【直線電機】直線電機原(yuan)理(li)與應用(yong) 直線電機的(de)優缺點

直線電機原理

由定(ding)子(zi)(zi)演變而(er)來(lai)(lai)的(de)一側稱為(wei)初(chu)級(ji)(ji)，由轉子(zi)(zi)演變而(er)來(lai)(lai)的(de)一側稱為(wei)次(ci)(ci)級(ji)(ji)。在(zai)(zai)(zai)實際應(ying)用時(shi)，將初(chu)級(ji)(ji)和次(ci)(ci)級(ji)(ji)制(zhi)造成(cheng)不同的(de)長(chang)(chang)度，以(yi)(yi)(yi)保證在(zai)(zai)(zai)所(suo)需行(xing)程(cheng)范圍內初(chu)級(ji)(ji)與次(ci)(ci)級(ji)(ji)之間的(de)耦(ou)合保持不變。直(zhi)(zhi)線(xian)(xian)電(dian)(dian)機可以(yi)(yi)(yi)是(shi)短(duan)初(chu)級(ji)(ji)長(chang)(chang)次(ci)(ci)級(ji)(ji)，也(ye)可以(yi)(yi)(yi)是(shi)長(chang)(chang)初(chu)級(ji)(ji)短(duan)次(ci)(ci)級(ji)(ji)。考慮到制(zhi)造成(cheng)本、運行(xing)費(fei)用，以(yi)(yi)(yi)直(zhi)(zhi)線(xian)(xian)感應(ying)電(dian)(dian)動(dong)機為(wei)例：當初(chu)級(ji)(ji)繞組(zu)通(tong)入交流電(dian)(dian)源時(shi)，便在(zai)(zai)(zai)氣(qi)(qi)隙中產(chan)生(sheng)行(xing)波(bo)磁(ci)(ci)場(chang)，次(ci)(ci)級(ji)(ji)在(zai)(zai)(zai)行(xing)波(bo)磁(ci)(ci)場(chang)切割下(xia)，將感應(ying)出電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)并(bing)產(chan)生(sheng)電(dian)(dian)流，該電(dian)(dian)流與氣(qi)(qi)隙中的(de)磁(ci)(ci)場(chang)相作(zuo)用就產(chan)生(sheng)電(dian)(dian)磁(ci)(ci)推力。如(ru)果(guo)初(chu)級(ji)(ji)固定(ding)，則次(ci)(ci)級(ji)(ji)在(zai)(zai)(zai)推力作(zuo)用下(xia)做(zuo)直(zhi)(zhi)線(xian)(xian)運動(dong)；反之，則初(chu)級(ji)(ji)做(zuo)直(zhi)(zhi)線(xian)(xian)運動(dong)。直(zhi)(zhi)線(xian)(xian)電(dian)(dian)機的(de)驅動(dong)控(kong)(kong)制(zhi)技(ji)(ji)術(shu)一個直(zhi)(zhi)線(xian)(xian)電(dian)(dian)機應(ying)用系統不僅要有性能(neng)良好的(de)直(zhi)(zhi)線(xian)(xian)電(dian)(dian)機，還(huan)必須具有能(neng)在(zai)(zai)(zai)安全(quan)可靠(kao)的(de)條件(jian)下(xia)實現技(ji)(ji)術(shu)與經濟要求(qiu)的(de)控(kong)(kong)制(zhi)系統。隨著自動(dong)控(kong)(kong)制(zhi)技(ji)(ji)術(shu)與微計算機技(ji)(ji)術(shu)的(de)發展(zhan)，直(zhi)(zhi)線(xian)(xian)電(dian)(dian)機的(de)控(kong)(kong)制(zhi)方法(fa)越(yue)(yue)來(lai)(lai)越(yue)(yue)多(duo)。

對直線電(dian)機(ji)控(kong)制(zhi)技(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)研究基本上可以分(fen)為三個(ge)方面：一是(shi)傳統(tong)控(kong)制(zhi)技(ji)術(shu)(shu)，二是(shi)現代控(kong)制(zhi)技(ji)術(shu)(shu)，三是(shi)智能(neng)控(kong)制(zhi)技(ji)術(shu)(shu)。傳統(tong)的(de)(de)控(kong)制(zhi)技(ji)術(shu)(shu)如(ru)PID反饋(kui)控(kong)制(zhi)、解耦控(kong)制(zhi)等(deng)在(zai)交流(liu)伺(si)服(fu)(fu)系(xi)統(tong)中(zhong)得到了(le)廣泛的(de)(de)應用。其中(zhong)PID控(kong)制(zhi)蘊涵動態(tai)控(kong)制(zhi)過程中(zhong)的(de)(de)信息(xi)，具有(you)(you)較強的(de)(de)魯棒性(xing)(xing)(xing)，是(shi)交流(liu)伺(si)服(fu)(fu)電(dian)機(ji)驅動系(xi)統(tong)中(zhong)最基本的(de)(de)控(kong)制(zhi)方式。為了(le)提高(gao)控(kong)制(zhi)效果，往往采用解耦控(kong)制(zhi)和矢(shi)量控(kong)制(zhi)技(ji)術(shu)(shu)。在(zai)對象模(mo)型(xing)確(que)定(ding)、不(bu)(bu)變(bian)化且是(shi)線性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)以及(ji)(ji)操作條(tiao)件、運行(xing)環境是(shi)確(que)定(ding)不(bu)(bu)變(bian)的(de)(de)條(tiao)件下，采用傳統(tong)控(kong)制(zhi)技(ji)術(shu)(shu)是(shi)簡單有(you)(you)效的(de)(de)。但是(shi)在(zai)高(gao)精度微進給的(de)(de)高(gao)性(xing)(xing)(xing)能(neng)場合(he)，就必須考慮對象結(jie)構(gou)與參數的(de)(de)變(bian)化。各(ge)種非線性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)影(ying)響(xiang)，運行(xing)環境的(de)(de)改變(bian)及(ji)(ji)環境干擾等(deng)時變(bian)和不(bu)(bu)確(que)定(ding)因素，才能(neng)得到滿(man)意的(de)(de)控(kong)制(zhi)效果。因此，現代控(kong)制(zhi)技(ji)術(shu)(shu)在(zai)直線伺(si)服(fu)(fu)電(dian)機(ji)控(kong)制(zhi)的(de)(de)研究中(zhong)引起了(le)很大的(de)(de)重視。常用控(kong)制(zhi)方法有(you)(you)：自適應控(kong)制(zhi)、滑模(mo)變(bian)結(jie)構(gou)控(kong)制(zhi)、魯棒控(kong)制(zhi)及(ji)(ji)智能(neng)控(kong)制(zhi)。主要是(shi)將模(mo)糊邏(luo)輯、神(shen)經網絡(luo)與PID、H∞控(kong)制(zhi)等(deng)現有(you)(you)的(de)(de)成熟的(de)(de)控(kong)制(zhi)方法相結(jie)合(he)，取長補短，以獲得更(geng)好的(de)(de)控(kong)制(zhi)性(xing)(xing)(xing)能(neng)。

直線電機的結構

直線電機的結構可以看作是將一臺旋轉電機沿徑向剖開，并將電機的圓周展開成直線而形成的。其中定子相當于直線電機的初級，轉子相當于直線電機的次級，當初級通入電流后，在初次級之間的氣隙中產生行波磁場，在行波磁場與次級永磁體的作用下產生驅動力，從而實現運動部件的直線運動。

直線電機的特點

高速響應

由于(yu)系統中直(zhi)接取消(xiao)了一些響應時(shi)間常數較大的如絲杠等機(ji)械傳動(dong)件，使(shi)整個閉(bi)環控制系統動(dong)態響應性能大大提高(gao)，反(fan)應異常靈敏(min)快捷。

位(wei)精度高 線(xian)驅動(dong)系統取(qu)消了由于(yu)絲杠等機(ji)械機(ji)構引(yin)起的傳動(dong)誤(wu)差減少了插補時因傳動(dong)系統滯后帶來跟蹤誤(wu)差。通過(guo)直線(xian)位(wei)置檢測反(fan)饋控制，即可大大提(ti)高機(ji)床的定位(wei)精度。

傳(chuan)動環節的彈性(xing)變形、摩擦磨損和反向間隙造成(cheng)的運動滯后(hou)現象，同時提高了(le)其傳(chuan)動剛度。

速度快、加減速過程短

行程長度不(bu)受限制 在導軌上(shang)通過串聯直線電機，就可以無(wu)限延長其行程長度。

動(dong)安靜(jing)、噪音(yin)低 由于(yu)取消(xiao)了傳動(dong)絲杠等部件的(de)機械摩擦(ca)，且導軌(gui)(gui)又可采(cai)用滾(gun)動(dong)導軌(gui)(gui)或磁墊懸浮(fu)導軌(gui)(gui)（無機械接(jie)觸），其運動(dong)時噪音(yin)將大(da)大(da)降(jiang)低。

效率(lv)高(gao) 由于無(wu)中間(jian)傳動(dong)環節(jie)，消除了機械摩擦(ca)時的能量損耗。

直線電機的應用

直線電機(ji)主要應(ying)用于三(san)個方(fang)面：

應用于自動控制系統，這類應用場(chang)合(he)比較(jiao)多；

作(zuo)為(wei)長期連續運行的驅動電機；

應用在需要短時間、短距離內提供巨大的直線運動能的裝(zhuang)置中(zhong)。

U槽(cao)無刷直線電機(ji)可以直接驅動(dong)，無需將轉(zhuan)動(dong)轉(zhuan)為線性(xing)運動(dong)，機(ji)械結構簡(jian)單可靠。電機(ji)運行超(chao)平穩，無齒(chi)槽(cao)效應，動(dong)態響應速度極(ji)快，慣(guan)量小，加速度可達20G，速度達到10-30m/s，低速1μm/s時運(yun)動平滑，剛性高，結構緊湊，可選配直(zhi)線編碼器(qi)做高精度位(wei)置控制，其位(wei)置精度取決于所(suo)選編碼器(qi)。

定子軌道可以按需要連接，因而理論上電機長度不限。電機動子與定子不接觸運動，沒有采用普通絲桿滾珠和皮帶等傳動的磨損、卡死、背隙問題，因此我們的直線電機可以達到免維護長期工作。我們的U型(xing)槽(cao)式(shi)直(zhi)線(xian)電機(ji)分為(wei)鐵芯(xin)和無鐵芯(xin)兩類(lei)，鐵芯(xin)類(lei)直(zhi)線(xian)電機(ji)單位體積出(chu)力(li)更大，非鐵芯(xin)直(zhi)線(xian)電機(ji)無磁(ci)滯和渦流(liu)效(xiao)應，運動更加平滑高速(su)，磁(ci)損耗(hao)少，發熱(re)小。

此類直線電機特別適用于：機器人、致動(dong)器、直線平(ping)臺、光學光纖排列定(ding)位、精密機床、半(ban)導(dao)體(ti)制造、視覺系統(tong)、電子元件接插、工(gong)廠(chang)自動(dong)化等對(dui)運動(dong)系統(tong)的速度和精度同時要(yao)求(qiu)較高的應用場合。

直線電機的優缺點

直線電機的優點

1、結構(gou)簡單。管型(xing)直(zhi)線電(dian)機不需要(yao)經過(guo)中間轉換機構(gou)而直(zhi)接產生直(zhi)線運動，使結構(gou)大(da)(da)大(da)(da)簡化，運動慣量減少，動態響(xiang)應(ying)性能(neng)和定位(wei)精(jing)度大(da)(da)大(da)(da)提高；同時也提高了(le)可靠性，節約了(le)成(cheng)本，使制造(zao)和維護更加簡便。它的初次級(ji)可以直(zhi)接成(cheng)為(wei)機構(gou)的一部分，這種獨特(te)的結合使得這種優勢(shi)進一步體現出來。

2、適合(he)高速直線運動(dong)。因為不存(cun)(cun)在離心力的約束(shu)，普通材料亦可(ke)以(yi)達到較(jiao)高的速度。而(er)且如果初(chu)、次級(ji)間用氣墊(dian)或磁墊(dian)保存(cun)(cun)間隙，運動(dong)時(shi)無機(ji)械接觸，因而(er)運動(dong)部(bu)分也(ye)就無摩(mo)擦(ca)和(he)噪(zao)聲。這(zhe)樣，傳動(dong)零部(bu)件(jian)沒有磨(mo)損(sun)，可(ke)大(da)大(da)減小機(ji)械損(sun)耗，避免拖纜、鋼索、齒輪(lun)與皮帶(dai)輪(lun)等所造成的噪(zao)聲，從(cong)而(er)提(ti)高整體效(xiao)率。

3、初級(ji)繞(rao)組利(li)用(yong)率(lv)高。在(zai)管型直(zhi)線感(gan)應電機(ji)中(zhong)，初級(ji)繞(rao)組是餅(bing)式的，沒有端部繞(rao)組，因而繞(rao)組利(li)用(yong)率(lv)高。

4、無橫(heng)向(xiang)邊緣效應。橫(heng)向(xiang)效應是(shi)指由于橫(heng)向(xiang)開斷(duan)造(zao)成(cheng)的邊界處磁場的削(xue)弱(ruo)，而圓(yuan)筒型直線(xian)電機橫(heng)向(xiang)無開斷(duan)，所以磁場沿(yan)周向(xiang)均勻分布。

5、容易克服單(dan)邊(bian)磁拉力(li)(li)問題(ti)。徑向拉力(li)(li)互相(xiang)抵消，基本(ben)不(bu)存(cun)在單(dan)邊(bian)磁拉力(li)(li)的(de)問題(ti)。

6、易(yi)于調(diao)節(jie)和控制。通(tong)過調(diao)節(jie)電壓或(huo)頻率，或(huo)更換(huan)次級材(cai)料(liao)，可以得(de)到不同的速度、電磁推力，適用于低速往復運行場合。

7、適應性強(qiang)。直線(xian)電(dian)機的(de)(de)初級鐵芯可以用環氧樹脂封成整體，具有(you)較好的(de)(de)防腐、防潮性能，便(bian)于(yu)在潮濕、粉塵和(he)有(you)害氣體的(de)(de)環境中(zhong)使用；而且可以設計成多種結構，滿(man)足不(bu)同情況的(de)(de)需要。

8、高加速度(du)。這是直線(xian)電(dian)機驅動，相比其他絲杠、同(tong)步帶(dai)和齒輪齒條驅動的(de)一個顯(xian)著優勢。

直線電機的缺點

1、直線電機的耗電量大(da)，尤其(qi)在進(jin)行高(gao)荷載、高(gao)加(jia)速度的運動時，機床瞬(shun)間電流對車間的供(gong)電系統帶(dai)來沉(chen)重負荷；

2、振動高，直線(xian)電機(ji)的動態(tai)剛性極(ji)低(di)，不(bu)能起緩沖阻尼作用，在高速運動時容易引起機(ji)床其它部分共振；

3、發(fa)熱(re)量大，固定在工作臺(tai)底(di)部的直(zhi)線(xian)電(dian)機動子是(shi)高發(fa)熱(re)部件，安裝(zhuang)位置(zhi)不利于自然散(san)熱(re)，對(dui)機床的恒溫控制造成很大挑戰；

4、不能自鎖緊(jin)，為了保證操作安全，直(zhi)(zhi)線電機(ji)(ji)驅(qu)動(dong)的(de)運(yun)動(dong)軸，尤其(qi)是垂直(zhi)(zhi)運(yun)動(dong)軸，必須要額(e)外配備(bei)鎖緊(jin)機(ji)(ji)構，增(zeng)加了機(ji)(ji)床的(de)復(fu)雜性(xing)。

隨著高(gao)速加工技術(shu)(shu)的迅(xun)速發展(zhan)(zhan)，對(dui)傳(chuan)動(dong)(dong)(dong)及控制(zhi)系統的要求越來(lai)越高(gao)，使直線(xian)(xian)電(dian)機驅動(dong)(dong)(dong)技術(shu)(shu)的研(yan)究(jiu)力度在逐步加大(da)。現在直線(xian)(xian)電(dian)機的許多缺點已經被(bei)克服，直線(xian)(xian)電(dian)機的動(dong)(dong)(dong)力性能(neng)也(ye)更(geng)加的卓(zhuo)越。直線(xian)(xian)驅動(dong)(dong)(dong)技術(shu)(shu)的研(yan)究(jiu)既(ji)是技術(shu)(shu)向(xiang)更(geng)高(gao)更(geng)快發展(zhan)(zhan)的趨勢(shi)(shi)，同時也(ye)更(geng)能(neng)滿足(zu)市場需(xu)要，帶來(lai)更(geng)大(da)的經濟效(xiao)益，成為未來(lai)發展(zhan)(zhan)的必然(ran)趨勢(shi)(shi)。