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国内外直线电机技术的发展与应用综述万芳

发布时间:2020-02-14 12:11:19 阅读: 来源:方管厂家

国内外直线电机技术的发展与应用综述

一、直线电机的历史发展

直线电机的历史,据有关文献最早可追溯到1840年惠斯登(Wheatstone)开始提出和制作了略具雏形但并不成功的直线电机,从那时至今,已有160多年的历史了,在这不算短的历史过程当中,直线电机经历了探索实验、开发应用和实用商品化三个时代,当然,对不同类型的直线电机或世界各国不同的国家和地区,这三个时代的年代和年限又是不相同的。

1.探索实验时代(1840~1955年)

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。 到1905年,曾有两人分别建议将直线电动机作为火车的推进机构,一种建议是将初级放在轨道上,另一种建议是将初级放在车辆底部,这些建议无疑是给当时直线电机研究领域的科研人员的一剂兴奋剂,以致许多国家的科研人员都投入了这些研究工作。不过,在当时,其机车所需要的速度、加速度和可靠性等方面由非直线电机来推进已足够满足,而用直线电机来推进的话,在其经济性、可靠性等方面尚没有竞争力,但是,直线电机在该领域的应用课题却一直深深地吸引着科研人员的浓厚兴趣。近十几年来,几倍于火车速度的直线电机驱动的高速试验列车终于在日、德、法、英、美等国建立起了试验和试运行线路,获得了实验性的应用和成功。我国也在这方面做了一些尝试性的工作,上海浦东磁浮铁路的建设,标志着世界磁浮铁路进入了一个新的开端。 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。

2.开发应用时代(1956~1970年)

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(E·Laithwaite)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《Induction Machines for Special Purposes》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。

3.实用商品时代(1971-至今)

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(SIEMENS)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。

4.中国直线电机的历史与发展

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,在国内已有较大影响。

二、直线电机的应用 目前,直线电机在世界各国的应用大致可分为五个方面,即物流系统、工业设备、信息与自动化系统、交通与民用、军事及其它。

1.直线电机在物流输送系统中的应用

我国目前邮政系统的邮包、印刷品的物流分拣、输送线绝大部分通过旋转电机采用链传动或连杆等方式。国外一些发达国家则逐步采用了直线电机驱动的,由计算机控制的新型邮政物流分拣输送系统。如日本东京多摩邮局的大型邮政分拣机;丹麦CRISPLANT公司生产的高速包刷分拣机;瑞士、意大利等国的邮袋吊挂推式悬挂机等。与传统的链传动或连杆方式相比,直线电机驱动的物流系统具有高效、低噪、安全可靠、维护方便等优点而获得应用者青睐。我国贵阳普天通信机械厂与浙江大学研制成功的直线电机包刷分拣机,其性能优于国外,其价格仅为国外的1/3。 海关承担着大量物品的进出分拣,过去也和邮政分拣相类似,现在有些海关,如国内深圳海关就采用了由浙江大学提供直线电机驱动的物流分拣线,使用效果很好。 目前许多行业如电工、电子、机械、化工、医药等生产流水线和装配线,一般常采用钢丝绳或链传动,这些传动方式往往噪声大、速度慢、控制不方便,现在世界上已有不少单位开始采用直线电机驱动,包括一些汽车生产线。 在一些新颖的立体化仓库的搬运系统和新型的自动化车库,也开始采用了直线电机,其中采用直线电机的自动化车库是在库地上安装一系列纵向和横向的直线电机初级,而载车板为次级。通过计算机,利用直线电机初次级作用移动汽车进或出。效率和利用率都很高。 此外,直线电机还在水果和蔬菜的分类线上,商场的商品流动线上,餐馆的食品流动线,医院的药品、器械的输送以及银行、商场的票据传送方面得到了应用。 2.直线电机在工业设备中的应用

直线电机在工业设备中的应用,主要在机床业方面比较突出,近几年,国际上对数控机床采用直线电机显得特别热,究其原因是,传统机床的驱动装置依赖丝杆驱动,丝杆驱动本身具有一系列不利因素,如:长度限制、机械间隙、磨擦、扭曲、螺距一周期误差等,而直线电机不仅无此缺陷,且结构简单、精度可以是丝杆的10倍甚至100倍,加速度可以是传统机床的20倍以上。 日本SODICK公司早在1996年就开始在电火花成形机上采用直线电机,他们自行研制了专用的直线电机及与其相配的NC系统;1999年投放市场时,不仅二轴,还有 、 、 三轴均采用了直线电机。在19届JIMTOF上,其展出8台采用直线电机作进给传动的机床,它们是森精机制作所的HVM600卧式加工中心,新日本工机的80L超高速多轴加工中心(multicenter),大阪的超高速卧式加工中心,丰田工机的高速加工机床Linea·M、松浦机械制作所的LX-1超高速小型加工中心、Taylor Mobson的两轴小型超精密镜面加工机床,AID ENGINEERING和山田DOBBY公司的高速成形机床等。除此之外,世界上还有许多公司生产直线电机驱动的机床,如Ingersoll,Kingburg,EX-cell-o,Grob system,Precitech,Renault Automation,Gildemeistre,Deckel Maho和Forest Line等,除一般机床、加工中心采用直线电机外,其它机床如磨床、锯床、激光切割机、等离子切割机、坐标测量机等机床设备上,也采用了直线电机技术。 我国浙江大学、广东工大、清华大学、沈阳工大及南京、宁波、杭州、温州等地一些机床厂也已研制了一些直线电机驱动的机床样机。 直线电机在工业设备中的应用还体现在一些锻压设备上,如浙江大学研制的直线电机驱动的冲压机,它取消了传统冲压机的各种大小皮带轮、齿轮、飞轮、曲轴、联杆等,从而使新的冲压机结构简单、体积小、重量轻、噪声极小、节能、智能化程度高。还有西安交大研制的用弧形直线电机驱动的摩擦压力机、效率和成品率、工效均提高10%,节电、且维修、操作方便。 直线电机还在一些新的冶金工业设备中得到应用,诸如金属自动浇铸,电磁搅拌、铁磁分离、金属拉伸以及金属加工过程中的输送系统等。焦作矿业学院的直线电机驱动的矿用提升机,也是很有前景的矿用提升设备。 3.直线电机在信息与自动化方面的应用

直线电机在信息设备方面的应用主要在计算机设备以及它的输入输出设备方面,在计算机主机上,在硬盘装置方面,直线伺服电动机首先在IBM2314主光驱上使用,后来又在IBM333上采用,日本松下公司,在3.5英寸的磁盘装置上也采用了直线伺服电动机,日本神钢电机公司、富士通公司等也制造了供软驱装置用的直线步进电动机,采用直线电机后,计算机有效地缩短了存取时间,提高了工作效率。此外直线电机也在计算机的输入输出设备中得到了应用。如日本神钢电机公司,富士通公司分别将直线步进电动机和直线直流电动机用于打印机,取得了分辩能力和停止精度提高,加速特性更好的效果。日本松下公司则将直线伺服电动机用于驱动数字扫描仪,使扫描仪总重减轻,启动推力提高,图象波动减少,扫描速度提高近5倍。 至于国内外现有高精度的平面绘图仪,几乎均采用了平面直线步进电动机,它实现了绘图机的高速、高精度、高可靠性及耐久性。这种绘图机,中科院电工所和上海21所早在20世纪80年代就已试制成功。 直线电机在自动化设备方面的应用有如新型的笔式记录仪、自动绕线机、照相机电磁快门、条形码自动读出器等等。

4.直线电机在交通与民用方面的应用

磁悬浮列车改变了传统轨道车辆靠轮轨摩擦力推进的方式,采用磁力悬浮车体、直线电机驱动技术,使列车在轨道上浮起滑行,在交通技术发展史上是一个重大的突破,被誉为21世纪一种理想的交通工具。磁浮车与现有常规车相比,主要优点是:速度快(500km/h);安全,无翻车;无噪声振动;占地小;爬坡强;结构简单;节能。国内外许多国家如德、日、美、法、英、俄、加拿大、韩国、瑞士、瑞典及中国都已投入了这方面的研制,其中尤以德、日最为突出,投入最大,持续时间最大。中国目前除上海的磁浮列车外,还有北京、四川等地也正在进行这方面的工作。直线电机在交通方面的应用,除磁浮列车外,还被应用于电磁推进船的驱动,它将象喷气式飞机优于螺旋桨飞机一样优于一般螺旋桨推进的船舶,美国将其应用于军事舰艇,日本则于1992年6月完成世界上第一艘载人超导直线电磁推进船"大和一号",并在日本神户港正式试航成功。此外,在交通应用方面,直线电机还被应用于驱动地铁车、驱动高速公路车等。 直线电机在民用方面,发展较为迅速,产品较为成熟,应用面广。目前已应用的有直线电机驱动门;直线电机驱动窗和窗帘;直线电机驱动的床、柜、桌、椅,盘型直线电机驱动的冼衣机。空调、冰箱用直线电机压缩机,用直线电机驱动的家用针织机和缝纫机、炒茶机等。特别是用直线电机驱动的电梯,它所具有的结构简单、省材、省空间、高速、低噪声、节能的优点,引起电梯界的极大关注。世界各国一些著名电梯公司正在不断以各种方式进行这方面的试制,并有了少量的产品问世。如日本松下公司与美国奥的斯公司合作的松下奥的斯已生产了千台直线电机电梯。1990年4月,第一台使用直线电机驱动的电梯安装在日本东京丰岛万世大楼。日本三菱公司也曾试制了一台直线电机电梯并曾在国外展出,日立以及富士也都在试制这类产品。日本富士、富士达、川崎重工、石川岛播磨和清水建设5家公司首先推出了一种可同时垂直、水平、曲线线路和有分支线路运行的直线同步电机运输系统。我国浙江大学也已研制了一台10m,可模拟三层运行的直线电机电梯样机。查阅:已获批28个城市的轨道交通线路规划详解图(更新中)查阅:2012年全国各省市城市轨道交通项目概览(更新中)查阅:城市轨道交通中标企业

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