直線電機代替液氣缸的控制研究

軒建舉

摘 要：鑒于當前液壓與氣動系統工作中存在的一些問題，根據對直線感應電機原理的分析，著重對直線感應電機運行控制方面設計是否符合液壓與氣動系統工作要求等進行討論。提出了一種新型的“缸體結構”——電推缸，來替代液氣缸。通過一定的理論依據來證明該缸體結構和控制的設計是有效的，即直線感應電機可以代替液氣缸。

關鍵詞：直線電機;液氣缸;電推缸;電機控制

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

在如今機械設備中，液壓和氣動應用廣泛。但是液壓和氣動系統也存在著諸多弊病，譬如：管路復雜，體積龐大、傳動效率低、噪聲大、磨損利害、壽命短，設備制造困難，零件精度高，對環境污染大，故障不易檢測等。而直線電機恰能彌補這些缺陷。用直線電機代替液壓或氣動系統，有以下優點：結構簡單;反應速度快，隨動性好;容易密封，適用性強;穩定可靠，壽命長。此外，它還有控制方便、額定值高、精密定位和自鎖等獨特的優勢。

1 結構設計

目前，在一些有直線運動要求的機械系統中，我們常采用液壓系統或氣壓系統來完成 。 液壓系統或氣壓系統的關鍵部件是液壓缸和氣壓缸，它們都是壓力傳動系統中的執行元件。前者是將液壓能轉換為機械能的能量裝置，后者是將壓力能轉換為機械能的能量裝置。只是其二者工作介質不同，都是用來實現往復直線運動的。因液壓缸和氣壓缸的分類大致相同，都有活塞式缸體。

在科技發展的今天，能完成直線運動要求的動力執行元件，不僅僅只有液壓缸和氣壓缸。我們可以通過一定的機械裝置來改變旋轉電動機的運動方向，來實現直線運動。但還有一種更簡便的方法，那就是采用直線感應電動機。直線感應電動機嚴格地說，就是將旋轉電動機的定子和轉子及磁場氣隙展開成直線狀，使電能直接轉換成直線機械運動的一種推力裝置。它可以根據工作要求通過控制電路的改進完成各種直線方式運動。它由定子和動子組成。定子也稱為初級，它由沖上齒槽的電工鋼片疊壓而成，槽里嵌有繞組。動子也稱為次級導體，一般是用銅或鋁制成的金屬板。定子和動子之間有一定的距離，也就是氣隙。當定子繞組通入單相或三相交流電時，就產生勻速滑行磁場。動子在滑行磁場的作用下，動子導體內產生感應電動勢和感應電流，電流和磁場相互作用便產生了直線電磁拉力，動子在電磁拉力作用下便作直線勻速運動。另外，在直線感應電動機中，還存在與定、動子表面垂直的徑向電磁力。徑向電磁力是單方向的電磁拉力，它可能使電機根本無法運轉，這里我們采用雙邊型結構，來消除單邊電磁拉力。從而，我們可以采用直線感應電動機來代替液壓缸和氣壓缸，實現往復直線運動。將缸體部分用直線感應電動機的初級代替，中間活塞桿用直線感應電動機的次級代替。我們把改進后的這種裝置稱為“電推缸”。另外，在直線感應電動機的初級左右處安裝有彈簧，安裝的位置可以在機殼內也可以在機殼外，我們應根據用戶的工作環境來設計。其作用是使直線感應電動機的初級在啟動時復位，保證在一定的工作有效行程內往復運動的速度相等、推力相等;在空載的情況下，電機豎直放置不致于動體來回晃蕩。同時在機座兩端都安裝有一個行程限位開關，起往復限位保護和往復運動自動切換功能。

2 控制設計

首先，用直線感應電動機的正、反轉控制電路來代替液壓和氣壓系統的工進、工退動作。我們知道工進和工退是液壓和氣壓系統的基本操作指令，工進就是正方向的運動，工退就是反方向的運動。我們可也應用直線感應電動機的正、反轉來實現液壓和氣壓系統的基本操作指令。從電動機工作原理可知，只要將異步電動機定子繞組相序改變，其磁場旋轉方向也改變，異步電動機就可以改變轉動方向。實際電路構成時，可在主電路中用兩組接觸器主觸點構成正轉相序接線和反轉相序接線，控制電路中，控制正轉接觸器線圈得電，其主觸點閉合，電動機正轉，或者反轉接觸器線圈通電，主觸點閉合，電動機反轉。 由于電機的堵轉使其轉子堵住不轉，在這種情況下，s=1，n=0，即電動機在外施電壓下處于靜止狀態。從而，我們可以利用此項特點來完成液壓和氣壓系統的制動和保壓。但要考慮起堵轉電流的大小，以便不至于因電流過大而損壞電機定子繞組。如果用到保壓情況，事先可以采取增大繞組線圈的線徑的方法。當不用保壓時，根據具體情況來取舍結構原理中的繞組，保證有滿足工作要求的推力。這樣我們就實現了液壓和氣壓系統的工進、工退和保壓三個基本功能。液壓和氣壓系統的急停可以用電器控制的停止按鈕來實現。

其次，直線感應電動機往復運動控制電路代替液壓和氣壓系統的往復直線運動。這里我們采用行程開關控制正反轉實現機動控制，由直線感應電動機的次級在工作過程中壓動行程開關，實現直線感應電動機正反轉的自動切換。以此來完成液壓和氣壓系統的往復直線運動。在控制電路中還有短路保護措施，短路保護采用熔斷器，其結構簡單，操作方便，易于維護，其參數的限定值根據堵轉電流的大小來決定，稍高于堵轉電流就可以起到保護作用，也不影響堵轉功能的發揮。具體控制線路如圖1所示：

圖示電路可劃分為主電路和控制電路兩部分。根據具體的應用情況可以取舍一部分電路。

2.1 主電路分析

電推缸是單程運行工作，還是往復運動工作。開始工作前根據實際需要已選定。在如圖1所示的電路中，我們可以隨意的舍棄其中的一種工作方式來完成工作要求，也可以在工作的過程中相互切換，為此，控制電路的單程運行接線和往復運行接線是通過組合開關SA手動完成切換的，切換的過程中需要暫停電推缸的運行。

直線電動機的速度控制可考慮采用改變電源電壓法和改變頻率法。小型直線電動機主要采用調壓控制。中大型直線電動機可采用調壓和調頻并用控制。故而，我們使用的電推缸的速度控制部分可采用自耦變壓器（TU）、晶閘管交流調壓器（VT）和變頻器（SPWM）來控制。

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2.2 控制電路分析

2.2.1 單程運行控制

在圖示單程運行控制電路中，既有長動按鈕，又有點動按鈕。將組合開關SA切換到單程位置。在正向運行按鈕SB2，正向控制接觸器KM1線圈得電，其主觸頭動作。電推缸向前運行，直到夾緊工件后，利用電動機的堵轉實驗原理來保壓，當然，“堵轉”現象是不允許的，我們可以采用加大繞組線圈的線徑來完成，這比在電推缸兩邊加裝制動元件來實現保壓要簡單的多。

2.2.2 往復運行控制

在圖示往復運動控制電路中，將組合開關SA切換到往復位置，按下往復啟動按鈕SB6，正向控制接觸器KM1線圈得電，電推缸向左運行，當電推缸右邊的擋塊碰觸限位開關SQ2時，電推缸正向停止，反向運行開始，反向控制接觸器KM2線圈得電，電推缸右運行，當電推缸左邊的擋塊碰觸限位開關SQ1時，電推缸反向停止，正向運行接通，開始新一輪的往復運動。當需要停止往復運動時，我們可以用組合開關SA或急停按鈕SB1來實現電推缸停止運行的目的。

在往復運動過程中，限位開關SQ1和SQ2起自動反復運動和限位保護作用，在運行過程中正反向具有聯鎖保護功能。

3 結束語

上述僅僅是對單臺工作缸來說的控制，而且是基本電路的代換，液氣壓傳動控制的其他控制回路代替同樣也可以用電氣控制。至于多臺工作缸控制可以應用PLC控制，結構簡單、操作方便可靠。在科學技術飛速發展的今天，在一些旋轉電機或其它驅動裝置無能為力或勉強應付的地方，尋找直線電機能充分發揮優勢的位置，在滿足人類需求和完善人類美好愿望的進程中求得自身的發展，前景是廣闊的，但選擇是要謹慎的。

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