第18课  4.5直线电动机伺服驱动控制

主要内容：

1.讲解课前的5个案例，理解直线电机的工作原理，了直线电机的应用。

案例1 (英文)直线电机工作原理(6: 08) .mp4

案例2 平板型和管式直线电机(3 : 03) .mp4

案例3 管式直线电机应用(1 : 48 ) .mp4

案例4 直线电机的优点(1 : 30) .mp4

2. 观看视频,教师在线答疑

4.5.0直线电动机概述(24 : 04) .mp4

4.5.1 U型结构空芯直线电动机(5 : 30) .mp4

4.5.2扁平结构直线电动机(01 : 35) .mp4

4.5.3管状结构直线电动机(06 : 43) .mp4

4.5.4直线电动机的驱动控制( 05 : 03 ) .mp4

4.5.5直线电机的特点与应用领域( 04 : 45 ) .mp4

3. 指导学生：

    观看视频 案例4 直线电机的调试（2：26）

  观看视频 案例5 直线电机的应用及发展（4：30）

4.5 [任务实施]交直线电动机的驱动控制.doc

4.完成课后作业

【任务描述】

直线电动机驱动实际上是将“旋转伺服电动机＋滚珠丝杠”构成的直线运动传统进给模式，变成“直接驱动”方式，也称“零驱动”，如图4.69所示。丝杠与电动机合一后使传动更直接，避免了机械磨擦、粘滞、间隙等影响；响应更快，传动精度更高，适应了当前数控机床向高速进给（60～200m/min）、高加速度（1～10g）、高精度（纳米插补）的“三高”方向发展的需要。

本任务介绍空芯直线电动机（U形结构）、铁芯直线电动机（扁平结构）、轴式直线电动机（管状结构）的结构和工作原理、直线电动机的驱动控制，直线电动机的特点及应用领域，完成本任务，可实现以下任务目标：

【任务目标】

技能目标

会直线电动机驱动控制接线。

知识目标

（1）掌握空芯直线电动机（U形结构）、铁芯直线电动机（扁平结构）、轴式直线电动机（管状结构）的结构和工作原理；

（2）了解直线电动机的特点及应用领域；

（3）了解我国直线电动机的发展现状。

观看视频： 4.5.0 直线电动机概述（24:04）

建议学时：2个学时

在开始学习本节知识之前，同学们观看以下视频，理解直线电机的工作原理，了直线电机的应用。

（注：本部分所有视频只用于辅助教学，不产生任何经济效益，如有侵权，请告知）

观看视频： 案例1  直线电机工作原理中文(6：08)   

观看视频： 案例2 平板型和管式直线电机结构简介（3：03）

观看视频： 案例3 管式直线电机应用（中文）（1：48）

观看视频：案例4 直线电机的优点（1：30）

观看完视频，大家都看懂了吗？如有疑问，咱们到“知识要点”部分找答案吧。

直线电动机的结构可以看作是将一台旋转电动机沿径向剖开，并将电动机的圆周展开成直线而形成的，如图4.70所示。对应于旋转电动机的定子称为直线电动机的初级（定子），对应于旋转电动机的转子称为直线电动机的次级（动子或滑子）。直线电动机的运动方式可以是固定初级，让次级运动，称为动次级；也可以是固定次级，让初级运动，称为动初级。

当初级通入电流后，在初次级之间的气隙中产生行波磁场，在行波磁场与次级永磁体的作用下产生驱动力，从而实现运动部件的直线运动。

  实际平板型直线感应电动机初级长度和次级长度并不相等，有短初级长次级结构和 长初级短次级结构，如图4.71所示。为了抵消定子磁场对动子的单边磁吸力，平板型直线感应电动机通常采用双边结构，即用两个定子将动子夹在中间的结构型式。

圆筒型直线电动机也称为管型直线电动机，把平板型直线电动机沿着直线运动相垂直的的方向卷成筒形，就形成了圆筒型直线电动机，如图4.72所示。

常见的直线电动机有3种形式：U形结构的空芯直线电动机

                  扁平结构的铁芯直线电动机

                 管状结构的轴式直线电动机，或称为柱状直线电动机。

观看视频： 4.5.0 直线电动机概述（04:21） 

4.5.1 空芯直线电动机：U形结构

空芯直线电动机磁铁排列在U型板两侧，形成两个相对的平行磁道，如图4.73所示，线圈包裹在环氧树脂中，充当动力器，线圈组件是无铁的，需要通过轴承支撑在磁道中，来回运动。因为线圈组件无铁芯，所以它和和磁轨之间不会产生吸引力，也不会产生干扰力，这种线圈组件的质量很轻，可以实现很高的加速度。

U型无刷直线电动机可以直接驱动，无需将转动转为线性运动，机械结构简单可靠。电动机运行超平稳，无齿槽效应，动态响应速度极快，惯量小（加速度可达20g，速度达到10~30m/s，低速1μm/s），运动平滑，刚性高，结构紧凑，可选配直线编码器做高精度位置控制，其位置精度取决于所选编码器。

观看视频：4.5.1  U 型结构空芯直线电动机 （05:28）

4.5.2铁芯直线电动机：扁平结构

铁芯直线电动机结构示意图如图4.76所示。铁芯直线电动机的线圈先安装到铁叠片上，然后再安装到铝制底座上。铁叠片用于导磁，增强电动机出力性能，叠片设计可以减小涡流发生。而磁铁排列在磁道上，通常为了减小齿槽效应而倾斜放置。

 观看视频： 4.5.2 扁平结构直线电动机（01:35）

4.5.3 轴式直线电动机：管状结构

  轴式直线电动机结构示意图如图4.78所示，电动机由磁轴和线圈两部分组成。轴式直线电动机中，线圈和磁铁都呈圆柱状，磁铁通过圆柱不锈钢管包裹，或者穿过不锈钢轴形成磁铁组件，磁铁组件穿过线圈内孔，线圈相对磁铁组件作轴向运动。

线圈绕组通常由三相组成，使用霍尔效应器件，或者使用线性编码器，进行无刷换相，用温度传感器检测线圈温度。

轴式直线电动机的线圈构成出力器，提供上述铁芯电动机所期望的刚度。由于线圈完全包裹在磁体周围，因此可以有效利用所有磁通量。且允许较大的（0.5至2.5mm）标称环形气隙，在整个设备行程中，随着气隙的变化，力不会发生变化。相比U型和扁平铁芯直线电动机，它更占空间，这种电动机不适用于对磁通泄漏敏感的应用场合。因为这种电动机唯一的支撑点是在末端，刚性有限，所以不能制作太长的行程。

观看视频： 4.5.3 管状结构直线电动机（06:43）

4.5.5 直线电动机的特点及应用领域

1.直线电动机的特点

（1）高速响应 

（2）定位精度高 

（3）传动环节  无弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时提高了其传动刚度。

（4）速度快、加减速过程短

（5）行程长度不受限制 在导轨上通过串联直线电动机，就可以无限延长其行程长度。

（6）噪音低 由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。

（7）效率高 由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗。

2.直线电动机的应用领域

直线电动机广泛应用于OEM（俗称代工）市场的电子与半导体设备、喷绘行业、印染行业、印刷行业、玻璃行业、精密数控机床、高端医疗器械、手机检测行业、玻璃检测行业等领域。

3.国内直线电动机产品现状

直线电动机国外发展比国内早，德玛吉早在2000年左右，就开始用直线电动机提高机床的精度。目前，国内机床行业中直线电动机的普及率较低，而在欧美日等国，直线电动机的普及率则高达20%—50%。国内之所以还没有大规模替代，是因为直线电动机的成本要比丝杠模组高很多。

国外品牌占据了中国直线电动机60%以上的市场份额，主要品牌有新加坡雅科贝思、日本沙迪克、台湾上银、大族电动机。其中，新加坡雅科贝思市场占比最高。

目前国内品牌占据了30%左右的市场份额，还处于起步阶段，相关技术人员在直线电动机的应用方面还不太熟悉，欠缺经验。国内厂家生产的直线电动机，主要匹配以色列高创伺服驱动器。长沙一派直驱的直线电动机，是中国直线电动机研发领域的佼佼者，不仅做到了替代进口，甚至综合技术指标赶超进口产品

观看视频： 4.5.5 直线电动机的特点与应用领域（04：45）

【任务实施】   直线电动机的驱动控制

一、实训目标

熟悉直线电动机的接线方法；以松下A6L直线驱动及直线电动机系统为例了解直线电动机与驱动器的接线方法。松下A6L伺服驱动器如图4.82（a）所示。

二、实训内容

  （1）认识电动机系统图  如图4.82（b）所示。

 （2）熟悉驱动器系统图，如图4.83所示。

  （3）了解直线电动机系统接线须知，如表4.14所示。

表4. 14 直线电动机系统接线须知

（4）了解X5编码器引脚定义，如表4.15所示。

表4.15  X5编码器引脚定义

 （5）X6霍尔传感器引脚定义，如表4.16所示。

             表4.16  X6霍尔传感器引脚定义

 三．按图4.83进行接线，并注意以下几点，通电运行

①　X1-X6为二次电路，一次电源（控制电源用直线电源DC24，再生电阻用直流电源DC24V等其它电源）之间需要进行绝缘，请勿连接相同电源。此外，请勿连接地线。反之则会成为输入输出信号错误动作的原因。

②　控制电源（特别是DC24V）和外部的操作电源分开使用电源，特别注意勿将两个电源的地线相互连接，布线时也要合理分配外部操作电源控制电源的布线路径，遵循强弱电分开的原则布线。

③　信号线使用屏蔽线，屏蔽线两端接地。

观看视频： 4.5.4 直线电动机的驱动控制（05:03）

观看视频：  案例4 直线电机的调试（2：26）

观看视频：  案例5 直线电机的应用及发展（4：30）

简答题

1.叙述空芯直线电动机(U形结构)的结构和工作原理。

2.叙述铁芯直线电动机(扁平结构)的结构和工作原理。

3.叙述轴式直线电动机(管状结构)的结构和工作原理。

4.就我国直线电动机的发展现状，我国应该如何赶超，谈谈自己的感想。

教师根据学生阅读记录结果及接线情况给予评价，见表4.17。

      表4.17 任务评价表

“理论项目”参考答案 

1.叙述空芯直线电动机(U形结构)的结构和工作原理。

空芯直线电动机磁铁排列在U型板两侧，形成两个相对的平行磁道，如图4.73所示，线圈包裹在环氧树脂中，充当动力器，线圈组件是无铁的，需要通过轴承支撑在磁道中，来回运动。

U型结构的空芯直线电动机磁场方向，以及通电时线圈和磁道受力示意图如图4.75所示，图中的直线电机有8对磁铁组件和三个线圈，图示位置，导线在磁场中受力分析可知，线圈受力在左右方向，使电动机左右作直线运动。结合位移传感器，实时监测线圈或者磁铁组件的位置，来更换通电线圈的相，比如是1、2，还是2、3，还是1、3线圈通电，来达到持续运动的效果。

2.叙述铁芯直线电动机(扁平结构)的结构和工作原理。

铁芯直线电动机结构示意图如图4.76所示。铁芯直线电动机的线圈先安装到铁叠片上，然后再安装到铝制底座上。铁叠片用于导磁，增强电动机出力性能，叠片设计可以减小涡流发生。而磁铁排列在磁道上，通常为了减小齿槽效应而倾斜放置。

3.叙述轴式直线电动机(管状结构)的结构和工作原理。

轴式直线电动机结构示意图如图4.78所示，电动机由磁轴和线圈两部分组成。轴式直线电动机中，线圈和磁铁都呈圆柱状，磁铁通过圆柱不锈钢管包裹，或者穿过不锈钢轴形成磁铁组件，磁铁组件穿过线圈内孔，线圈相对磁铁组件作轴向运动。

线圈绕组通常由三相组成，使用霍尔效应器件，或者使用线性编码器，进行无刷换相，用温度传感器检测线圈温度。

三相通电导线在磁场中受力情况如图4.79所示，三相圆柱形直线电动机磁场向外发散，垂直于线圈。电流则垂直于屏幕，线圈和磁铁组件受力沿杆方向，也就是左右方向。

4.就我国直线电动机的发展现状，我国应该如何赶超，谈谈自己的感想。

 略。