直线电机代替液气缸的控制研究

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摘 要：鉴于当前液压与气动系统工作中存在的一些问题，根据对直线感应电机原理的分析，着重对直线感应电机运行控制方面设计是否符合液压与气动系统工作要求等进行讨论。提出了一种新型的“缸体结构”——电推缸，来替代液气缸。通过一定的理论依据来证明该缸体结构和控制的设计是有效的，即直线感应电机可以代替液气缸。

关键词：直线电机;液气缸;电推缸;电机控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.011

在如今机械设备中，液压和气动应用广泛。但是液压和气动系统也存在着诸多弊病，譬如：管路复杂，体积庞大、传动效率低、噪声大、磨损利害、寿命短，设备制造困难，零件精度高，对环境污染大，故障不易检测等。而直线电机恰能弥补这些缺陷。用直线电机代替液压或气动系统，有以下优点：结构简单;反应速度快，随动性好;容易密封，适用性强;稳定可靠，寿命长。此外，它还有控制方便、额定值高、精密定位和自锁等独特的优势。

1 结构设计

目前，在一些有直线运动要求的机械系统中，我们常采用液压系统或气压系统来完成 。 液压系统或气压系统的关键部件是液压缸和气压缸，它们都是压力传动系统中的执行元件。前者是将液压能转换为机械能的能量装置，后者是将压力能转换为机械能的能量装置。只是其二者工作介质不同，都是用来实现往复直线运动的。因液压缸和气压缸的分类大致相同，都有活塞式缸体。

在科技发展的今天，能完成直线运动要求的动力执行元件，不仅仅只有液压缸和气压缸。我们可以通过一定的机械装置来改变旋转电动机的运动方向，来实现直线运动。但还有一种更简便的方法，那就是采用直线感应电动机。直线感应电动机严格地说，就是将旋转电动机的定子和转子及磁场气隙展开成直线状，使电能直接转换成直线机械运动的一种推力装置。它可以根据工作要求通过控制电路的改进完成各种直线方式运动。它由定子和动子组成。定子也称为初级，它由冲上齿槽的电工钢片叠压而成，槽里嵌有绕组。动子也称为次级导体，一般是用铜或铝制成的金属板。定子和动子之间有一定的距离，也就是气隙。当定子绕组通入单相或三相交流电时，就产生匀速滑行磁场。动子在滑行磁场的作用下，动子导体内产生感应电动势和感应电流，电流和磁场相互作用便产生了直线电磁拉力，动子在电磁拉力作用下便作直线匀速运动。另外，在直线感应电动机中，还存在与定、动子表面垂直的径向电磁力。径向电磁力是单方向的电磁拉力，它可能使电机根本无法运转，这里我们采用双边型结构，来消除单边电磁拉力。从而，我们可以采用直线感应电动机来代替液压缸和气压缸，实现往复直线运动。将缸体部分用直线感应电动机的初级代替，中间活塞杆用直线感应电动机的次级代替。我们把改进后的这种装置称为“电推缸”。另外，在直线感应电动机的初级左右处安装有弹簧，安装的位置可以在机壳内也可以在机壳外，我们应根据用户的工作环境来设计。其作用是使直线感应电动机的初级在启动时复位，保证在一定的工作有效行程内往复运动的速度相等、推力相等;在空载的情况下，电机竖直放置不致于动体来回晃荡。同时在机座两端都安装有一个行程限位开关，起往复限位保护和往复运动自动切换功能。

2 控制设计

首先，用直线感应电动机的正、反转控制电路来代替液压和气压系统的工进、工退动作。我们知道工进和工退是液压和气压系统的基本操作指令，工进就是正方向的运动，工退就是反方向的运动。我们可也应用直线感应电动机的正、反转来实现液压和气压系统的基本操作指令。从电动机工作原理可知，只要将异步电动机定子绕组相序改变，其磁场旋转方向也改变，异步电动机就可以改变转动方向。实际电路构成时，可在主电路中用两组接触器主触点构成正转相序接线和反转相序接线，控制电路中，控制正转接触器线圈得电，其主触点闭合，电动机正转，或者反转接触器线圈通电，主触点闭合，电动机反转。 由于电机的堵转使其转子堵住不转，在这种情况下，s=1，n=0，即电动机在外施电压下处于静止状态。从而，我们可以利用此项特点来完成液压和气压系统的制动和保压。但要考虑起堵转电流的大小，以便不至于因电流过大而损坏电机定子绕组。如果用到保压情况，事先可以采取增大绕组线圈的线径的方法。当不用保压时，根据具体情况来取舍结构原理中的绕组，保证有满足工作要求的推力。这样我们就实现了液压和气压系统的工进、工退和保压三个基本功能。液压和气压系统的急停可以用电器控制的停止按钮来实现。

其次，直线感应电动机往复运动控制电路代替液压和气压系统的往复直线运动。这里我们采用行程开关控制正反转实现机动控制，由直线感应电动机的次级在工作过程中压动行程开关，实现直线感应电动机正反转的自动切换。以此来完成液压和气压系统的往复直线运动。在控制电路中还有短路保护措施，短路保护采用熔断器，其结构简单，操作方便，易于维护，其参数的限定值根据堵转电流的大小来决定，稍高于堵转电流就可以起到保护作用，也不影响堵转功能的发挥。具体控制线路如图1所示：

图示电路可划分为主电路和控制电路两部分。根据具体的应用情况可以取舍一部分电路。

2.1 主电路分析

电推缸是单程运行工作，还是往复运动工作。开始工作前根据实际需要已选定。在如图1所示的电路中，我们可以随意的舍弃其中的一种工作方式来完成工作要求，也可以在工作的过程中相互切换，为此，控制电路的单程运行接线和往复运行接线是通过组合开关SA手动完成切换的，切换的过程中需要暂停电推缸的运行。

直线电动机的速度控制可考虑采用改变电源电压法和改变频率法。小型直线电动机主要采用调压控制。中大型直线电动机可采用调压和调频并用控制。故而，我们使用的电推缸的速度控制部分可采用自耦变压器（TU）、晶闸管交流调压器（VT）和变频器（SPWM）来控制。

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2.2 控制电路分析

2.2.1 单程运行控制

在图示单程运行控制电路中，既有长动按钮，又有点动按钮。将组合开关SA切换到单程位置。在正向运行按钮SB2，正向控制接触器KM1线圈得电，其主触头动作。电推缸向前运行，直到夹紧工件后，利用电动机的堵转实验原理来保压，当然，“堵转”现象是不允许的，我们可以采用加大绕组线圈的线径来完成，这比在电推缸两边加装制动元件来实现保压要简单的多。

2.2.2 往复运行控制

在图示往复运动控制电路中，将组合开关SA切换到往复位置，按下往复启动按钮SB6，正向控制接触器KM1线圈得电，电推缸向左运行，当电推缸右边的挡块碰触限位开关SQ2时，电推缸正向停止，反向运行开始，反向控制接触器KM2线圈得电，电推缸右运行，当电推缸左边的挡块碰触限位开关SQ1时，电推缸反向停止，正向运行接通，开始新一轮的往复运动。当需要停止往复运动时，我们可以用组合开关SA或急停按钮SB1来实现电推缸停止运行的目的。

在往复运动过程中，限位开关SQ1和SQ2起自动反复运动和限位保护作用，在运行过程中正反向具有联锁保护功能。

3 结束语

上述仅仅是对单台工作缸来说的控制，而且是基本电路的代换，液气压传动控制的其他控制回路代替同样也可以用电气控制。至于多台工作缸控制可以应用PLC控制，结构简单、操作方便可靠。在科学技术飞速发展的今天，在一些旋转电机或其它驱动装置无能为力或勉强应付的地方，寻找直线电机能充分发挥优势的位置，在满足人类需求和完善人类美好愿望的进程中求得自身的发展，前景是广阔的，但选择是要谨慎的。

参考文献：

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