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直线电机的使用与维护
直线电机的使用与维护
概述
直线电机也称线性电机,线性马达,直线马达,推杆马达。
最常用的直线电机类型是平板式和U型槽式,和管式。
线圈的典型组成是三相,有霍尔元件实现无刷换。
工作原理
直线电机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传动装置。
它可以看成是一台旋转电机按径向剖开,并展成平面而成。
由定子演变而来的一侧称为初级,由转子演变而来的一侧称为次级。
在实际应用时,将初级和次级制造成不同的长度,以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。
直线电机可以是短初级长次级,也可以是长初级短次级。
考虑到制造成本、运行费用,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,将感应出电动势并产生电流,该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。
如果初级固定,则次级在推力作用下做直线运动;反之,则初级做直线运动。
直线电机的驱动控制技术一个直线电机应用系统不仅要有性能良好的直线电机,还必须具有能在安全可靠的条件下实现技术与经济要求的控制系统。
随着自动控制技术与微计算机技术的发展,直线电机的控制方法越来越多。
对直线电机控制技术的研究基本上可以分为三个方面:
一是传统控制技术,二是现代控制技术,三是智能控制技术。
传统的控制技术如PID反馈控制、解耦控制等在交流伺服系统中得到了广泛的应用。
其中PID控制蕴涵动态控制过程中的信息,具有较强的鲁棒性,是交流伺服电机驱动系统中最基本的控制方式。
为了提高控制效果,往往采用解耦控制和矢量控制技术。
在对象模型确定、不变化且是线性的以及操作条件、运行环境是确定不变的条件下,采用传统控制技术是简单有效的。
但是在高精度微进给的高性能场合,就必须考虑对象结构与参数的变化。
各种非线性的影响,运行环境的改变及环境干扰等时变和不确定因素,才能得到满意的控制效果。
因此,现代控制技术在直线伺服电机控制的研究中引起了很大的重视。
常用控制方法有:
自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制及智能控制。
主要是将模糊逻辑、神经网络与PID、H∞控制等现有的成熟的控制方法相结合,取长补短,以获得更好的控制性能。
应用
直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形,它可以看作是一台旋转电机沿其径向剖开,然后拉平演变而成。
随着自动控制技术和微型计算机的高速发展,对各类自动控制系统的定位精度提出了更高的要求,在这种情况下,传统的旋转电机再加上一套变换机构组成的直线运动驱动装置,已经远不能满足现代控制系统的要求,为此,世界许多国家都在研究、发展和应用直线电机,使得直线电机的应用领域越来越广。
直线电机与旋转电机相比,主要有如下几个特点:
一是结构简单,由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置,因而使得系统本身的结构大为简化,重量和体积大大地下降;二是定位精度高,在需要直线运动的地方,直线电机可以实现直接传动,因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差,故定位精度高,如采用微机控制,则还可以大大地提高整个系统的定位精度;三是反应速度快、灵敏度高,随动性好。
直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑,因而使得动子和定子之间始终保持一定的气隙而不接触,这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力,因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性;四是工作安全可靠、寿命长。
直线电机可以实现无接触传递力,机械摩擦损耗几乎为零,所以故障少,免维修,因而工作安全可靠、寿命长。
直线电机主要应用于三个方面:
一是应用于自动控制系统,这类应用场合比较多;其次是作为长期连续运行的驱动电机;三是应用在需要短时间、短距离内提供巨大的直线运动能的装置中。
高速磁悬浮列车磁悬浮列车是直线电机实际应用的最典型的例子,美、英、日、法、德、加拿大等国都在研制直线悬浮列车,其中日本进展最快。
直线电机驱动的电梯世界上第一台使用直线电机驱动的电梯是1990年4月安装于日本东京都丰岛区万世大楼,该电梯载重600kg,速度为105m/min,提升高度为22.9m。
由于直线电机驱动的电梯没有曳引机组,因而建筑物顶的机房可省略。
如果建筑物的高度增至1000米左右,就必须使用无钢丝绳电梯,这种电梯采用高温超导技术的直线电机驱动,线圈装在井道中,轿厢外装有高性能永磁材料,就如磁悬浮列车一样,采用无线电波或光控技术控制。
超高速电动机在旋转超过某一极限时,采用滚动轴承的电动机就会产生烧结、损坏现象,国外研制了一种直线悬浮电动机(电磁轴承),采用悬浮技术使电机的动子悬浮在空中,消除了动子和定子之间的机械接触和摩擦阻力,其转速可达25000~100000r/min以上,因而在高速电动机和高速主轴部件上得到广泛的应用。
如日本安川公司新近研制的多工序自动数控车床用5轴可控式电磁高速主轴采用两个径向电磁轴承和一个轴向推力电磁轴承,可在任意方向上承受机床的负载。
在轴的中间,除配有高速电动机以外,还配有与多工序自动数控车床相适应的工具自动交换机构。
分类
1、圆柱形
圆柱形动磁体直线电机动子是圆柱形结构。
沿固定着磁场的圆柱体运动。
这种电机是最初发现的商业应用但是不能使用于要求节省空间的平板式和U型槽式直线电机的场合。
圆柱形动磁体直线电机的磁路与动磁执行器相似。
区别在于线圈可以复制以增加行程。
典型的线圈绕组是三相组成的,使用霍尔装置实现无刷换相。
推力线圈是圆柱形的,沿磁棒上下运动。
这种结构不适合对磁通泄漏敏感的应用。
必须小心操作保证手指不卡在磁棒和有吸引力的侧面之间。
管状直线电机设计的一个潜在的问题出现在,当行程增加,由于电机是完全圆柱的而且沿着磁棒上下运动,唯一的支撑点在两端。
保证磁棒的径向偏差不至于导致磁体接触推力线圈的长度总会有限制。
2、U型槽式
U型槽式直线电机有两个介于金属板之间且都对着线圈动子的平行磁轨。
动子由导轨系统支撑在两磁轨中间。
动子是非钢的,意味着无吸力且在磁轨和推力线圈之间无干扰力产生。
非钢线圈装配具有惯量小,允许非常高的加速度。
线圈一般是三相的,无刷换相。
可以用空气冷却法冷却电机来获得性能的增强。
也有采用水冷方式的。
这种设计可以较好地减少磁通泄露因为磁体面对面安装在U形导槽里。
这种设计也最小化了强大的磁力吸引带来的伤害。
这种设计的磁轨允许组合以增加行程长度,只局限于线缆管理系统可操作的长度,编码器的长度,和机械构造的大而平的结构的能力。
3、平板
有三种类型的平板式直线电机(均为无刷):
无槽无铁芯,无槽有铁芯和有槽有铁芯。
选择时需要根据对应用要求的理解。
无槽无铁芯平板电机是一系列coils安装在一个铝板上。
由于FOCER没有铁芯,电机没有吸力和接头效应(与U形槽电机同)。
该设计在一定某些应用中有助于延长轴承寿命。
动子可以从上面或侧面安装以适合大多数应用。
这种电机对要求控制速度平稳的应用是理想的。
如扫描应用,但是平板磁轨设计产生的推力输出最低。
通常,平板磁轨具有高的磁通泄露。
所以需要谨慎操作以防操作者受他们之间和其他被吸材料之间的磁力吸引而受到伤害。
无槽有铁芯:
无槽有铁芯平板电机结构上和无槽无铁芯电机相似。
除了铁芯安装在钢叠片结构然后再安装到铝背板上,铁叠片结构用在指引磁场和增加推力。
磁轨和动子之间产生的吸力和电机产生的推力成正比,叠片结构导致接头力产生。
把动子安装到磁轨上时必须小心以免他们之间的吸力造成伤害。
无槽有铁芯比无槽无铁芯电机有更大的推力。
有槽有铁芯:
这种类型的直线电机,铁心线圈被放进一个钢结构里以产生铁芯线圈单元。
铁芯有效增强电机的推力输出通过聚焦线圈产生的磁场。
铁芯电枢和磁轨之间强大的吸引力可以被预先用作气浮轴承系统的预加载荷。
这些力会增加轴承的磨损,磁铁的相位差可减少接头力。
选型指南
1.最大电压(max.voltageph-ph)—最大供电线电压,主要与电机绝缘能力有关;
2.最大推力(PeakForce)—电机的峰值推力,短时,秒级,取决于电机电磁结构的安全极限能力;
3.最大电流(PeakCurrent)—最大工作电流,与最大推力想对应,低于电机的退磁电流;
4.最大连续消耗功率(Max.ContinuousPowerLoss)—确定温升条件和散热条件下,电机可连续运行的上限发热损耗,反映电机的热设计水准;
5.最大速度(Maximumspeed)—在确定供电线电压下的最高运行速度,取决于电机的反电势线数,反映电机电磁设计的结果;
6.马达力常数(MotorForceConstant)—电机的推力电流比,单位N/A或KN/A,反映电机电磁设计的结果,在某种意义上也可以反映电磁设计水平;
7.反向电动势(BackEMF)—电机反电势(系数),单位Vs/m,反映电机电磁设计的结果,影响电机在确定供电电压下的最高运行速度;8.马达常数(MotorConstant)—电机推力与功耗的平方根的比值,单位N/√W,是电机电磁设计和热设计水平的综合体现;
9.磁极节距NN(MagnetPitch)—电机次级永磁体的磁极间隔距离,基本不反映电机设计水平,驱动器需据此由反馈系统分辨率解算矢量控制所需的电机电角度; 10.绕组电阻/每相(Resistanceperphase)—电机的相电阻,一般情况下给出的往往是线电阻,即Ph-Ph,与电机发热关系较大,在一定意义下可以反映电磁设计水平; 11.绕组电感/每相(Inductionperphase)—电机的相电感,一般情况下给出的往往是线电感,即Ph-Ph,与电机反电势有一定关系,在一定意义下可以反映电磁设计水平;
12.电气时间常数(Electricaltimeconstant)—电机电感与电阻的比值,L/R;
13.热阻抗(ThermalResistance)—与电机的散热能力有关,反映电机的散热设计水平;
14.马达引力(MotorAttractionForce)—平板式有铁心结构直线电机,尤其是永磁式电机,次极永磁体对初级铁心的法向吸引力,一般高于电机额定推力一个数量级,直接决定采用直线电机的直线运动轴的支撑导轨的承载能力和选型。
维护保养
1、平常在为直线电机进行保持保养维护的时候,要注意清洁电机的表面时用湿润的干净软布进行擦拭,切不可含有过多水分,避免水进入电机内部引起电路的烧毁,同时在为电机的机械部位上润滑油时,也要防止油液进入电机内部,避免对内部零件造成腐蚀。
2、要定期检查直线电机的接线端子,确保其螺栓以及电机的底座固定螺栓没有松动、滑牙的现象,如果出现松动要将其拧紧,如果出现滑牙的现象那么就要立即更换新的螺栓。
3、维护人员要经常检查直线电机风叶的转动情况,并定期对风扇进行清理,避免上面积累各种粉尘甚至是油污,如果检查时发现风扇转动出现异常,要及时排查故障并给予正确的处理方式。
4、每班次都要对直线电机的外壳进行检查,确保电机在运行时没有非常明显的发热情况,并且还要检查两端轴承,确保没有漏油等现象,如果出现要及时停机检查,并尽快排出故障原因。
以上为大家介绍的这几个方面就是直线电机的日常保养维护方式,为最专业的直线电机做好日常保养维护能够有效延长其使用寿命,确保其运行的性能,所以上述这些维护方式非常重要,除此之外,操作人员还应该密切关注电机在运行中的各种表现,如果发现有不正常杂音、振动及特殊气味,那么就要及时请技术维护人员前来查看,避免发生意外事故。
注意事项
1、接线:
连接驱动器的电源,一般驱动器会有控制电源,和电机电源,二者是不一样的哦,确认没有接反,接反会烧坏驱动器的;然后将直线电机接入驱动器,安UVW对应连接,还有PE接线;最后是反馈,霍尔一般是5线,电源、地,A/B/C三根线;光栅编码器一般是A-Quad-B输出,对应连接就可以了。
2、调试:
一般的驱动器通过RS-232和电脑通信,给驱动器上电,在软件中连接通信;到这里你已经很厉害了哦。
3、接下来要设置直线电机的数据模型了,一般需要你填写电机的持续电流,最大速度,磁极距等,位置反馈的分辨率,还有驱动器的一些保护设置;注意只有设置合理才能完成哦,不然驱动器会报错的。
4、下面进入真正的调试过程了,首先是电流环、换向、速度环、位置环,这里不熟悉的童靴要看看书哦。
PID整定的过程需要个人对PID的理解,和长期的经验,耐心整定,最后一定会有一个不错的结果。
5、运行:
调试完成后,电机就可以运动了,一般的驱动器可以编程,也可以接受指令,根据情况定。
故障排除
绕组接地:
指绕组与贴心或与机壳绝缘破坏而造成的接地。
故障现象:
机壳带电、控制线路失控、绕组短路发热,致使电动机无法正常运行。
产生原因:
绕组受潮使绝缘电阻下降;电动机长期过载运行;有害气体腐蚀;金属异物侵入绕组内部损坏绝缘;重绕定子绕组时绝缘损坏碰铁心;绕组端部碰端盖机座;定、转子磨擦引起绝缘灼伤;引出线绝缘损坏与壳体相碰;过电压(如雷击)使绝缘击穿。
检查方法
(1)观察法。
通过目测绕组端部及线槽内绝缘物观察有无损伤和焦黑的痕迹,如有就是接地点。
(2)万用表检查法。
用万用表低阻档检查,读书很小,则为接地。
(3)兆欧表法。
根据不同的等级选用不同的兆欧表测量每组电阻的绝缘电阻,若读数为零,则表示该项绕组接地,但对电机绝缘受潮或因事故而击穿,需依据经验判定,一般说来指针在“0”处摇摆不定时,可认为其具有一定的电阻值。
(4)试灯法。
如果试灯亮,说明绕组接地,若发现某处伴有火花或冒烟,则该处为绕组接地故障点。
若灯微亮则绝缘有接地击穿。
若灯不亮,但测试棒接地时也出现火花,说明绕组尚未击穿,只是严重受潮。
也可用硬木在外壳的止口边缘轻敲,敲到某一处等一灭一亮时,说明电流时通时断,则该处就是接地点。
(5)电流穿烧法。
用一台调压变压器,接上电源后,接地点很快发热,绝缘物冒烟处即为接地点。
应特别注意小型电机不得超过额定电流的两倍,时间不超过半分钟;大电机为额定电流的20%-50%或逐步增大电流,到接地点刚冒烟时立即断电。
(6)分组淘汰法。
对于接地点在铁芯心里面且烧灼比较厉害,烧损的铜线与铁芯熔在一起。
采用的方法是把接地的一相绕组分成两半,依此类推,最后找出接地点。
此外,还有高压试验法、磁针探索法、工频振动法等,此处不一一介绍。
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