动器。种类种类 衡量指标衡量指标 应用应用 力电机力电机 推力推力/功率比功率比 阀门开闭，门窗移动，机械手操作，推车阀门开闭，门窗移动，机械手操作，推车等等 功电机功电机 效率、功率因数效率、功率因数 高速磁悬浮列车，高速运行的输送线高速磁悬浮列车，高速运行的输送线 能电机能电机 能效率（输出动能能效率（输出动能/电源电源提供的电能）提供的电能）导弹、鱼雷的发射，飞机的起飞，冲击、导弹、鱼雷的发射，飞机的起飞，冲击、碰撞等试验机的驱动碰撞等试验机的驱动 99 机电一体化系统设计机电一体化系统设计直线电动机直线电动机 直线驱动器
45、直线驱动器 交流直线感应电动机（交流直线感应电动机（LIM）交流直线同步电动机（交流直线同步电动机（LSM）电磁式（电磁式（EM）LSM 永磁式（永磁式（PM）LSM 可变阻抗（可变阻抗（VR）LSM 混合式（混合式（HB）LSM 超导体（超导体（SC）LSM 直线直流电动机（直线直流电动机（LDM）电磁式电磁式LDM 永磁式永磁式LDM 无刷无刷LDM VR形形LPM PM形形LPM 直线步进电动机（直线步进电动机（LPM）混合式直线电动机（混合式直线电动机（LHM）直线振荡电动机（直线振荡电动机（LOM）直线电磁螺线管电动机（直线电磁螺线管电动机（LES）直线电磁泵（直线电磁泵（LEP）直线超声波电动机（直线超声波电动机（LUM）直线发电机（直线发电机（LG）100 机电一体化系统设计机电一体化系统设计美国丹纳赫美国丹纳赫DDL直线同步电机直线同步电机 直接驱动直线电机的优点：直接驱动直线电机的优点：免维护；免维护；无滚珠丝杠副、齿轮箱、齿条无滚珠丝杠副、齿轮箱、齿条 与齿轮、传动皮带与齿轮、传动皮带/皮带轮；皮带轮；零间隙和柔度；零间隙和柔度；高刚度；高刚度；高定位精度；高定位精度；紧凑的机械装配；紧凑的机械装配；减少了机器中的零部件数量；减少了机器中的零部件数量；速度非常平稳；速度非常平稳；静音运行。静音运行。101 机电一体化系统设计机电一体化系统设计
