【直線電機(ji)(ji)】直線電機(ji)(ji)原理與(yu)應用 直線電(dian)機的優(you)缺點

直線電機原理

由定子(zi)演(yan)變(bian)(bian)而來的(de)一(yi)側(ce)稱為初(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)，由轉子(zi)演(yan)變(bian)(bian)而來的(de)一(yi)側(ce)稱為次(ci)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)。在(zai)實(shi)(shi)際應用(yong)(yong)(yong)時，將初(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)和次(ci)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)制(zhi)(zhi)(zhi)造成不(bu)同(tong)的(de)長度，以保(bao)證在(zai)所需行(xing)程范圍內初(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)與次(ci)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)之間(jian)的(de)耦合保(bao)持(chi)不(bu)變(bian)(bian)。直線(xian)(xian)(xian)電(dian)機(ji)(ji)可(ke)以是短初(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)長次(ci)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)，也可(ke)以是長初(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)短次(ci)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)。考慮到制(zhi)(zhi)(zhi)造成本、運(yun)行(xing)費用(yong)(yong)(yong)，以直線(xian)(xian)(xian)感(gan)應電(dian)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)為例：當初(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)繞組通入交流(liu)電(dian)源時，便在(zai)氣(qi)隙(xi)中產(chan)生行(xing)波磁(ci)場(chang)(chang)，次(ci)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)在(zai)行(xing)波磁(ci)場(chang)(chang)切(qie)割下，將感(gan)應出電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢并產(chan)生電(dian)流(liu)，該電(dian)流(liu)與氣(qi)隙(xi)中的(de)磁(ci)場(chang)(chang)相作(zuo)用(yong)(yong)(yong)就產(chan)生電(dian)磁(ci)推力(li)(li)。如果初(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)固定，則次(ci)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)在(zai)推力(li)(li)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)下做直線(xian)(xian)(xian)運(yun)動(dong)(dong)(dong)；反之，則初(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)做直線(xian)(xian)(xian)運(yun)動(dong)(dong)(dong)。直線(xian)(xian)(xian)電(dian)機(ji)(ji)的(de)驅動(dong)(dong)(dong)控制(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術一(yi)個直線(xian)(xian)(xian)電(dian)機(ji)(ji)應用(yong)(yong)(yong)系統不(bu)僅要(yao)有性能良好(hao)的(de)直線(xian)(xian)(xian)電(dian)機(ji)(ji)，還(huan)必須(xu)具有能在(zai)安全(quan)可(ke)靠的(de)條件(jian)下實(shi)(shi)現技(ji)術與經濟要(yao)求的(de)控制(zhi)(zhi)(zhi)系統。隨著自動(dong)(dong)(dong)控制(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術與微計算機(ji)(ji)技(ji)術的(de)發展，直線(xian)(xian)(xian)電(dian)機(ji)(ji)的(de)控制(zhi)(zhi)(zhi)方法越來越多。

對(dui)(dui)直線電機(ji)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技術的(de)(de)研(yan)究基(ji)本上可以分為三個方(fang)(fang)面：一(yi)是(shi)(shi)傳(chuan)統(tong)(tong)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技術，二是(shi)(shi)現代控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技術，三是(shi)(shi)智能(neng)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技術。傳(chuan)統(tong)(tong)的(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技術如PID反饋控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、解耦控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)等在(zai)(zai)交(jiao)流伺(si)服系(xi)統(tong)(tong)中(zhong)得到(dao)了(le)(le)(le)廣泛的(de)(de)應用(yong)。其中(zhong)PID控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)蘊涵動態控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)過程中(zhong)的(de)(de)信息，具(ju)有(you)較(jiao)強的(de)(de)魯棒性，是(shi)(shi)交(jiao)流伺(si)服電機(ji)驅(qu)動系(xi)統(tong)(tong)中(zhong)最(zui)基(ji)本的(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)(fang)式。為了(le)(le)(le)提高(gao)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)效果(guo)(guo)，往往采用(yong)解耦控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)和矢量控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技術。在(zai)(zai)對(dui)(dui)象(xiang)模型確(que)定(ding)、不變(bian)化且是(shi)(shi)線性的(de)(de)以及操作(zuo)條件、運行(xing)環(huan)境是(shi)(shi)確(que)定(ding)不變(bian)的(de)(de)條件下，采用(yong)傳(chuan)統(tong)(tong)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技術是(shi)(shi)簡(jian)單(dan)有(you)效的(de)(de)。但是(shi)(shi)在(zai)(zai)高(gao)精度微進(jin)給(gei)的(de)(de)高(gao)性能(neng)場合，就(jiu)必須考慮對(dui)(dui)象(xiang)結(jie)構(gou)(gou)與參數的(de)(de)變(bian)化。各(ge)種(zhong)非線性的(de)(de)影響，運行(xing)環(huan)境的(de)(de)改變(bian)及環(huan)境干擾(rao)等時(shi)變(bian)和不確(que)定(ding)因素，才(cai)能(neng)得到(dao)滿(man)意(yi)的(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)效果(guo)(guo)。因此，現代控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技術在(zai)(zai)直線伺(si)服電機(ji)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)研(yan)究中(zhong)引(yin)起了(le)(le)(le)很(hen)大的(de)(de)重視。常用(yong)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)(fang)法有(you)：自適應控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、滑模變(bian)結(jie)構(gou)(gou)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、魯棒控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)及智能(neng)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。主(zhu)要是(shi)(shi)將模糊邏輯、神經網絡與PID、H∞控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)等現有(you)的(de)(de)成熟的(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)(fang)法相結(jie)合，取長補短(duan)，以獲得更好的(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)性能(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

由于系(xi)統中直(zhi)接(jie)取消了一些響應時間常(chang)數較大(da)的如絲杠等(deng)機械(xie)傳動件，使(shi)整個閉環控制系(xi)統動態響應性能(neng)大(da)大(da)提高，反應異常(chang)靈(ling)敏(min)快捷。

位(wei)精度(du)高 線(xian)驅動(dong)(dong)系統取消(xiao)了由于絲杠(gang)等機械(xie)機構引起的傳(chuan)動(dong)(dong)誤差(cha)減少了插補時因傳(chuan)動(dong)(dong)系統滯后帶來跟蹤誤差(cha)。通(tong)過直線(xian)位(wei)置(zhi)檢測(ce)反饋(kui)控制，即可大大提高機床的定(ding)位(wei)精度(du)。

傳動(dong)(dong)環節的(de)彈性(xing)變形、摩擦磨損和(he)反向間隙(xi)造(zao)成的(de)運(yun)動(dong)(dong)滯后現象，同時提高了其傳動(dong)(dong)剛(gang)度(du)。

速度快、加減速過程短

行程(cheng)長(chang)度(du)(du)不受限制(zhi) 在(zai)導軌上(shang)通(tong)過串(chuan)聯直(zhi)線(xian)電機，就可以無限延長(chang)其行程(cheng)長(chang)度(du)(du)。

動(dong)安靜、噪音低(di) 由于取(qu)消了(le)傳動(dong)絲杠等(deng)部件(jian)的機械(xie)摩擦，且導(dao)軌又可采(cai)用滾動(dong)導(dao)軌或磁墊(dian)懸浮導(dao)軌（無(wu)機械(xie)接觸），其運動(dong)時(shi)噪音將大大降低(di)。

效率高 由于無中間傳動環節(jie)，消除了機械(xie)摩(mo)擦(ca)時的能量損(sun)耗。

直線電機的應用

直(zhi)線電機主要應用(yong)于三個方面：

應(ying)用(yong)于自動(dong)控(kong)制系統，這類應(ying)用(yong)場(chang)合(he)比較多；

作(zuo)為長期連續運(yun)行的驅動電機；

應用在需要短時間、短距離內提(ti)供巨大的直線運(yun)動能的裝置中。

U槽(cao)無刷直線電(dian)機可以(yi)直接驅動(dong)，無需將轉動(dong)轉為線性運(yun)動(dong)，機械(xie)結構簡單可靠。電(dian)機運(yun)行超(chao)平(ping)穩，無齒槽(cao)效應，動(dong)態響(xiang)應速度極(ji)快(kuai)，慣量小，加速度可達20G，速度達到(dao)10-30m/s，低速1μm/s時(shi)運(yun)動(dong)平滑，剛性高(gao)，結構緊湊，可選配(pei)直線編碼器做高(gao)精(jing)度位(wei)置控制(zhi)，其位(wei)置精(jing)度取決于所選編碼器。

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型槽(cao)式直線(xian)電(dian)(dian)機分為鐵芯和(he)無(wu)鐵芯兩(liang)類，鐵芯類直線(xian)電(dian)(dian)機單位(wei)體(ti)積出(chu)力更大，非鐵芯直線(xian)電(dian)(dian)機無(wu)磁(ci)滯和(he)渦流效(xiao)應，運動更加平滑高速，磁(ci)損耗少，發熱(re)小(xiao)。

此類直線電機特別適用于：機器人、致動器、直線平臺、光(guang)學光(guang)纖排(pai)列定位(wei)、精密機床、半導體制造、視覺系統、電子元件接插、工廠自(zi)動化等(deng)對(dui)運動系統的速(su)度和精度同時要求較高的應用場合。

直線電機的優缺點

直線電機的優點

1、結(jie)構簡(jian)(jian)單。管型直線電機不需要經過中間轉換(huan)機構而直接(jie)產生(sheng)直線運動(dong)(dong)，使(shi)結(jie)構大(da)大(da)簡(jian)(jian)化，運動(dong)(dong)慣量減少，動(dong)(dong)態響應性能和(he)定位精度(du)大(da)大(da)提高；同時也提高了(le)可(ke)靠性，節約了(le)成本(ben)，使(shi)制造和(he)維護更加簡(jian)(jian)便。它(ta)的(de)初次(ci)級可(ke)以直接(jie)成為機構的(de)一部分，這種(zhong)獨特的(de)結(jie)合使(shi)得(de)這種(zhong)優勢(shi)進一步體現出來。

2、適(shi)合高速直線運動(dong)。因為不存(cun)在離心力的約束，普通材料亦可(ke)以達到(dao)較高的速度。而且如果初、次級間用氣墊(dian)或磁墊(dian)保存(cun)間隙，運動(dong)時無機械接觸，因而運動(dong)部分(fen)也(ye)就無摩擦和噪聲。這樣，傳動(dong)零部件沒有磨損，可(ke)大大減小(xiao)機械損耗(hao)，避免拖纜(lan)、鋼(gang)索、齒輪(lun)與皮帶(dai)輪(lun)等(deng)所造成的噪聲，從而提高整體效率。

3、初級(ji)繞組(zu)利用(yong)率高。在管型直(zhi)線(xian)感應電(dian)機中，初級(ji)繞組(zu)是餅式的，沒有(you)端部繞組(zu)，因而繞組(zu)利用(yong)率高。

4、無(wu)(wu)橫(heng)向(xiang)(xiang)邊緣效應(ying)。橫(heng)向(xiang)(xiang)效應(ying)是指由于橫(heng)向(xiang)(xiang)開斷(duan)造成的邊界(jie)處磁(ci)場的削弱(ruo)，而圓筒型(xing)直線電機橫(heng)向(xiang)(xiang)無(wu)(wu)開斷(duan)，所以磁(ci)場沿(yan)周向(xiang)(xiang)均勻分布(bu)。

5、容易克服(fu)單邊磁拉力(li)問(wen)題。徑向拉力(li)互相抵消，基(ji)本不存在單邊磁拉力(li)的(de)問(wen)題。

6、易于調節和控制(zhi)。通過調節電壓或頻率，或更(geng)換次(ci)級材料，可以得到不同的(de)速度、電磁推力，適用于低(di)速往復運行場(chang)合。

7、適(shi)應性(xing)強(qiang)。直(zhi)線(xian)電(dian)機的初級鐵芯可(ke)以用環氧樹脂封成整(zheng)體(ti)，具有較好(hao)的防(fang)腐、防(fang)潮性(xing)能(neng)，便于在(zai)潮濕、粉塵和有害氣(qi)體(ti)的環境(jing)中使用；而且可(ke)以設計成多種結構，滿足(zu)不同(tong)情況的需要。

8、高加速度。這是直線電機驅動，相比其他絲杠、同步帶和齒(chi)輪(lun)齒(chi)條驅動的(de)一(yi)個顯著(zhu)優勢。

直線電機的缺點

1、直線電機(ji)的耗電量大，尤(you)其(qi)在進行高荷載、高加速度的運動時，機(ji)床瞬間電流對車間的供(gong)電系(xi)統(tong)帶來沉重負荷；

2、振動(dong)高，直線電機的動(dong)態剛(gang)性(xing)極低，不能起緩沖阻尼作用，在高速運動(dong)時容(rong)易引起機床(chuang)其(qi)它部(bu)分共振；

3、發熱(re)量(liang)大，固(gu)定在工作臺(tai)底部的直線電機動(dong)子是高發熱(re)部件，安裝位(wei)置不(bu)利于(yu)自(zi)然(ran)散熱(re)，對機床的恒溫控制造成很大挑(tiao)戰；

4、不能自鎖(suo)緊，為(wei)了(le)保證操作安全，直線電機驅動(dong)的運動(dong)軸，尤其是垂(chui)直運動(dong)軸，必(bi)須(xu)要額外配備(bei)鎖(suo)緊機構(gou)，增加(jia)了(le)機床(chuang)的復(fu)雜性。

隨著高速(su)加工(gong)技術的(de)(de)(de)(de)(de)迅(xun)速(su)發(fa)展，對傳動及(ji)控(kong)制系(xi)統的(de)(de)(de)(de)(de)要(yao)(yao)求越來(lai)越高，使直(zhi)線(xian)(xian)電(dian)(dian)機(ji)驅動技術的(de)(de)(de)(de)(de)研究(jiu)力(li)度在逐步加大。現在直(zhi)線(xian)(xian)電(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)許(xu)多缺點已經被克服，直(zhi)線(xian)(xian)電(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)動力(li)性(xing)能也更(geng)加的(de)(de)(de)(de)(de)卓越。直(zhi)線(xian)(xian)驅動技術的(de)(de)(de)(de)(de)研究(jiu)既是技術向更(geng)高更(geng)快發(fa)展的(de)(de)(de)(de)(de)趨勢，同時也更(geng)能滿(man)足市場(chang)需要(yao)(yao)，帶來(lai)更(geng)大的(de)(de)(de)(de)(de)經濟效益，成為未來(lai)發(fa)展的(de)(de)(de)(de)(de)必(bi)然趨勢。