数控技术及装备2009_4-3

null第五部分 直线电动机第五部分 直线电动机一、特点及应用 二、基本结构与工作原理 三、分类及优、缺点一、特点及应用一、特点及应用1.特点 是一种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； 结构多样，可以根据需要制成扁平型、圆筒型或盘型等各种形式； 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，可以根据需要选择。能满足高速、大推力的驱动要求，也能满足低速、精细的要求，如步进直线电动机。null2.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500km以上的磁悬浮列车； 工业领域。用于生产输送线，以及各种横向或垂直运动的机械设备中； 精密仪器设备。例如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、电动窗帘的开、闭等。使用直接驱动，用户可......特点使用直接驱动，用户可......整体重量更轻 / 惯量更小 ， 摩擦更小紧凑的设计，直接集成到机床结构当中， 弹性环节少没有耦合 没有齿轮等传动机构 无接触驱动没有反向间隙需要的空间更小 易于安装，无磨损 维护工作量小利益更高的动态性能 更短的空行程时间 更高的生产效率改善了重复精度 和轮廓精度 更高的精度更高的刚性 对干扰有更快的响应 更高的精度使用更高效的机床  提高生产效率直接驱动与传统驱动比较直接驱动与传统驱动比较直线电机 偏差: 0.4µm旋转电机+滚珠丝杠 偏差: 5µmLook ahead , 直径: 300mm; 速度: 4m/min; 质量: 大约. 1.2tLook ahead , 直径: 300mm; 速度: 4m/min; 质量:大约. 1.2t二、基本结构与工作原理二、基本结构与工作原理1.基本结构 （1）扁平型结构图2 旋转电动机和扁平型直线电动机示意图null 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，它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。 图3 由感应式旋转电机演变为扁平型直线电机的过程 a)沿径向剖开 b)把圆周展成直线null图4 单边型直线电,a)短初级 b)短次级由旋转电机演变而来的最原始的直线电机初级和次级长度相等，运行中初级与次级的耦合不定，不能正常工作.短初级在制造成本上、运行费用上均比短次级低得多.null图5 双边型直线电机 a)短初级 b)短次级因此在次级两边都装上初级，做成双边型结构，以抵消法向吸力。单边型电机的初级与次级之间存在着很大的法向吸力，约为推力的10倍左右null1.基本结构 一台典型的单边扁平型短初级直线感应电动机的结构如图所示。图6 单边扁平型短初级直线感应电动机 1－次级铁心 2－次级导电板 3－三相绕组 4－初级铁心 5－支架 6－固定用角铁 7－绕组端部 8－环氧树脂null 可以认为是将扁平型直线电机沿着和直线运动相垂直的方向卷接成筒形而来的。如图6所示。 （2）圆筒型（管型）结构图7 圆筒型直线电机的演变过程null（3）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型， 并安放于圆柱形次级的柱面外侧。如图7所示。图7 弧型直线电动机null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单 面的。如图8所示。图8 盘型直线电机直线电机归纳起来直线电机归纳起来运行方式可按下列方式对直线电机分类...移动方式 长定子 次级长度比初级长度短 次级运动短定子 初级长度比次级长度短 初级运动外形 管形磁阻电刷换向异步同步null2.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，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，即可看成沿展开的直线方向呈正弦形分布。如图10所示。null三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A、B、C相序沿直线移动。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，因此称为行波磁场。 行波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 (m/s)，且 ，为极距(m)， 为电流的频率(Hz)。 图10直线电机基本工作原理vSnull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，并不存在明显导条。可看成无限多导条并列安置进行分析。图10为假想导条中的感应电流及金属板内电流的分布情况。图10 次级导体板中的电流FvnullvSnull次级的两种结构类型：栅型结构和实心结构。 栅型结构（图4），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。 实心结构，采用整块均匀的金属材料。又可分为非磁性次级和钢次级。 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。 端部导条槽内导条图4 栅型结构次级null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。根据这一原理，可使直线电机做往复直线运动。 三、永磁式直线电机原理与应用 三、永磁式直线电机原理与应用永磁式直线电机的初级与次级永磁式直线电机的初级与次级初级（绕组）次级（永磁体 + 衬板）次级初级机床直线电机在机床上直线电机在机床上与拖板固定在一起的直线电机架在直线导轨上工作台直线 导轨床身直线电机初级直线电机次级null次级直线光栅初级直线导轨拖链托板抱闸Hall传感器盒 (选件)冷却箱null对机械设计的基本要求 :- 尽量减轻移动部分质量 良好的基础 高固有频率，刚性的机床设计 整体结构有较高的阻尼系数 光栅:光栅的安装要求更高 （既是位置反馈又是速度反馈元件） 直线电机的磁场: 通过机械设计和防护，保证铁屑不会 进入电机工作区域 微小的颗粒对直线电机不会影响很大 max. 50 mm次级部件 衬板有隔磁作用 不会磁化机床nullVMax—最大速度,应小于电机最大速度 FMax—最大推力，应小于电机最大推力 FTherm—推力有效值, 应小于电机额定推力永磁直线电机选型计算西门子1FN3 产品系列西门子1FN3 产品系列1FN3 – Continuous Load 连续负载型 最大推力 Fmax: 260 .. 17.200 N 额定推力 FN: 150 .. 10.300 N Fmax时速度: 72 .. 180 m/min 温升Tmax: < 4 K 1FN3 – Peak Load 峰值负载型 最大推力 Fmax: 550 .. 20.700 N 额定推力 FN: 200 .. 8.100 N Fmax时速度: 36 .. 380 m/min 温升 Tmax: < 4 K 1FN3 比较 1FN3 比较 连续负载电机 1FN3xxx-xNxxxFMAX =2.75 x FNENN 连续推力输出 FNENN推力波动, 取决于初级长度过载系数FMAX =1.7 x FNENN Max. 10 % (5%)峰值推力输出 FMAX100 %Max. 2 % (1%)85 %140 %峰值负载电机 1FN3xxx-xWxxx1FN3 应用比较1FN3 应用比较典型应用峰值负载周期连续负载周期 较高的峰值推力 用于水平轴或带 重量平衡的垂向轴 适合不频繁加减速 较高的持续推力 不带重量平衡的垂直轴 持续高加速度 较高的加工推力实例对比实例对比1FN3450-2WC00-0AA1 峰值负载型1FN3300-2NC00-0BA1 连续负载型FMAX = 5.180NFN = 1.930NFMAX = 2.940N FN = 1.730NFEFF = 1.650 NFPEAK = 2.640N根据负载情况选择适合（性能、价格）的电机连续负载实例连续负载实例 不带重量平衡的垂向轴连续负载实例连续负载实例 频繁地加减速 持续的加工力，如低速加工的磨床FEFF直线电机的冷却直线电机的冷却次级冷却隔离层 (气隙)初级 – 主冷却隔离层初级 – 精密冷却Thermo-Sandwich®- 概念用于制造冷却系统: 借助主冷却获得更高的推力和更紧凑的设计 阻止热量传递到机床部件，从而保证机床的精度水冷nullOrt相对冷却介质的温升 10 K0 K螺钉固定处温度略高使用两套冷却回路 进行热隔离精密冷却主冷却DTmax < 2K (1FN1)Tmax < 4K (1FN3)D 隔离层的厚度次级冷却null直线电机的温度监控直线电机的温度监控SINUMERIK 840D plSIMODRIVE 611 U光栅尺SME9x电柜机床热保护 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ：使用SME盒的方案Hall 元件盒SIMODRIVE 611 D接线简单 NC监控 可查看电机温度 立式加工中心: Gantry 轴, 1FN3 直线电机 立式加工中心: Gantry 轴, 1FN3 直线电机DMC 165 V linear possibility to create a combination of a vertical spindle and a 2-axes turning/swivel head  高生产率 高定位精度  高精度 无接触传动  无磨损机床数据:行程 (X,Y,Z) [mm]: 1.650,1.200,800 快移速度 (X,Y,Z) [m/min]: 90 轴加速度 (X,Y,Z) [m/s²]: 20 定位精度 [µm]: 8 用户利益: 高速加工中心: X,Y和 Z轴使用1FN3 直线电机 高速加工中心: X,Y和 Z轴使用1FN3 直线电机XHC 241 / XHC 341 单件加工时间短  高生产率 高定位精度和高轮廓精度  高精度 无接触地推力传递  无磨损用户利益:机床数据:行程 (X,Y,Z) [mm]: 630,630,710 快移速度 (X,Y,Z) [m/min]: 120 轴加速度 (X,Y,Z) [m/s²]: 14 屑屑时间 (8.500 U/min) [s]: 3,7 定位精度 [µm]: 7 Thrust (X,Y,Z) [kN]: 3 5-轴铣床: X,Y,Z轴使用1FN3行程 (X,Y,Z) [mm]: 20.000,4.000,2.000 轴加速度 (X,Y,Z) [m/s²]: 5 进给速度 [m/min]: 65 X-轴使用2个 1FN3 电机 5-轴铣床: X,Y,Z轴使用1FN3ENDURA type 900 Linear 缩短了加工时间  生产效率提高了3倍 高定位精度和高加工精度  increase in dynamic by 35% 高轮廓精度  高精度 模块化设计  高灵活性 (行程任意延伸) 无接触地推力传递  无磨损用户利益:机床数据: