直线电机的发展及应用

直线电机的发展及应用机械0995吴祉宁2009934144一．直线电机的发展历史直线电机的发展经历了漫长的历史。早在19世纪末与20世纪初就有人从事直线电机的研究，但未获得成功。直至20世纪50年代中期，控制技术、材料技术的飞速发展和新型控制元器件的不断出现，使直线电机的理论和应用获得了迅速的发展。从1840年到1955年的116年期间，直线电机从设想到实验到部分实验性应用，经历了一个不断探索，屡遭失败的过程。自从惠斯登提出和试制了直线电机以后，有人明确地提到了直线电机以及它的专利。这个专利是想把直线电机用在织布机的梭子上。显然这个想法激励了许多科学家的热情，以致于在此以后的相当一段时间，一些科学家为此付出了许多的努力，然而，由于当时的制造技术，工程材料以及控制技术的现状，在经过断断续续20多年的顽强努力后，最终却未能获得成功。这里的艰辛，笔者也是深有体会的，因为，20多年前笔者的大学毕业论文就是这个题目。然而，最近笔者却实实在在地在中国的企业里看到了德国生产的经编机中应用了直线电机驱动的梭子。由于使用性能和效率大大提高，从而使该经编机的身价提高10倍以上。不过，科学家为了获得电梭子应用而巧妙构思的许多各种形式的直线电机，却为后来将它们应用到其它场合奠定了基础。例如，将大推力、高速度的织梭直线电机经过重新设计，摇身一变向着电炮和电弹射器方面发展下去，旧日本海军就曾在横须贺开始过无烟、无声电炮的制造。当然，历史没有给这些侵略者任何杀人的机会，这些电炮还没有来得及试用便迎来了他们的战败，此是后话，1995年美国宣布电磁炮试制成功。在1917年出现了第一台圆筒型直线电动机，事实上那是一种具有换接初级线圈的直流磁阻电机，人们试图把它作为导弹发射装置，但其发展并没有超出模型阶段。在1923年，有人提出用扁平感应直线电动机去驱动一种连续运行的站台系统，打算把它敷设在街道上，当时建造了试验轨道，然而没有获得成功。从1840年到1930年前后，这一时期的直线电机研究就象一个未出生的孩子，正处于孕育阶段；就象一棵没出土的树苗，正处于萌芽阶段。也有文章认为这一阶段是暗中摸索的阶段。这个阶段，虽然人们有许多好的设想，从理论上也作了许多探讨，但由于没有从实验上去论证这一切理论，以致于有不少直线电机方面的机理尚没真正搞清楚，许多好的设想却没能付诸实现。鉴于这些情况，它迫使各国的科研人员暂时放下了理论，埋头致力于将直线电机理论及各种设想模型予以证实的工作，即实验研究工作。至此，从1930年到1940年期间，直线电机进入了实验研究阶段，在这个阶段中，科研人员获取了大量的实验数据，从而对已有理论有了更深一层的认识，奠定了直线电机在今后的应用基础。从1940年到1955年期间，世界一些发达国家的科研人员，在实验的基础上，又进行了一些实验应用工作。1945年，美国西屋电气公司首先研制成功的电力牵引飞机弹射器，它以7400kw的直线电机为动力，成功地用4.1s的时间将一架重4535kg的喷气式飞机在165m的行程内由静止加速到188km/h的速度。它的试验成功，使直线电动机可靠性好等优点受到了应有的重视，随后，美国利用直线电机制成的、用作抽汲钾、钠等液态金属的电磁泵，为的是核动力中的需要。1954年，英国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直流直线电机制成了发射导弹的装置，其速度可达1600km/h。在这个阶段中，尤需值得一提的是，直线电机作为高速列车的驱动装置得到了各国的高度重视并计划予以实施。在1840年到1955年的直线电机探索实验和部分实验应用时代，其直线电机与旋转电机的相互竞争当中，由于直线电机的成本和效率方面没有能够战胜旋转电机，或者说，直线电机还没能找到唯独它能解决问题的领域，以及直线电机在设计方面也没有突破性的成功。所以，直线电机在这一时代始终未能得到真正的应用。自1955年以来，直线电机进入了全面的开发阶段。这个时期，它可以说是直线电机的“文艺复兴时期”。特别是该时期的控制技术和材料的惊人发展，更加助长了这种势头。在这段时期中申请直线电机的专利件数也开始急速增加，该时期直线电机专利的增长率超过了所有其它技术领域的平均增长率。这种增长一方面固然是控制技术和材料促进了这种势头，另一方面，前些年的理论探讨和实验研究工作作为多年的技术贮备起到了重要的作用。例如磁铁型、动圈型等直线电机的成功给开发应用提供了有利的条件。此外，在这期间，需值得一提的是，以英国莱思韦特教授为首的一些人在强调直线电动机基础研究的情况下，取得了不少研究成果，1956年莱思韦特开始公开发表直线电机理论分析的文章，1966年莱思韦特出版了比较系统地介绍直线电机的专著《InductionMachinesforSpecialPurposes》这给直线电机领域起到了一个推动作用，作出了开创性的贡献，这也使直线电机再一次受到了各国的重视。在此期间，另一类不用外部转换装置而能产生振荡运动的直线振荡电机也产生了。1962年West和jayawant设计了作为铁磁谐振器的单相直线电动机。到1965年以后，随着控制技术和材料性能的显著提高，应用直线电机的实用设备被逐步开发出来。例如采用直线电机的MHD泵、自动绘图仪、磁头定位驱动装置，电唱机、缝纫机、空气压缩机、输送装置等。从1971年始到目前的这个阶段，直线电机终于进入了独立的应用时代，在这个时代，各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置和产品，例如直线电机驱动的钢管输送机、运煤机、起重机、空压机、冲压机、拉伸机、各种电动门、电动窗、电动编织机等等。特别可喜的是利用直线电机驱动的磁悬浮列车，其速度已超500km/h，接近了航空的飞行速度，且试验行程累计已达数十万公里。在这个时期，直线电机领域的研究人员通过对直线电机在历史发展中多次起落的分析，终于选择了一条适合直线电机自身发展的独特思路，它不再与旋转电机直接对抗，不以单机的形式与旋转电机竞争，而以直线电机系统与旋转电机系统相比，从而找到适合于自己的系统与旋转电机展开竞争，在旋转电机无能为力的地方寻找自己的位置。例如直线电机应用于磁浮列车，液态金属的输送和搅拌，电子缝纫机和磁头定位装置，直线电机冲压机等等。直线电机走自己的道路，在满足人类需求的过程中求得自身的发展。在世界上一些发达国家，许多人和不少著名电气企业均在研究和开发直线电机产品，例如美国的西屋（Westinghouse）公司、德国的西门子公司、英国、法国、瑞典、特别是日本，其人员之多和范围之广是世界首屈的。我国直线电机的研究和应用发展是从七十年代初开始的。1972年，浙江大学在国内首先翻译了一本《直线感应电动机》译文集，后由科学出版社出版发行，尔后，上海工大、上海电机厂、中科院电工所等又编译了一些直线电机的书籍并出版。近2年来，浙江大学又连续出版了3本直线电机著作。国内开展直线电机应用研究的单位主要有：中科院电工所、西安交通大学、浙江大学、上海大学、太原工业大学、焦作矿业学院、山东工业大学、辽宁阜新矿院等许多学校。主要成果有：工厂行车、电磁锤、冲压机、摩擦压力机、磁分选机、玻璃搅拌、拉伸机、送料机、粒子加速器、邮政分拣机、矿山运输系统、计算机磁盘定位系统、自动绘图仪、直线电机驱动遥控（电动）窗帘机、直线电机驱动门、炒茶机等。我国直线电机研究虽然也取得了一些成绩，但与国外相比，其推广应用方面尚存很大差距。目前，国内不少研究单位已越来越注意到这点。国内生产直线电机及其系统产品的厂家很少，其中最大的是哈尔滨泰富科技实业有限责任公司，该该公司依托浙江大学的技术优势，并与中国电工学会直线电机专委会以及英、美、日等国紧密合作，从设计、生产制造到检测试验均已初具规模，已具备了生产多品种规格的直线电机及其系统产品的能力，在国内已有较大的影响。二．直线电机的应用直线电机在国外制造装备业中的应用首先在机床设备方面，传统机床的驱动装置依赖丝杆驱动，丝杆驱动本身就具有一系列不利因素，包括：长度限制、机械背隙、磨擦、扭曲、螺距一周期误差、较长的振动衰减时间、与电机的耦合惯量以及丝杠的轴向压缩等。所有这些因素均限制了传统驱动装置的效率和精度。当设备磨损时，必须进行不断的调节以确保所需精度。直线电机驱动技术可以保证相当高的性能水准以及比传统的、将旋转运动转化为直线运动的电机驱动装置具备更高的简便性。由于直线电机直接与移动负载相连，因此在电机和负载之间没有背隙，而且柔量很小。直线电机在国外制造装备业中的应用首先在机床设备方面，传统机床的驱动装置依赖丝杆驱动，丝杆驱动本身就具有一系列不利因素，包括：长度限制、机械背隙、磨擦、扭曲、螺距一周期误差、较长的振动衰减时间、与电机的耦合惯量以及丝杠的轴向压缩等。所有这些因素均限制了传统驱动装置的效率和精度。当设备磨损时，必须进行不断的调节以确保所需精度。直线电机驱动技术可以保证相当高的性能水准以及比传统的、将旋转运动转化为直线运动的电机驱动装置具备更高的简便性。由于直线电机直接与移动负载相连，因此在电机和负载之间没有背隙，而且柔量很小。首先，利用直线驱动装置可以很容量地达到小于1μm/s或高达5m/s的速度。直线驱动系统可以保证恒定的速度特性，速度偏差优于±0.01%。在需要较高加速度的应用中，较小的直线电机可以方便地提供大于10g的加速度，而传统电机一般产生的加速度在1g范围内。直线驱动电机的精度只受反馈分辨率、控制算法以及电机结构的限制。采用前馈控制的直线电机系统可以减少跟踪误差200倍以上，而传统的驱动系统却受前述各因素的制约，此外还受机械系统限制。其次，直线电机结构简单，由很少组件组成，因此需要的润滑也较少（直线导轨需要定期润滑）。这意味着它的使用寿命较长以及运行比较干净。相比而言，传统的驱动系统由20多个零部件组成，包括电机、联轴器、滚珠丝杠、U形块、轴承、枕块以及润滑系统。每个零部件都需要装配时间、调整时间以及预防性维护。相反，直线电机结构很简单，它是一个电磁执行机构，该执行机构是由两个支承在一个直线导轨上的刚体零件组成。直线电机广泛应用于各个地方。1.在工业与自动化中的应用由于直线电机有其自身独特的优点，因此在机械设备和机床中的机电一体化方面得到广泛应用，如直线电机驱动的冲床，电磁锤、螺旋压力机、电磁打箔机、压铸机和型材轧制牵引机等。在机械加工机床中用于往复运动的动力源—直线电磁驱动装置在车铣、刨、磨、插、锯、拉等机床中得到应用，替代传统机械传动装置。在激光机械、半导体制造设备上也应用了直线电机驱动的X-Y工作台。以及用于组合机床自动化生产机床间直线电机驱动传送线，用于浮法玻璃生产线上的熔融金属搅拌器。用于电网中的直线电机驱动真空断路器，用于选矿的直线电机铁磁分离器。用于冶金工业中的电磁泵、液态金属搅拌器。用于纺织工业中的直线电机驱动的电梭子、割麻装置以及各种自动化仪表和电动执行机构。2.在交通运输业中的应用直线电机技术在磁悬浮列车方面是很重要的应用，在交通技术发展上是一个很大的突破，除此之外，还有直线电机驱动的电磁推进器，直线电机驱动的地铁，直线电机驱动的公路高速电动车等。3.在物料输送与搬运方面的应用直线电机在各种物料输送和搬运方面具有独特的优势，例如：在垂直输送方面有直线电机电梯、升降机；在平面输送方面有直线电机驱动的邮政包件分拣输送线、行李分拣输送线、钢材生产输送线、电气、电子、机械加工生产线、食品加工线、制药生产线等各种工业加工线、装配线、检测线，商场、医院等场合的物料输送及立体仓库的搬运、立体汽车库的调度等。4.在民用与建筑业方面的应用在民用与建筑业方面直线电机也得到广泛应用，如：直线电机驱动的门与门锁、窗与窗帘、床、餐桌、椅等，达有用直线电机驱动的洗衣机、干燥机、晾衣架、电动工具、搬手、拧紧装置等。5.直线电机在计算机及办公设备领域的应用在计算机光驱设备，输入输出设备当中，如数字扫描仪、打印机、都采用了直线电机驱动。在办公设备中如绘图、笔式记录仪等直线电机也得到应用。6.在军事、医疗及其它方面目前国外已把直线电机应用到电磁炮、潜艇、军用仿真设施中，在卫星和宇宙飞船上也采用了