直线电机定子线圈绕线机

直线电机定子线圈绕线机

设计者：茅倩倩 王毓 杜超

指导老师：唐建敏

（常州工学院机电工程学院，常州213002）

摘要：永磁同步直线电机因其效率高、重量轻、运行和维护费用低廉的好处，得到广泛应用。现有的绕线机不能胜任直线电机定子线圈的绕制任务。开发直线电机定子线圈绕线机，是当务之急。

关键词：直线电机定子线圈绕线机；直线电机；教学科研

1.引言

直线电机就是将我们通常见到的圆柱形电动机的静子和动子都展开，其结构主要有两种，长静子或长动子。直线电机已经应用在我们的生活和生产中，大名鼎鼎的上海磁悬浮列车，其实就是一台直线电机，其动子是静止不动的嵌入很多磁极的长长的轨道，静子就是带有通电线圈的列车车体；许多现代加工中心或机床上也会见到直线电机的身影，其移动平台就是一部直线电机，结构类似于磁悬浮列车，静子通电移动，动子是有永久磁铁排列组合成的轴或平台。在军事上，最近刚刚下水的美军最先进的“福特”级航空母舰装备的电磁弹射器，也是一部直线电机，其结构与磁悬浮列车不同，静子通电不动，动子在电磁力的推动下快速移动。

随着现代电子技术的发展，在许多场合已经发生了直线电机取代步进电机的进程，直线电机在我国的研究和应用也引起了人们的重视。

上届同学设计制造了一台直线电机-电磁弹射器演示实验台，苦于没有合适的绕线机，其直线电机定子线圈，全部是手工制作完成的，线圈品质无法保障，既劳神费力又浪费颇多，为此，我们设计制作了一款直线电机定子线圈绕线机。

2.绕线机知识

我们收集了阅读有关绕线机的资料，了解各种绕线机的原理、结构。

按照绕线方式可分为：平绕机、环形绕线机、飞叉绕线机、三维绕线机。 平绕机

由主轴旋转，配合三维通过空间移动定位，使线材在一工件外层以螺旋线排列的绕线机。通常用于加工大多数变压器、电感和各类线圈。它是目前使用最广泛的绕线机。其结构如图1所示。

图1 平绕机结构原理图

环型

通过主轴（储线轮）旋转，配合辅轮动作，使线材在一空心圆形、空心方形或其他类似工件上以螺旋线环型排列的绕线机。通常用于加工环型线圈。

图2 环型绕线机实物

飞叉型

通过侧边电机带动飞叉进行绕线的绕线机。通常用于十字仪表线圈和转子的绕线加工。

图3 飞叉型绕线机

三维型

为了适应特别产品的特殊绕线模式而产生的绕线机。通常用于定子和特殊产品的绕线加工。

图4 三维绕线机

3.设计目标及实现方案描述

分析直线电机定子线圈结构，其定子线圈属于深槽集中绕组，只有三维绕线机才能胜任绕线任务。

图5 直线电机定子结构示意图

图6是绕线机运动示意图，X轴带动直线电机定子做水平往复运动，Y轴带动绕线针做垂直往复运动，四步完成一圈的绕线任务，如图所示。Z轴垂直于X 轴和Y轴，根据所绕导线的直径和排列要求，有规律地做往复运动，完成排线的任务。

图6 绕线运动轨迹示意图

根据XY轴交替直线运动的规律，我们设计了槽轮机构来实现XY轴的绕线功能，迫于槽轮机构对机械加工要求高，只好放弃这一设计，最终决定采用机电一体化方案。图7是直线电机定子的结构示意图。

图7 直线电机定子线圈绕线机结构示意图

4.各部件的选型及其性能

（1）三轴运动控制器：

XC6083运动控制系统，采用高性能32为CPU，可以驱动步进电

机驱动器或交流伺服驱动器。配备液晶显示器，全封闭轻触式

操作键盘。可以现场编程，也可以通过485通讯口与上位机通

讯，下载程序。

主要功能和参数如下：

．系统主要功能：自动、手动、程序编辑、系统参数、自检、设置等；．X、Y、Z两轴联动、三轴联动，支持直线、圆弧插补；

．模拟主轴功能，0-10V模拟量输出及正反转输出；

．脉冲量可转换为多种现实单位；

．强大的PLC功能，30路可编程输入，16路可编程输出；

．支持手轮功能；

．支持用户参数功能（类似宏程序、变量）；

．双坐标系统；

．支持机械零点、软件零点和手动输入零点；

．最小数据单位： 0.001；

．最高脉冲输出频率： 200KHZ；

．电子齿轮：分子（n）：1-65535，分母（m）:1-65535。

（2）步进电机驱动器

步进电机驱动器采用具有细分功能的XC542H型步进电机驱动器，其主要性能如下：

．平均电流控制，两相正弦电流驱动输出；

．直流24-70V供电；

．光耦隔离信号输入输出；

．有过压、欠压、过流、相间短路保护功能；

．十五档细分和自动半流功能；

．高启动转速，高速力矩大等。

（3）步进电机和滚珠丝杠模组

步进电机采用57BYG混合型步进电机，具有1.2N.m扭矩。与之配套的滚珠丝杠模组采用KR100系列滚珠丝杠，螺距5mm,

(4)限位传感器：

在X、Y、Z三轴上，设置六只限位传感器，限定绕线机在安全的范围内运行。

(5)开关电源：

根据三轴运动控制器、步进电机驱动器、步进电机的功率要求，采用两只DC24V 6.5A的开关电源。

5.实物制作

先设计CAD图，根据图纸加工安装板，转接座，导线轮安装座，绕线针安装座等，钻螺纹孔。采用30X30铝型材制作机架，用螺栓和连接件固定。通电源，多次进行实验。

作品照片

装配好的直线电机定子线圈绕线机

购买的三轴运动控制器

6.主要创新

利用三轴联动数控机床技术，设计制作成功了直线电机定子线圈绕线机，填补了直线电机定子线圈绕线机的空白。利用研制成功的直线电机定子线圈绕线机，绕制线圈，不仅减轻了劳动强度，提高了劳动效率，同时也大大提高了定子线圈的品质，助力直线电机----电磁弹射器演示实验台的生产和推广应用。

7.致谢

本作品是在唐老师的精心指导下完成的。感谢唐老师和学校给予的支持和帮助。本作品也凝聚着上届同学的探索，在此一并予以感谢。感谢本次大赛给予的宝贵的实践机会，使我们将设想付诸实践，也培