直线电机（精选十篇）
直线电机 篇1
关键词：旋转电机,直线感应电机,电磁设计,仿真
引言
旋转电机结构简单、制造容易, 节约铜、铁等材料, 提高效率和功率因数, 以提高其经济技术指标与降低耗电量。直线电机省去了中间的传动装置, 所以效率更高, 散热较好。本文研究异步旋转电机和直线感应电机的电磁设计, 并对两种电机进行了仿真。
1 电机结构
电机的分类方法有很多种, 按照工作电源种类来分, 包括直流电机和交流电机;按照结构和工作原理, 又可分为直流电动机、异步电动机以及同步电动机等, 本文中以异步感应电机为例来分析。直线电机相当于旋转电机定子的, 叫初级;相当于旋转电机转子的, 叫次级。
2 电磁设计
2.1 电磁负荷选择
对于中小型异步电动机通常取线负荷A在15×103~50×103A/m, 气隙磁密Bδ在0.5~0.8 T范围内;大型异步电动机的A和Bδ可略高。
直线感应电机气隙磁密取值在Bδ=0.4 T左右。电负荷单边直线电机一般取50 000 A/m左右。
2.2 主要尺寸选择
旋转异步电动机的主要尺寸包括定子内径Di1和电枢计算长度lef。
决定电机主要尺寸的基本关系式为:
其中, CA是电机常数, P′是视在功率, n是电机转速。
对于功率较小的电机, 可用下列经验公式来求δ (单位为m) :
对于大, 中型电机2p=2~16, 可用下列经验公式求出 δ (单位为m) :
式中:P为极对数。
气隙 δ与次级导体板厚度d是由两个公式联立确定的
式中:Cr为横向端部效应系数。
2.3 线圈设计
旋转电机的定子绕组采用单层整距绕组, 交叉式[3], 如下页图1-1 所示。直线电机采用包圈初级铁心的边缘线圈法, 选用双层整距叠绕组, 绕组连接图如下页图1-2 所示。
3电机有限元仿真
3.1 建模
几何模型在Auto CAD里面建立。通过画线, 圆弧, 圆或者它们之间的组合, 生成封闭区域, 形成2D几何模型, 填充材料冲片采用DW310, 绕组和导体板用铜, 其余部分用空气, 并拉伸为实体。其中不同点在于, 直线电机要单独设置运动方向为 (1, 0, 0) 。
3.2 电流仿真
仿真结果可知旋转电机三相电流是对称的;直线电机的三相电流是不对称的, 这是因为为初级电流固有不平衡性。
4结语
本文分析了旋转电机与直线电机的电磁设计, 然后进行了两种电机的软件仿真分析, 可以为这两种电机的设计、仿真积累经验。
参考文献
[1]张永利, 李利华.三相异步电动机变频调速的原理和发展[J].黑龙江科苑论坛, 2010 (5) :18.
[2]邵眴.动车组自动门控制系统的优化控制研究[D].长春:吉林大学, 2010.
直线电机 篇2
激光技术在车辆直线电机气隙测量中的应用
介绍了激光测距的原理及激光测距技术在城市轨道交通直线电机气隙测量中的应用,并提出了实际测量中相关问题的解决方法.
作 者：王保坚 Wang Baojian 作者单位：广州市地下铁道总公司,广东,广州,510310 刊 名：电气化铁道 英文刊名：ELECTRIC RAILWAY 年，卷(期)： “”(3) 分类号：U239.5 关键词：城市轨道交通 直线电机 激光 气隙 测量
浅谈直线电机的新认识 篇3
关键词：直线电机；电枢；磁阻式直线电机
中图分类号：TM359 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 (2012) 10-0037-01
随着技术的进步，当今世界的直线电机的运用场合比以往更苛刻，高产出，高的定位精度，维护方便等等。当然，现在很多的公司正通过技术创新来慢慢满足这些要求。
大概在10多年之前，要找出个能应用于生产的场合，而且速度超过5米/秒，带负载能力强，高度好的直线轴承是很困难的。而今，随着技术的进步，这些问题已近解决了。
在直线编码器技术上的进步也为直线电机的应用开辟了更广阔的空间，当今的直线编码器技术已近成熟了，而且成本也有所降低。
鉴于以上两种直线电机的关键技术得以解决，所以高速的直线电机才能渐渐应用于现在的生产环境。
现代的制造业一直面临着高精度，高速度和高产出的要求。为了解决这个问题.运动系统必须响应快，摩擦小。
现在，已经有了解决方案，那就是直线电机。
一、直线电机的概念
直线电机的概念非常简单，它就是把旋转的伺服电机切开，然后再把它平铺开来.按照这样设计，负载就可以直接挂在电机上.效率就可以大幅度提高.
直线电机有两种形式，即伺服的和步进的。
设想将一台电机，无论是直流的还是交流的，沿着其转轴的直径切开拉平，就成为直线电机.根据左手定则，可以判断这时绕在电枢上的绕组均要受到电磁作用力F，由于绕组是固定在电枢上的，所以，电枢将在电磁力F的作用下做直线运动，显然，无论改变磁极的磁性或者改变加到电刷上电源的极性，匀可以改变电磁力的方向，也就是改变电枢的运动方向。
但这种结构有两个缺点：（1）磁极对电枢有单边磁拉力，它将把电枢单面压紧在支撑件上，使它运动不灵敏，工作中容易产生振动或噪声。（2）电枢在F的作用下将移出磁极的作用范围，力渐渐变小。实际上具有实用价值的直线电机的结构应该具有以下特点：在电枢上的上下两边都有电磁铁，他们对电枢铁心的磁拉力应该相互抵消.同时电枢长度远大于磁铁的长度.电枢在磁铁里面移动时，只要不超出磁铁的作用范围。则电磁力F的大小不受影响。
和旋转式直流电机一样，步进电机也可以实现精确的直线步进，其移动速度和电源切换频率成正比.常用的直线步进电机有反应式和混合式两种。
四相反应式直线步进电机由定子和动子两部分组成.匀由硅刚片叠成，定子上下表面有均匀分布的齿槽，动子是一对具有四个极的铁心，上面套有四相励磁绕组，每个极的表面也开齿，齿距和定子的相同。为了减少运动时的摩擦，在导轨上装有滚珠轴承，齿槽中用非磁性材料填充，并使定子和动子表面平整和光滑。当绕组按一定顺序通电时，根据步进电机的原理，电机将按照半拍，单拍或双排运行。
二、直线电机的优势
高速，直线电机的速度取决于控制器整流出来的电压以及控制器本身.一般的直线电机的速度是3米/秒，其分辨率是1微米.有的直线电机可达到5米/秒。
高精度，精度，分辨率和重复定位精度都是由反馈系统决定的。
快速响应：一般来说，一个直线电机系统，它的快速响应要比普通的机械传动装置要快100倍，所以它的生产效率也更高。
刚度：由于直线电机没有机械连接，所以刚度只取决于系统的增益和电流。
回程间隙：由于没有机械连接，所以也就没有回程间隙。
维护方便：当今的直线电机没有机械上的接触，所以，也就没有维护。
三、直线电机的缺点
成本：由于直线电机的量比较少以及永磁铁的价格，所以直线电机非常贵。由于大多数的直线电机的设计师把永磁铁安装在导轨上的，由于永磁铁非常贵，所以，随着长行程的直线电机就非常贵。然而，随着直线电机的普及和产量的上升，价格在不久的将来会下来。不过，直线电机的反馈系统也应该计算到成本中，编码器和旋转变压器的成本并不时很高，因为长度也不是很长。然而直线电机也需要反馈系统。这些反馈系统的长度要比编码器长很多，所以，价格也就会很高。一个100毫米直线电机的反馈系统就要500多美金.当然，价格也会随着长度而增加。然而，随着新型的反射型编码器的出现，其制造成本势必会下降。
控制器的带宽会有所增加：由于电机和负载之间没有机械的连接，伺服控制器的反映，也就是带宽，必须很快.这就对直线编码器提出了更高的要求。
线圈的尺寸：和旋转的电机来比较，直线电机所产生的力不是紧凑的力.比如要产生65N的持续力，那么直线电机的横截面要50MM X 40MM左右.如果用它和一个横截面是10MM的滚珠丝杠比起来，它所产生的力并不是很大。
发热：在大多数场合，负载是直接装在滑块上面的.任何的过热将直接传给负载.如果负载对热很敏感，那么就必须有降温技术。
四、怎样选择一格直线电机?
选择一个正确的直线电机并不是一格简单的工作.要考虑到各种应用场合，还要计算力，还要考虑发热，轴承的承载以及换向的方法等.然而如果知道些直线电机的工作原理以及优缺点，将有助于做出正确的解决方案。
（一）铁芯直线电机
这种电机的设计直接从一个无刷旋转电机。电动机由一个扁铁铁，稀土永磁体粘合。
柜子的构造叠片和线圈是伤口周围的“牙齿”的叠片。热传感器内部安装的线圈，感应温度。霍尔传感器可以安装在盘管面积或安装在电机边缘。这种电机的优点在于单位尺寸内产生的力最大化，而且价格便宜，散热好。
（二）空气式直线电机
这种直线电机的结构是不带软糍材料的.它由两个永磁体组成，南极和北极.当中用垫圈隔离。其优点在于重量轻，没有爬行.很容易实现速度控制.但其缺点是散热不大好。
五、总结
随着生产要求的不断提高.人们对电机的要求也越来越高.要满足产出高，速度快，定位精确等苛刻的要求.正是在这种背景下，产生了直线电机.但目前来讲，直线电机由于价格的关系，还没有普及，但随着科学技术的进步，直线电机会越来越普及的。
参考文献：
[1]帕克.直线电机原理.海泥汾公司,2002
直线电机的驱动技术研究 篇4
随着现代科学技术和社会经济的飞速发展,冲压行业对设备的自动化程度及加工效率的要求也越来越高。然而,采用传统的压力机进出料设备,由于受自身结构的限制,在速度、加速度、快速定位精度等方面很难有突破性的提高。而采用直线电机直接驱动则有着天然的优势。直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的传动装置,具有启动推力大、动态响应快、定位精度高、速度与加速度大、行程长度不受限制等优点。但是,直线电动机直接驱动也存在一些缺点。
2 直线电动机的工作原理
直线电动机工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例:当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,感应电动势产生电流,该电流与气隙中的磁场相互作用就产生电磁推力。如初级固定,则次级在推力的作用下做直线运动;反之,则初级作直线运动。其他类型的直线电动机工作原理可由同类型旋转电机类推。
3 直线电动机的优点
直线电动机将电能直接转换成直线运动机械能,不需要任何中间转换机构的传动装置。具有启动推力大、传动刚度高、动态响应快、定位精度高、行程长度不受限制等优点。在机床进给系统中,采用直线电动机直接驱动与原旋转电动机传动的最大区别是取消了从电动机到执行部件之间的机械传动环节,把机床进给传动链的长度缩短为零,因而这种传动方式又被称为“零传动”。正是由于这种“零传动”方式,带来原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。
3.1 高速响应
由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件(如丝杠等),使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高,反应异常灵敏快捷。
3.2 精度
直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差,减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制,可大大提高机床的定位精度。
3.3 动态刚度高
由于“直接驱动”,避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象,同时也提高了其传动刚度。
3.4 速度快、加减速过程短
由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车(时速可达500km/h),所以用在机床进给驱动中,要满足其超高速切削的最大进给速度(要求达150~210m/min或更高)当然是没有问题的。也由于上述“零传动”的高速响应性,使其加减速过程大大缩短。以实现启动时瞬间达到高速,高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度,一般可达2~10g,而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1~0.5g。
3.5 启动推力大
目前直线电动机最大推力已达20kN,直线电动机可以多台并联或串联使用,从理论上讲,直线电动机不存在推力极限。
3.6 行程长度不受限制
在导轨上通过串联直线电动机的定件,可无限延长动件的行程长度。
3.7 运行噪声低、传动效率高
由于无中间传动环节,大幅度减少了机械摩擦,使运动噪声大大下降,而由摩擦、弹性变形所引起的能量损耗大大减少。
4 直线电机力学系统的计算与分析
4.1 直线电机的受力模型
根据直线电机的安装方式,结构设计可选择水平布局和垂直布局。水平布局直线电机进给系统的受力模型,如图1所示。
受力平衡方程为:
式中:F———直线电机要求的推力,N;
Fc———工件惯性力,N;
FR———摩擦力,N;
Fad———惯性力,N。
FR摩擦力取决于导轨的摩擦系数和移动部件的总质量及定子与动子间的垂直吸引力,用下式求出:
式中:M———移动部件的总质量,kg;
g———重力加速度:
Fat———定子与动子间的垂直吸引力,N;
μ———导轨的摩擦系数。
摩擦力FR、惯性力Fad仅在进给运动的加、减速期间产生:
式中:m——工件的总质量,kg;
a———进给运动的加速度,m/s2。
4.2 直线电机的推动力
水平布局结构形式的直线电机,其工作台的速度曲线如图2所示。ta、td为加、减速时间,tr为恒速运行时间,Vm为最大速度,Ml为滑动体及负载质量,M2为直线电机初级组质量,则最大加速度am和最大减速度dm分别为:
设M=Ml+M2,则有恒速运行时需要的保持力为:
最大加速力、最大减速力分别为:
直线电机在所要求的速度范围内的额定推力Fe必须满足:
式中:Fef———要求的平均有效推力,N;
KF———推力储备系数。
进给系统的均方根有效推力可用下式计算:
式中:FLi———在一个时间间隔内系统所要求的推力,N;
ti———时间间隔,s。
由于FLi值在不同的时间段内是不同的,某些情况下其值可能大于直线电机的额定推力Fe,这时直线电机将依靠其短时和瞬时过载能力,输出较大的推力与之抗衡。但这种超过额定推力Fe的负载的持续时间不能太长、数值不能太大,在设计时必须保证电机的安全。
4.3 直线电机的功率
在直线电机设计时,考虑到直线电机的长时间正常工作,其必须满足:
式中:P——负载功率,k W;
PX———许用功率,kW;
PE———额定功率,kW;
k———功率储备系数。
当直线电机工作条件为间歇运动时,可按如下公式计算:
式中:ω———每个运动周期中,运动所占的时间比例;
F———负载所需推力,N;
Tm———电机常数。
5 研究的基本内容及解决的主要问题
5.1 直线电机的隔磁防屑
机械压力机不象其他金属切削机床会有切屑、冷却液等杂质产生。所以直线电机用于压力机接料手驱动,具有防屑、防冷却液等杂质的天然优势,无需对直线电机采用全封闭的防屑,只需定期检查吹扫即可。
直线电机是依靠相互的磁力提供工作动力的,所以在直线电机工作时会产生很强的磁场对周围的环境造成影响,对于压力机接料手执行部分和固定台如果同时被直线电机磁化就会产生相互的磁力干扰,给接料手的正常工作增加额外的机械阻力,严重时会影响直线电机性能的发挥。
结合直线电机工作的强磁场和大引力的特点,接料手设计时考虑有效的隔磁、防护措施,在必要的地方设置醒目的警示标志(如:带有心脏起博器的病人禁止靠近等)。直线电机安装基体采用不受电磁吸力作用的高强度合成材料。
5.2 移动部件的轻化结构研究
压力机接料手目的是将压力机成形的工件由压力机内部接出。对于接料手来说配合压力机完成接料的动作速度是第一位的。所以从直线电机力学系统的计算与分析可以知道对于一定功率的直线电机来说接料手执行部分重量及其运动阻力是提高接料手速度及直线电机效率的关键。
(1)减少运动阻力
直线电机及导轨的安装基体利用数控加工,严格控制加工及热处理工艺,保证安装尺寸精度;移动部件导向采用进口的高速重载直线导轨,严格控制导轨的装配工艺及安装精度。
(2)减轻执行部分的重量
运动部件采用轻质高强度复合材料,保证强度的前提下最大限度减轻执行机构的重量。
5.3 直线电机的冷却
直线电机本身由于结构简单,其散热效果还是比较好的。但是,当直线电机用于机床接料手时,由于要兼顾运动部件的重量使其尽可能的小,直线电机的安装空间比较紧凑,位于机床导轨附近,如温度得不到很好的控制将严重引起机床导轨热变形,增大运动的机械阻力。所以机床进给系统采用直线电机驱动后,需采取冷却措施。
在确定冷却器预处理温度时,有两个物理量十分重要:电机功率密度和凝露损害。
为了尽可能获得较高的电机功率密度和避免因凝露造成的对电机的损害,需要对冷却器预处理温度进行精密控制。冷却回路的预处理温度最多只能低于周围空气3K。在空气湿度较高的地区使用时,预处理温度甚至要高于周围空气的温度。因此,电机的冷却系统应采用以环境温度为主参数的随动温度控制系统,使电机维持在平均较低的温度,从而延长电机使用寿命并提高功率密度。
5.4 移动部件的防撞击措施
由于直线电机接料手在往复运动中速度和加速度大,直线电机本身又不带断电自锁功能,一旦失控将会非常危险,在设计上必须采取必要的安全措施。直线电机的运动位置是靠光栅尺反馈给系统来控制的,系统程序上设置超行程保护,行程的两端点设置行程开关控制,进行硬超程保护,同时机械上设置死挡块,实现电气、机械双重保护。为了防止运动部件与死挡块硬性碰撞而损坏零部件或电机,在死档块上设置缓冲装置。
5.5 伺服控制
直线电机进给系统虽然消除了中间传动机构的弹性变形、间隙、摩擦等因素对系统精度的影响,但由于直线电机的初、次级通常是与机床工作台、床身联在一起的,工作台等移动部件必然包含在闭环系统之内,也就是说直线电机传动控制只能采用全闭环控制,这就使得各种干扰不经过任何中间环节的衰减而直接传到直线电机上,加大了伺服控制的难度。而对于旋转电机传动通常是采用半闭环控制来隔离这些干扰,即使采用全闭环控制,由于滚珠丝杆等弹性中间环节能吸收和抑制这些干扰,因而其伺服控制的难度相对较小。因此,对于直线电机伺服进给系统来讲,必须采用比旋转电机传动时更为有效的控制技术。直线电机伺服进给系统这种机械上的简化,导致了控制难度的加大。为了更好地解决直线电机的控制问题,研究工作基本上可以分为两个方面:一是采用矢量控制技术、变频调速器、PID控制器等已有成熟的控制技术;二是研究适用于直线电机的控制理论和控制技术。
6 研究成果
成功的将直线电机驱动的接料手应用于自动化冲压生产线并完成了样机试制。申请了一项发明专利并获受理。
摘要：介绍了直线电机的原理、优点、力学系统的计算与分析,对在压力机接料手上应用要解决的关键技术问题进行了研究和分析。
关键词：机械制造,性能特点,直线电机,机械压力机
参考文献
[1]王建萍,浅谈直线电机的发展与应用,中国电梯,2008,19(18).
[2]叶云岳.直线电机原理与应用[M].北京:机械工业出版社.2000.
[3]中国机床工具工业协会1994年赴美、日考察工作组.直线伺服电机传动和高速加工.制造技术与机床,1995,(9):45-48.
[4]BrandenburgG,Brncld S,Dormann J,SchmidtC.Comparative Investi-gation of Rotary and Linear Motor Feed Drive Systems for Hish Pre-chion Machine Tools[J1.2000IEEE.AMC2000-NAGOYA:384-389.
直线电机 篇5
关键词：直线电机驱动技术；医疗器械；应用 【中图分类号】R197 【文献标识码】B 【文章编号】1672-8602(2014)03-0233-01
直线电机，又称为线性马达，是一种常用的传动装置，通过将电能直接转化成直线运动机械能，从而提高了系统运行的效率[1]。传统的旋转电机在沿着轴线方向切开后，旋转电机的初级展开部分，称为直线电机的定子；次级在通电后，受到电磁力的作用，将会沿着初级做直线运动，称为直线电机的转子。随着我国现代医学技术水平的发展，直线电机驱动技术在医院医疗器械上得到了广泛的应用。
1 资料与方法
1.1 资料： 随机选取电动手术台2台，电动护理床2台、电动牵引架4台、ICU护理床2台。以上器械均采用直线电机驱动技术进行改装。
1.2 方法：分别对10台医疗器械进行改装：（1）电动手术台：将电动手术台的床面向后倾斜5~25°，相对于改装前增加了4~8°。电动手术台的背板床折起的角度调整为10~65°，相对于改装前增加了10~15°。电动手术台的床面的高度调整为70~80cm，相对于改装前调高了6~10cm。当选取标准行程为300MM时，电动手术台的负载达到6000N。（2）电动护理床： 分别对电动护理床的背部角度、腿部角度进行调整。其中背部角度调节为10~70°，相对于改装前增加了15~20°；腿部角度调整为10~30°，相对于改装前增加了0~10°。当选取行程为150MM时，电动护理床的负载达到4000N。（3）电动牵引架 电动牵引架主要应用于对患者的颈部进行牵引等治疗中。本次试验主要是对电动牵引架的高度范围进行调节。电动牵引架改装后的高度范围为110~140cm，相对于改装前增加20~30cm。当选取标准行程为200MM时，电动牵引架的负载可达3000N。（4）ICU护理床ICU护理床主要是用于重症加强护理病房中使用的护理床。ICU护理床是ICU病房中心一种必备的医用设备。目前，ICU护理床根据医护人员的使用需要，大都是采用手控器进行调节。直线电机驱动技术在ICU护理床中的应用，主要体现为对ICU护理床的背部角度、高度以及腿部范围进行调节。其中，背部调整的范围为10~70°，腿部调节的范围为10~30°，高度范围调节为40~70cm。当选取的标准行程为150MM时，ICU护理床的负载为4000N，相对于改装前有所增加。
2 结果
通过利用直线电机驱动技术进行改装，电动护理床和ICU护理床的角度调节范围有所增加，电动牵引架和ICU护理床的高度调节范围有所增加。其中，改装后，电动护理床的背部角度增加了15~20°，腿部角度增加了0~10°。ICU护理床背部调整的范围为10~70°，腿部调节的范围为10~30°，高度范围调节为40~70cm。电动牵引架的高度范围增加了20~30cm。电动手术台的高度范围增加了6~10cm。当选取相同的标准行程下，四种医疗器械的负载均有所增加。
3 讨论
3.1 直线电机驱动技术的特点： 由于直线电机在将电能转化成直线运动机械能的过程中不需要进行相关的中间转化机制，因而能够极大地提高系统运行的效率。 首先，在直线电机系统中，将一些响应时间较长的机械传动件进行直接地取消，从而极大地增加了整个系统的响应功能，具有高速响应的优点。同时，直线电机驱动系统在运行的过程中，能夠有效地减少插补运动时所带来的误差，对直线位置进行适当地控制，从而提高了机床定位的准确度[2]。其次，直线电机驱动系统在其导轨上就可以将直线电机进行串联，以相应地延长系统行程的长度，并且不受限制。由于系统减少了中间传动的环节，因而有效地避免了机械因摩擦而产生能量消耗，最终提高了直线电机驱动系统的运行效率[3]。最后，传动丝杠等部件的机械摩擦的消除，加上转动导轨的应用，使整个直线电机驱动系统在运行过程中的噪音极大地降低，为医院提供了一个良好的医疗环境。
3.2 直线电机驱动技术在医疗器械上应用的效果分析：从以上研究结果可发现：通过利用直线电机驱动技术进行改装，电动护理床和ICU护理床的角度调节范围有所增加，电动牵引架和ICU护理床的高度调节范围有所增加。其中，改装后，电动护理床的背部角度增加了15~20°，腿部角度增加了0~10°。ICU护理床背部调整的范围为10~70°，腿部调节的范围为10~30°，高度范围调节为40~70cm。电动牵引架的高度范围增加20~30cm。电动手术台的高度范围增加了6~10cm。当选取相同的标准行程下，四种医疗器械的负载均有所增加。
由此可知，直线驱动器是一种较为理想的电动医疗床进行驱动的装置机构。通过程控器、直线驱动结构以及控制板等相关控件的组合，方便医师和医护人员根据患者的实际情况，将直线驱动结构的位置进行适当调整。直线驱动器的应用使操作更加简单化、人性化，不仅可以有效地提高医师和医护人员的工作效率，而且还有利于提高医院的服务水平和患者的满意度[4]。在对医疗器械进行改装时，可以根据不同器械的使用标准，采用不同的标准行程，从而提高设计的科学性[5]。
综上所述，各大医院应该积极地引进新工艺、新技术、新产品，将更多高精尖的医疗器械应用于临床医疗中，促进医院的可持续发展。
参考文献
[1] 宋书中,胡业发,周祖德.直线电机的发展及应用概况[J].控制工程.2013,01(03):55-56.
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[3] 胡耀斌,佘明亮,陈艾华.直线驱动关键技术问题及其解决对策[J].机电工程.2012,10(01):44-45.
[4] 张兰锁,张利那,刘杰辉.基于ANSYS的直线电机板状弹簧的刚度分析[J].煤矿机械.2011,10(08):50-56.
[5] 王秀芬.直线电机驱动技术在医疗器械上的应用分析[J].中国保健营养.2012,02(05):78.
直线感应电机专利技术综述 篇6
1.1中国历年专利申请量
图13为中国每隔五年直线感应电机的专利申请量, 从上图可以看出申请量总体趋势是上升的, 特别是2010年以后专利申请量几乎为前25年申请量的总和。究其原因, 主要得益于“十二五”国家大力支持高端装备制造业以及轨道交通的发展。而直线感应电机被广泛应用于精密机床进给系统中和交通运输中列车驱动, 采用电磁力悬浮车体、直线电机驱动技术, 实现了无接触、不带燃料的高速运行, 无脱轨危险和很强的爬坡能力等一系列优点, 目前这一领域专利申请较为活跃。
1.2中国专利重要申请人分析
从图2中可以看出, 排名前三的申请人东南大学、江苏大学和浙江大学均为国内高校, 排名前十的申请人高校或科研院所占了6位, 其他分别是哈尔滨工业大学、中科院电工所、山东大学, 这反应了在这一领域高校研究贡献突出, 高校科研对我国在这一领域的发展起到了重要作用, 但是就其申请的主题来看, 其更多偏向于实验层面, 这也凸显在直线感应电机领域我国实际应用能力不足;进入前十的国外申请人奥蒂斯电梯、三菱电机株式会社、株式会社日立制造所均是在电机行业活跃或者在其所属行业有着突出优势的企业, 从其引证与被引证信息也可以看到, 这几家公司拥有较为核心的专利技术, 未来可能在整个行业发挥更大的作用。唯一排名前十的国内企业是上海南洋电机有限公司, 该公司是上海电气集团与瑞典瑞华公司共同投资新建的合资企业, 通过对其申请的专利进行分析, 其技术优势并不突出, 专利申请大都集中在电机外围的改进。
二、国外专利申请分析
2.1国外专利重要申请人分析
从图3中可以看出, 排名前十的申请人有7位是日本申请人, 分别为:日立株式会社、东芝公司、三菱电机公司、奥蒂斯电梯、神钢电机株式会社、明电株式会社、富士通公司, 也凸显了日本在直线感应电机领域的突出优势。上述企业其专利申请集中在精密机床制造领域, 特别是涉及芯片和大规模集成电路的制造, 这也与日本在这些领域的技术优势密切相关。专利申请的技术主题集中在提高动态性能和刚度, 减少端部效应、齿槽效应等所造成的推力波动, 通过磁路设计达到推力和推力波动的要求, 提高速度和加速度以适应高速和超高速切削的要求, 除电机主体外, 在防尘、防切屑、冷却、防磁和安全保护、易于安装和调整等方面进行研究, 也是的直线感应电机技术专利申请的热点领域。
2.2各国专利申请量分析
从图4可以看出, 直线感应电机领域各国专利申请量中日本和美国较多, 这也反应了这两个国家在直线感应电机应用的相关领域的技术优势。20世纪80年代开始在日本、美国等国家直线感应电机被应用于城轨交通, 这方面现在发展很快, 特别在日本和中国专利申请量较多, 其技术主要体现在降低车体高度, 降低成本, 增强爬坡能力, 节能、噪音低等方面。
三、直线感应电机的发展趋势预测
通过对直线感应电机领域的专利分析, 未来在新的需求和新材料新技术的推动下, 直线感应电机将获得较大发展。目前我国在直线感应电机领域拥有核心专利数量较少, 技术不突出, 其应用领域也多靠外国进口, 国内相关企业应抓住机遇, 并将各项创新技术应用于新产品的开发。
摘要：直线感应电机是一种将电能直接转化成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构的传动装置。由于采用了“零传动”, 相较传统传动方式有明显的优势, 由于高速轨道、精密机床进给系统对电机动力和精度的需求使直线感应电机的优越性充分体现出来, 直线感应电机的研究重新成为热点领域。本文主要以DWPI专利数据库以及CNTXT数据库中的检索结果为分析样本, 从专利文献的视角对直线感应电机技术的发展进行了全面的统计分析, 总结了与直线感应电机相关的国内外专利的申请趋势、主要申请人分布以及针对常见的、具体的直线感应电机技术的发展路线做了一定的分析, 并从中得到一定的规律。
关键词：直线感应电机,专利申请,发展路线
参考文献
[1]叶云岳.直线电机技术的研究发展与应用综述[J].电气技术发展综述, 2004年
国内外直线电机转向架 篇7
目前国外典型的直线电机转向架主要为加拿大的MKI型和MKII型转向架 (图1) , 以及日本住友金属的电机架悬式转向架 (图2) 。国内仅有广州地铁4号线 (图3) 、5号线及北京机场线采用直线电机转向架, 其中广州地铁采用英国庞巴迪公司设计的BM3000-LIM型转向架 (图4) , 而北京机场线采用北美庞巴迪公司设计制造的MKII型转向架。
加拿大MKII型转向架采用直线电机副构架悬挂, 迫导向径向机构, 副构架通过橡胶弹性垫置于轴箱上而日本住友金属转向架则采用直线电机构架悬挂, 为保证直线电机与感应板之间的气隙, 一系悬挂设置较大的垂向刚度, 并且构架采用关节式铰接结构BM3000-LIM型转向架采用新型直线电机轴箱悬挂方案, 直线电机通过5根吊杆吊挂在两端, 弹性支撑在轴箱体上的悬挂梁上。
以上转向架按照电机悬挂方式分类, 可以分为轴悬式和架悬式, 它们各有优缺点。轴悬式有利于保证直线电机气隙, 但不利于降低簧下质量。电机构架悬挂与副构架悬挂则不利于减小直线电机气隙, 同时由于一系悬挂需采用较大的垂向刚度, 不利于提高车辆的乘坐舒适性。
2 国内直线电机转向架概况
国内外现有的直线电机转向架, 均采用带摇枕结构, 在认真分析用户需求后, 充分吸收国内外其他直线电机转向架优点, 南车四方机车车辆股份有限公司设计了一种新型转向架 (图5) , 取消了摇枕, 并采用小直径车轮、电机构架悬挂、轴箱内置式轮对等创新技术, 充分降低了转向架质量, 从而降低了车辆质量, 降低车辆能耗, 并满足小曲线通过能力的要求。
2.1 新型无摇枕直线电机转向架的特点
新型无摇枕直线电机转向架具有以下特点:
(1) 转向架自重轻:约3.5 t (不含直线感应电动机) 。
(2) 直线电机悬挂杆件无间隙:杆件两端采用无间隙的大刚度橡胶节点, 避免间隙引起的振动和噪声、因杆件间隙引起的轮轨动作用力放大及车轮的多边形磨耗, 整个吊挂系统可以实现免维护。大刚度橡胶节点采用既有成熟产品, 稳定可靠。
(3) 直线电机的3点悬挂、牵引、横向定位均在转向架构架上, 电机运动与构架运动同步, 因此, 不会因构架的沉浮引起电机吊杆的摆动。
(4) 直线电机采用简单可靠的垫片式高度调整方式, 在不需要拆解转向架与车体连接的情况下, 只需1人在车上即可以进行操作, 简单方便可靠。
(5) 适应轨道扭曲的能力和曲线通过能力强:无摇枕式二系悬挂有效地减小了转向架的回转阻力矩, 采用关节式铰接构架、空气弹簧和轴箱弹簧内置等结构, 提高了抗脱轨安全性。
2.2 直线电机转向架的主要技术参数 (表1)
2.3 转向架主要结构
由于直线电机采用3点构架悬挂, 而为了保证电机气隙必需设置比通常大很多的一系垂向刚度, 构架通过缓和曲线的扭曲又必须采用柔性构架技术来解决, 因此, 将构架设计为2个L型铰接的关节式铰接结构 (图6、图7) 。
轮对采用轴箱内置式结构 (图8) , 并采用小直径车轮 (直径660 mm) 、空心车轴、铝合金制动盘等技术, 以充分降低簧下质量。
每个轴箱由橡胶堆主弹簧与人字形侧弹簧组成 (图9) 。为控制直线电机气隙, 主弹簧采用大的垂向刚度。为提高车辆稳定性、舒适性及曲线通过能力, 合理地调节了人字形侧弹簧的纵向、横向刚度。
由于空气弹簧横向跨距小, 且为了保证车辆的乘坐舒适性, 空气弹簧选取大柔度参数。为保证车辆限界安全, 需设置抗侧滚扭杆。空气弹簧采用4点支撑, 且采用Z字型牵引拉杆 (图10) 。
直线电机采用3点构架悬挂, 通过3根吊杆弹性安装在构架的横梁上, 采用调整垫片, 可方便可靠地进行调整。
3 结束语
直线电机车辆具有隧道造价低、爬坡能力强、牵引能力优越、通过曲线半径小、污染小、安全性能好等诸多优点, 适合大中城市大中等运量交通发展的要求。
该直线电机转向架设计方案, 吸收了国内外优秀的结构设计技术:内置式关节铰接构架, 电机构架弹性悬挂, 在国际上首次采用无摇枕技术, 简化了结构, 提高了可维修性, 充分降低质量以提高效率, 填补了国内外的空白, 已经申请多项国家专利, 在国内外直线电机地铁车辆市场有广阔的应用前景。
参考文献
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[6]王景宏.采用直线电机的广州地铁车辆[J].机车电传动, 2006年, (6) :47-52.
直线超声电机柔性夹持元件的设计 篇8
因具有结构简单、可直接驱动、重量推力比大、动子惯性小、响应快、断电自锁、可控制性好和定位精度高等优点,直线超声电机在航空航天和精密驱动等领域有着广阔的应用前景,它的研究受到广泛关注[1,2,3]。1983年,日本学者最早提出了两种行波型直线超声电机[4]。1998年,日本Wakai等[5]研制了一种高速、大推力直线超声电机。该电机最大输出力为51N,最大速度为3.5m/s。2004年,Hemsel等[6]研制出一款新型的基于面内振动的直线电机,该电机也有良好的输出特性。
随着直线超声电机运行机理研究的不断深入和定子结构设计方法的完善,直线超声电机的输出力和速度有了进一步提高。其后的研究重点是提高电机结构的稳定性、运行的平稳性和效率,以便提高电机的控制精度。利用柔顺机构改善电机结构的稳定性是一种发展方向。近几年来,一些国内外超声电机专家把柔顺机构引入超声电机领域中进行了相关研究[7,8]。Wakai等[5]采用柔顺铰链设计直线超声电机定子的驱动足,提高了直线超声电机的输出效率。Lee等[9]设计的直线超声电机也采用横向柔性支撑来固定超声电机定子。
本文以V形直线超声电机[10,11]的夹持元件为研究对象,采用柔性铰链替代预压力弹簧,将柔性圆弧段(柔性铰链)和弹性支持臂背结合为一体,设计了带有柔性铰链的直线超声电机夹持元件;研究了夹框位移与预压力之间的相互关系,以及柔性铰链对定子振动的影响规律。
1 柔性夹持元件的设计
传统直线超声电机将弹簧和弹性元件作为夹持元件,在弹簧与弹性元件的连接中会存在间隙,这种间隙构成了定子振动系统的非线性边界,增加了振动系统的非线性,从而导致系统运行状态的不稳定。
为了解决传统直线超声电机夹持元件存在的上述问题,简化电机结构,提出运用柔性铰链代替弹簧来设计夹持元件。以V形直线超声电机夹持元件的设计为研究对象,设计了结构为U形的夹持元件。该夹持元件主要由臂尾、柔性圆弧段和支持臂组成,臂尾通过螺栓与夹框连接,支持臂通过连接螺栓与定子相连。支持臂与臂尾的厚度为2mm,中间与两端柔性圆弧的厚度为0.7mm,其材料为65Mn,如图1所示。
夹持元件两端的圆弧形柔性铰链的作用是代替弹簧,以便实现合适预压力的加载,并保持定子振动的线性弹性边界。中间的柔性圆弧铰链是为了消除定子装配中的装配应力,消除干扰模态。
图2是利用该夹持元件组装的V形直线超声电机结构图。其中的夹框能够在动子移动的方向上移动,通过控制夹框与动子的相对位置实现对预压力的加载和控制。
2 柔性夹持元件结构参数的理论计算
在柔性夹持元件的设计中,柔性铰链圆弧的厚度t是关键结构参数。采用有限元方法分析了整个电机的定子及外框在不同柔性铰链圆弧厚度下,外框的位移随预压力的变化规律。选取了三种柔性铰链圆弧的厚度,分别为0.6mm、0.7mm、0.8mm。
在ANSYS计算中,采用Solid45单元进行网格划分,划分后的网格如图3所示。图3所示的结构左右夹框取固支边界,在施加载荷时,固定外框左右两端,限制其位移。根据实际需要,对电机定子驱动足施加0~100N的预压力F,通过ANSYS计算出柔性铰链最大变形量。
柔性铰链的施压变形过程应该属于“大位移、大转动、小应变”的大变形问题,定子的位移与预压力呈现非线性关系。本文利用“large displacement static”计算,其计算结果如图4所示。
由图4可知,柔性铰链的弹性系数随着圆弧厚度增大而增大;预压力在0~100N的小范围内,定子的位移与预压力具有(近似的)线性关系。t=0.6mm时,弹性系数为k1=105N/mm;t=0.7mm时,弹性系数为k2=117N/mm;t=0.8mm时,弹性系数为k3=169N/mm。t=0.6mm和t=0.7mm时,柔性铰链的弹性系数满足变形要求。考虑到柔性圆弧的结构强度,最后选用柔性铰链圆弧片段厚度为0.7mm作为最佳方案。
3 夹持元件力学特性实验研究
通过理论设计,采用65Mn材料加工出柔性铰链夹持元件,并装配出4台直线超声电机定子进行实验,以研究柔性铰链对定子振动特性的影响。
3.1 夹持元件的弹性系数
定子通过夹持元件固定在夹框上,夹框能够沿y方向移动。在预压力的作用下,夹框沿y方向向动子移动,当驱动足和动子接触后,夹持元件臂尾处的柔性圆弧段发生变形。当固定夹持元件后,由于柔性圆弧段的变形,使得定动子之间在接触点处产生预压力。通过测量整个夹框随预压力增大所产生的位移,绘出图5。图5表明,柔性夹持元件在预压力作用下,其变形量呈线性变化,并且两台电机的夹持元件有相同的弹性系数。预压力与夹持元件变形量的线性变化关系表明,
柔性铰链能够代替弹簧施加预压力。柔性铰链的使用消除了传统夹持元件与夹框间存在的间隙。
3.2 夹持元件支持下的振动特性
夹持元件的结构形式会对定子的振动特性产生影响。图6所示为中间没有柔性圆弧的夹持元件,该夹持元件在定子的装配过程中,产生附加内应力,导致定子的振动模态发生变化。
定子3和定子4是由图1所示的夹持元件构成的定子,而定子5和定子6是由图6所示的夹持元件构成的定子。采用德国Polytec公司生产的PSV-300F-B型高频扫描激光测振系统测试其振动模态,图7~图10依次为定子3~6的两相振型扫描图。
(b)定子3的B相振型
从图7~图10中可以看出,定子5和定子6容易产生干扰波峰,并且两相模态频率相差很大,定子之间的振动频率的差距也大。定子5两相波形不一致,定子6两相频率差距为4kHz。
(b)定子4的B相振型
(b)定子5的B相振型
(b)定子6的B相振型
上述问题的出现是由于该夹持元件中间的刚性大,在施加预紧力时,产生了装配应力,改变了定子的模态。而定子3和定子4的两相模态是一致的,没有出现大的干扰模态。这说明在施加预紧力时,夹持元件中间的柔性圆弧消除了装配应力。
4 结论
(1)利用柔性铰链代替弹簧设计直线超声电机的夹持元件,能够简化电机的结构。运用有限元软件分析了夹框位移与预压力之间的关系。计算结果表明,柔性圆弧的最佳厚度为0.7mm。
()()
(2)预压力在0~100N的小范围内,定子的位移与预压力呈现线性关系,它表明柔性铰链能够作为线性弹簧用于夹持元件中。柔性铰链的使用消除了因弹簧支撑而存在的夹持元件和夹框间的间隙,也消除了定子振动的非线性边界。另外,夹持元件与夹框为固支连接,提高了电机结构的稳定性。
(3)夹持元件中间的柔性圆弧能够消除装配应力,减小因定子装配对定子振动模态的影响。基于柔性铰链的夹持元件的使用能够改善定子的振动特性,提高电机运行的稳定性。
参考文献
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直线电机双向抽油泵的设计研究 篇9
1 常用的结构形式与不足
常规的结构形式都是单向冲程举升油液, 如图1所示, 由电机动子通过推拉杆驱动柱塞, 柱塞推拉杆为空心杆, 下端有进油孔, 当柱塞下冲程时, 固定阀关闭, 游动阀打开, 油液经进油孔进入柱塞上面的泵筒内, 下冲程不排出油液。当柱塞上冲程时, 游动阀关闭, 固定阀打开, 柱塞上面泵筒内的油液被排出。
(1) 单向泵一次往复冲程的理论排量。
如图1所示, 当柱塞上冲程时, 容积R缩小, R中的油液被排出, 设其冲程为H, 泵径为D, 理论排量用Q表示:
则Q=△R=H·πD2/4
(2) 单向泵所需电机的上推力应克服以下3种力。
(1) 柱塞上面油液的总压力F。
式中:p为上冲程时柱塞上面的油液压力, 参照流体力学的相关理论[1], 该文只做定性探讨, 不做定量运算。p主要由4部分组成:p1为井口压力;p2为井深所构成的单位面积液柱压力;p3为油液流过固定阀等管口处的压力损失;p4为油液沿油管流动所产生的沿程压力损失。
(2) 柱塞与泵筒的半干摩擦力F1。
(3) 柱塞总成、推杆及电机动子的重量之和F2。
在上述3种力中, F为主要因素, 以下的研讨中, F1和F2暂忽略不计, 故而可认为, 直线电机单向抽油泵所需的上推力为F=p·πD2/4, 而下冲程时不举升油液, 电机处于空跑浪费状态。
2 双向抽油泵的设计研究
制约直线电机采油系统推广应用的主要原因之一, 就是目前直线电机的推力都比较小, 一般为1.5~2.0 t, 而要开发研制大推力的直线电机, 尚需攻克许多技术难关。
该文所探讨双向抽油泵替代以往的单向抽油泵, 会大大改善上述不足, 双向泵的具体结构和工作原理如下。
如图2所示, 双向抽油泵是由双泵筒和双柱塞按特定方式组装而成, 其大泵筒为长泵筒, 大柱塞为短柱塞, 小泵筒为短泵筒, 小柱塞为长柱塞。大、小泵筒串联在一起, 大、小柱塞串联在一起, 小柱塞下端连接直线电机动子上端的推拉杆。大泵筒下部有双向油孔K1, 小柱塞下部有进油孔K2, 大柱塞上面的大泵筒内有圆柱形容积R1, 大泵筒与小柱塞之间有环筒形容积R2。
2.1 双向泵一次往复冲程的理论排量
(1) 当柱塞下冲程时, K1增大, 固定阀关闭, 游动阀打开, 油液通过K2, 流过柱塞内孔, 进入K1, 同时K2缩小, K2中的油液通过K1排出。下冲程时的排量用Q下表示:
(2) 当柱塞上冲程时, R1缩小, 游动阀关闭, 固定阀打开, 同时R2增大, 从R1排出的油液, 一部分充填R2, 多余部分的油液排出, 上冲程时的排量用Q上表示:
(3) 一次往复的总排量[2]。
由式 (1) 得:Q下=△R2
由式 (2) 得Q上=△R1-△R2
将式 (1) 、式 (2) 代入式 (3) 得:
可见, 若单向泵的泵径与双向泵的大泵径相同, 冲程也相同, 则双向泵中上、下冲程的排量之和等于单向泵的排量。
2.2 双向泵所需电机输出的推拉力
(1) 当柱塞下冲程时, 电机的推拉杆受拉力。
设工作时, 柱塞所受的油压为p, 大柱塞外径为D, 小柱塞外径为d, 大柱塞的截面积为A=πD2/4, 小柱塞的截面积为a=πd2/4, 环形容积的截面积为:
下冲程时, 大柱塞上面的容积R1增大, 该处没压力, 所以推拉杆的拉力只需克服环形容积内的压力, 即:
(2) 当柱塞上冲程时, 电机的推拉杆受推力。
此时R1和R2中的油压相同, 均为p, 推拉杆需克服的推力为R1中的总压力减去R2中的总压力, 即:
将式 (5) 代入式 (7) , 则:
2.3 单向泵与双向泵比较
(1) 当排量相同 (即单向泵的泵径与双向泵的大泵径相同) 、井下油压p相同的情况下, 按国标[3]规定的泵径系列, 选择适当的双向泵中的小泵径, 则双向泵所需直线电机的推拉力要比单向泵所需的推力小得多, 以φ44泵为例 (见表1) , 用双向泵φ44/φ32的推力仅为单向泵的0.51。
(2) 如果直线电机的功率相同, 则用双向泵可比单向泵获得更大的排量[4], 见表1, 当用直线电机驱动φ44单向泵时, 需提供15.52p的推力, 而驱动双向泵 (φ57/φ38) 时, 仅需提供14.25p的下拉力和11.40p的上推力, 也就是说, 15.52p的力若驱动单向泵, 只能获得2.234 6 m3/d的理论排量, 而驱动双向泵, 仅需14.25p的力, 便能获得3.693 9 m3/d的理论排量。
3 现场应用
该文研究探讨的直线电机双向抽油泵已由深圳大族激光科技股份有限公司、常州市冠腾石油装备有限公司及日照原野机械制造有限公司等多个直线电机的厂家配装直线电机采油系统, 并在油田成功用于采油生产。
4 结论
(1) 双向泵可大大缓解直线电机系统推力不足的问题, 在电机功率相同的情况下, 使用双向泵可获得更大的排量, 或下入更深的油井。
(2) 双向泵可节能。在排量和井深相同的情况下, 使用双向泵可减小电机的推拉力, 降低能耗。
(3) 设计研究和现场应用实践证明, 双向泵同以往的单向泵相比, 优势非常明显。
摘要：对直线电机抽油系统进行了简单介绍, 对系统以往配装的单向抽油泵之不足进行了分析, 对适合该系统的双向抽油泵从理论到实践进行了论述。双向泵可大大缓解直线电机系统推力不足的问题, 在排量和井深相同的情况下, 使用双向泵可减小电机的推拉力, 降低能耗, 实践证明, 双向泵同以往的单向泵相比, 优势非常明显。
关键词：直线电机,抽油泵,双向,受力分析
参考文献
[1]闻邦椿.机械设计手册:第四卷[M].北京:机械工业出版社, 2013.
宏/微双重驱动的新型直线电机研究 篇10
目前, 我国芯片封装设备工业水平与国外先进水平仍有较大差距, 国内芯片封装设备的85%依赖进口, 在西方发达国家技术封锁下, 高端的芯片封装设备引进受到制约, 芯片封装水平将阻碍我国成为二十一世纪世界IC制造强国之一。因此, 迫切需要开展面向先进芯片封装等先进制造领域的高精度定位技术的研究。
1 宏微驱动机构研究现状
由于精密定位技术应用领域的广泛性、对高科技发展影响的重要性, 因而一直是各个发达国家的科研机构、高等院校和大型企业研究的重点。在IC制造产业中, 关键部件就是实现高位置分辨率、高可靠性、具有较大行程和高精度定位的直线推进运动。
现有高分辨率直线推进运动普遍借助于旋转电动机旋转运动, 加上滚珠丝杠而获得的直线运动, 再加上微动台实现宏微驱动, 如图1所示[1]。
1.1 国内研究现状
国内研究精密定位技术的科研机构和高等院校非常多, 哈尔滨工业大学、吉林大学、清华大学、西安交大、浙江大学、吉林大学、西安理工大学、中国科学院长春光机所和成都光电所等单位对大行程精密定位进行了比较多的研究工作, 近年来台湾地区对该领域的研究也非常活跃[1~5]。
哈尔滨工业大学王立松研制的宏微两级驱动双定位工作台, 该工作台采用直线电机进行大行程驱动, 电致伸缩微位移器完成精定位, 单频激光干涉仪实现闭环位置反馈, 用频率法建立定位系统的模型, 采用PID控制方法, 实现了500 mm工作行程内小于20 nm的重复定位精度。王波等人在超精密车床上利用滚珠丝杠的微动特性所进行的纳米定位研究, 利用滚珠丝杠的微动特性, 同样可以实现纳米级的定位精度。
浙江大学现代光学国家重点实验室的米凤文等人研制的大行程精密定位系统, 它采用粗、精两级定位方式, 伺服电机带动机械传动系统实现粗定位, 压电陶瓷实现工作台的精定位。
中科院成都光电所谢传钵研制的分步重复投影光刻机精密快速定位也采用粗、细结合方式, 粗定位采用滚珠丝杠螺母机构和滚动导轨, 细定位采用分辨率为10 nm的压电尺蠖驱动。
清华大学朱煜等人与上海微电子设备有限公司合作研究的步进扫描投影式光刻机超精密工件台是一种宏微两级定位系统, 它采用气浮导轨支撑、直线电机驱动、直线光栅尺反馈组成大行程直线运动系统, 其上叠加洛仑兹电机驱动的气浮微动台, 提供对直线电机的精度补偿。
西安交通大学的压印光刻机宏、微两级超高精度定位系统中, 采用弹性力学理论, 对精定位台的静、动参数进行了分析和估算, 确定了系统的自然频率, 并由此设计出双伺服环的控制系统;在控制软件中采用Chebyshev数字滤波器去除信号中的噪声, 使整个定位系统在200 mm的行程中, 定位精度达到了8 nm。
台湾中正大学研制的大行程纳米定位工作台, 在滚珠丝杠上装两个螺母, 中间夹着PZT, 先用滚珠丝杠螺母机构加上抖动信号粗定位以消除机构的爬行现象, 然后再利用PZT进行精定位。淡江大学和修平技术学院共同研制的大行程纳米定位系统, 它采用绞盘机驱动方式、气浮导轨支撑的单层工作台, 分辨率为5 nm的HP激光干涉仪作为位置反馈测量装置, 模型参考自适应控制, 在50 nm、500 nm和10μm三种步距实验中都获得了小于±15 nm的 (步距) 定位精度, 并且无过冲, 抗干扰能力很强。
1.2 国外研究现状
国外对大行程精密定位技术进行研究的国家非常多, 除了美国、日本等传统的精密机械技术强国外, 近年来韩国对该领域的研究也非常深入[6~8]。
North Carolina大学和MIT共同研制的用于扫描探针显微镜的六自由度磁悬浮扫描工作台, 工作范围是25 mm×25 mm×0.l mm, 定位精度达到了10 nm。
东京工业大学精密及智能实验室研制的气体静压工作台纳米定位系统, 它采用有刷直流电机, 轴承、导轨和丝杠螺母采用气体静压方式, PID控制器。这也是单层工作台的纳米定位系统。该定位系统位置反馈所用激光干涉仪的分辨率仅为0.3 nm, 使得定位精度达到了±2 nm, 由于采用了丝杠螺母的驱动形式, 定位行程达到了400 mm。
韩国首尔大学研制的一种宏微两级定位纳米工作台, 宏动台采用滚珠丝杠螺母机构, 微动台用PZT加柔性铰链机构。该工作台采用双伺服控制的方法, 宏动台的位置反馈用编码器, 微动台的位置反馈用激光干涉仪, 定位行程达到200 mm, 精度为10 nm。韩国电子技术研究所研制的一种用于微装配和半导体设备上的尺镬式驱动器, 它采用外差激光干涉仪作为伺服反馈装置, 定位行程达到100 mm, 速度为10.2 mm/s, 移动步距为50 nm。韩国高等理工学院Sung Q.Lee等人研制了音圈驱动器和空气支承滑台, 采用连续增益调整控制方法, 实现了100 mm行程、50 nm步距的定位运动[9~13]。
法国Compiegne工业大学的Samir Mekid用无刷直流电机摩擦传动、液体静压支承构成了高精度直线滑台, 并采用内模控制的方法实现了较大行程的纳米定位, 该滑台有较大的承载能力和工作行程, 定位精度高, 但10 mm/s的运动速度并不算高。
1.3 存在的问题
上述传统电磁电机或者再加上一套变换机构组成宏直线运动, 微动台组成的微直线运动, 宏微直线运动叠加构成了大行程高分辨率宏微运动装置, 不可避免的存在传统电磁电机的诸多缺点, 如电磁场干扰, 同时宏、微驱动从机械结构到驱动控制系统都是各自独立, 体积庞大、结构复杂、传动链长, 需要分别对电磁电机和微动台进行驱动控制, 使机构体积和重量进一步小型化和提高运动精度都十分困难, 其产品性能、质量很难进一步提高, 难以满足当今电子信息产业对直线电机精度、速度及结构等要求[14,15]。
2 超声电机研究进展
超声电机是利用压电元件的逆压电效应使定子产生高频 (超声波) 振动而驱动转子 (或滑块) 运动的一种新型电机, 它与传统的电磁电机相比有着完全不同的原理和结构, 因而具有一些电磁电机所没有的特点[16,17], 已引起人们的广泛关注。
2.1 国外超声电机研究进展
上世纪八十年代以来, 日本人主要研究旋转型压电微电机并走向实用化, 广泛应用于照相机、医疗、汽车、机器人、航空航天等领域[14,15,16,17]。与此同时, 日本著名学者指田年生 (T.Sashida) 、宫崎、黑泽实 (M.Kurosawa) 、高野刚浩 (T.Takano) 、上羽贞行 (S.Ueha) 、富川义朗 (Y.Tomikawa) 等先后对直线型超声电机进行了研究。
1998年美国Anorad公司首次在世界半导体工业博览会展示了直线超声电机系列, 如图2所示。该系列电机已经应用在Intel公司的计算机芯片制造工艺中。图3为东北工业大学高野刚浩 (T.Takan) 教授正在调试的直线型电机, 无载荷速度达26 cm/s, 位置分辩率为1μm。Phsikinstrumente公司研制出的直线超声电机如图4所示, PILine系列产品中一款电机输出推力可达1 N, 无负载最大速度可达800 mm/s。2005年, 南韩Hyun-Phill Ko et al研制了一种高速, 高精度的用于半导体产业的直线超声电机如图5所示[18]。
2.2 国内超声电机研究进展
国内许多单位, 如南京航空航天大学、清华大学、浙江大学、东南大学、华中科技大学、吉林大学、哈尔滨工业大学、天津大学、电子部第21研究所等单位先后开展了这一研究工作。1997年清华大学研制出具有自校正功能的直线型超声电机[14~17], 1998年南京航空航天大学超声电机研究中心研制的驻波大推力直线超声电机如图6所示[14~17]。1998年华中科技大学辜承林等研制了一种双π型压电超声波直线电机, 如图7所示, 该双π型压电超声波直线电机克服了单π型超声波直线电机的预应力的施加系统的结构复杂和加工难度大的问题, 提出了双π型结构集振动体和移动体于一身, 并由磁场提供预应力[14~17]。
2005年, 哈尔滨工业大学研制了一种利用超声换能器纵向振动模态的双向驱动直线超声电机, 通过支架固定两个超声换能器呈V型, 如图8所示, 其中一个换能器工作可驱动动子单方向运行, 当单独激励另一个振子时, 动子反方向运行[19]。
2007年, 南京航空航天大学研制了一种双驱动足大推力直线超声电机如图9所示[14]。
2003年-2009年华南农业大学先后研制出柱型复合振子和面内模态薄型直线超声电机和V型双棱柱振子直线超声电机如图10-11所示。
2.3 存在的问题
虽然超声电机具有前述的诸多优点, 但目前现有超声电机工作出现的死区、不可靠、效率低、位置分辨率稳定性差, 预压力模型及电机由于自身宏动和谐振微动对位置分辨率的影响等问题未能很好解决, 也很难实现真正的高位置分辨率和高可靠性, 尚不足以用做IC产业和自动化工艺装备的高精度进给部件[20,21,22,23,24,25]。
3 新型宏微驱动直线电机
现有宏微驱动机构和直超声电机各有优势和不足, 因此, 结合宏微驱动机构和直线超声电机的优点, 本文提出并设计了集宏微运动于一体的新型直线电机[26,27], 实现宏微直线运动, 将使传动系统结构简单、体积变小、分辨率和可靠性提高。
3.1 结构设计与原理
实现宏微驱动的新型直线电机结构如图12~13所示, 其中图12为宏微运动电机装配图, 图13为复合振子结构示意图, 复合振子两侧对称装有压电陶瓷片, 极性相反配对组装。
宏驱动时, 分别对左右侧压电陶瓷通以正、余弦交流电, 频率与复合振子谐振频率相同, 以此同步激发复合振子的沿轴向的反向的对称振型和同向的反对称振型, 如图14~15所示, 二者振型合成, 则在复合振子的拨齿与动子接触处产生椭圆运动轨迹, 在一定预压力作用下, 依靠拨齿与动子的动摩擦力, 推动动子沿轴向直线宏运动。
微驱动时, 分别对左右侧压电陶瓷通以正、负直流电, 以此同步驱动复合振子产生静态变形, 在一定预压力作用下, 依靠拨齿与动子的静摩擦力, 夹持并带动动子沿轴向直线微运动。这样, 在一个复合振子上, 实现了大行程高速宏运动和高分辨率的精密微定位。
3.2 宏微驱动电源设计
新型直线电机高性能的获得, 还要通过驱动控制系统的优化设计实现, 所以设计适用于该类型电机的驱动控制系统显得非常迫切, 采用高压集成运算放大器和三相逆变电路设计的一套驱动电路, 可将宏微驱动控制系统集成在一个驱动控制系统中, 采用可控整流和高频DC-DC二级电路实现0~1 000 V直流电压连续可调, 如图17所示[28]。
4 结论
大行程、高精度, 同时易于小型化的移动机构是先进制造业等领域要解决的关键问题之一, 为此本文对现有宏微双重驱动机构和直线超声电机的研究进展和存在问题进行了回顾, 提出了一种宏微双重驱动新型直线压电电机, 使其既能与超声电机一样, 直接宏驱动, 具有响应快、不受磁场干扰等特点;又能与微驱动相同, 实现微驱动、精准定位, 把宏微二种驱动集成在一个电机结构上, 通过有限元模态计算分析了宏微驱动原理, 同时, 将宏微驱动控制系统也集成在一个控制器上, 并给出了电源设计方案, 前期的试验已证明了宏微二种驱动集成在一个电机上方案合理、可行, 也是未来宏微双重驱动的一个发展方向。
摘要：大行程、高精度, 同时易于小型化的移动机构是先进制造业等领域要解决的关键问题之一, 综述了现有宏/微双重驱动机构和直线超声电机的研究进展和存在问题, 提出了一种宏微双重驱动新型直线压电电机, 使其既能与超声电机一样, 直接驱动、响应快、不受磁场干扰实现宏驱动;又能与微驱动一样, 精密定位, 实现微驱动, 并把宏微运动结合起来, 在一个电机上同时实现宏微驱动, 通过有限元分析软件, 计算复合振子的振动模态和静态变形, 分析了宏微驱动原理, 给出了宏微驱动新型直线电机驱动电源的设计方案。