【直(zhi)線電(dian)機】直(zhi)線電(dian)機原理與應用 直線電機的優缺(que)點

直線電機原理

由定子演變而來(lai)的(de)(de)(de)(de)一側稱(cheng)為初級(ji)(ji)(ji)(ji)，由轉子演變而來(lai)的(de)(de)(de)(de)一側稱(cheng)為次級(ji)(ji)(ji)(ji)。在(zai)實際應用時(shi)，將初級(ji)(ji)(ji)(ji)和次級(ji)(ji)(ji)(ji)制(zhi)(zhi)造成不同的(de)(de)(de)(de)長度，以保(bao)證在(zai)所需行(xing)程范圍內初級(ji)(ji)(ji)(ji)與(yu)(yu)次級(ji)(ji)(ji)(ji)之間的(de)(de)(de)(de)耦合保(bao)持(chi)不變。直(zhi)線(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)可(ke)以是短(duan)初級(ji)(ji)(ji)(ji)長次級(ji)(ji)(ji)(ji)，也可(ke)以是長初級(ji)(ji)(ji)(ji)短(duan)次級(ji)(ji)(ji)(ji)。考(kao)慮到制(zhi)(zhi)造成本、運行(xing)費用，以直(zhi)線(xian)感應電(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)機(ji)(ji)為例(li)：當初級(ji)(ji)(ji)(ji)繞組通(tong)入交流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)源時(shi)，便在(zai)氣(qi)隙中(zhong)產生(sheng)行(xing)波磁場(chang)，次級(ji)(ji)(ji)(ji)在(zai)行(xing)波磁場(chang)切割下(xia)，將感應出電(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)勢并(bing)產生(sheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，該電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)與(yu)(yu)氣(qi)隙中(zhong)的(de)(de)(de)(de)磁場(chang)相作用就產生(sheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)磁推力。如果初級(ji)(ji)(ji)(ji)固定，則(ze)次級(ji)(ji)(ji)(ji)在(zai)推力作用下(xia)做直(zhi)線(xian)運動(dong)；反之，則(ze)初級(ji)(ji)(ji)(ji)做直(zhi)線(xian)運動(dong)。直(zhi)線(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)控(kong)制(zhi)(zhi)技術一個直(zhi)線(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)應用系統不僅(jin)要有(you)性能(neng)良好的(de)(de)(de)(de)直(zhi)線(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)，還必須(xu)具有(you)能(neng)在(zai)安全可(ke)靠的(de)(de)(de)(de)條件下(xia)實現(xian)技術與(yu)(yu)經濟要求(qiu)的(de)(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)系統。隨著自動(dong)控(kong)制(zhi)(zhi)技術與(yu)(yu)微計算機(ji)(ji)技術的(de)(de)(de)(de)發(fa)展，直(zhi)線(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)方法越(yue)(yue)來(lai)越(yue)(yue)多。

對直線電(dian)機(ji)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)研(yan)究基(ji)本上可(ke)以(yi)(yi)分(fen)為三個(ge)方(fang)面：一是(shi)(shi)傳統控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)(shu)(shu)，二是(shi)(shi)現代控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)(shu)(shu)，三是(shi)(shi)智能(neng)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)(shu)(shu)。傳統的(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)(shu)(shu)如(ru)PID反饋(kui)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、解耦控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)等在(zai)(zai)交流(liu)伺(si)服系(xi)統中得到(dao)了廣泛(fan)的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)(yong)。其中PID控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)蘊涵動(dong)態控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)過程中的(de)(de)(de)信息，具有(you)較強的(de)(de)(de)魯棒(bang)(bang)性(xing)，是(shi)(shi)交流(liu)伺(si)服電(dian)機(ji)驅動(dong)系(xi)統中最(zui)基(ji)本的(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)式。為了提高(gao)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)效果，往(wang)往(wang)采用(yong)(yong)(yong)解耦控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)和矢量控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)(shu)(shu)。在(zai)(zai)對象模型確定(ding)、不(bu)變化(hua)且是(shi)(shi)線性(xing)的(de)(de)(de)以(yi)(yi)及(ji)操(cao)作條(tiao)件、運(yun)行環境是(shi)(shi)確定(ding)不(bu)變的(de)(de)(de)條(tiao)件下，采用(yong)(yong)(yong)傳統控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)(shu)(shu)是(shi)(shi)簡(jian)單有(you)效的(de)(de)(de)。但是(shi)(shi)在(zai)(zai)高(gao)精度微(wei)進(jin)給的(de)(de)(de)高(gao)性(xing)能(neng)場合，就必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)對象結(jie)構與(yu)參數的(de)(de)(de)變化(hua)。各種非線性(xing)的(de)(de)(de)影響，運(yun)行環境的(de)(de)(de)改(gai)變及(ji)環境干擾等時變和不(bu)確定(ding)因素(su)，才能(neng)得到(dao)滿意的(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)效果。因此，現代控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)(shu)(shu)在(zai)(zai)直線伺(si)服電(dian)機(ji)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)研(yan)究中引起了很大的(de)(de)(de)重(zhong)視。常用(yong)(yong)(yong)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)法有(you)：自適應(ying)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、滑模變結(jie)構控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、魯棒(bang)(bang)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)及(ji)智能(neng)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。主(zhu)要(yao)是(shi)(shi)將(jiang)模糊邏輯、神(shen)經網絡與(yu)PID、H∞控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)等現有(you)的(de)(de)(de)成熟(shu)的(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)法相結(jie)合，取(qu)長(chang)補短(duan)，以(yi)(yi)獲得更好的(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)性(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

由于系統中直(zhi)接(jie)取消(xiao)了(le)一些響應(ying)時間(jian)常(chang)數(shu)較大(da)(da)的(de)如絲杠等(deng)機械傳動件(jian)，使整(zheng)個閉環控制系統動態響應(ying)性能大(da)(da)大(da)(da)提高，反應(ying)異常(chang)靈敏快捷。

位精(jing)度高(gao) 線(xian)(xian)驅動(dong)系統取消(xiao)了由(you)于絲杠等(deng)機(ji)械機(ji)構(gou)引起(qi)的傳動(dong)誤(wu)差減少了插(cha)補(bu)時因傳動(dong)系統滯(zhi)后帶來跟(gen)蹤(zong)誤(wu)差。通(tong)過直線(xian)(xian)位置(zhi)檢測反饋(kui)控(kong)制，即(ji)可大(da)大(da)提高(gao)機(ji)床的定位精(jing)度。

傳動環(huan)節的彈(dan)性(xing)變形(xing)、摩擦(ca)磨損和反向間隙(xi)造成(cheng)的運(yun)動滯后現象，同(tong)時提高了其傳動剛度。

速度快、加減速過程短

行程(cheng)(cheng)長(chang)度不(bu)受(shou)限(xian)制(zhi) 在導軌上(shang)通過串聯直線(xian)電機，就可(ke)以(yi)無限(xian)延長(chang)其行程(cheng)(cheng)長(chang)度。

動(dong)(dong)(dong)安靜、噪音低 由于取消了傳動(dong)(dong)(dong)絲杠等(deng)部件的機械(xie)摩擦(ca)，且導(dao)軌又可采用滾動(dong)(dong)(dong)導(dao)軌或(huo)磁墊懸浮(fu)導(dao)軌（無機械(xie)接觸），其運(yun)動(dong)(dong)(dong)時(shi)噪音將大(da)大(da)降低。

效率高 由于無(wu)中間(jian)傳動環節，消除了機械摩擦(ca)時(shi)的(de)能(neng)量損耗。

直線電機的應用

直(zhi)線電(dian)機主要應用于三(san)個方面(mian)：

應用(yong)于自動控制(zhi)系統，這類應用(yong)場合(he)比較多；

作為長期(qi)連續運行的驅動電機；

應用(yong)在需要(yao)短時(shi)間(jian)、短距離內提供巨大的(de)直(zhi)線(xian)運動能的(de)裝置(zhi)中。

U槽無(wu)刷直線電(dian)機可(ke)以直接驅動(dong)，無(wu)需將(jiang)轉動(dong)轉為線性運動(dong)，機械結構簡單可(ke)靠。電(dian)機運行超平穩，無(wu)齒槽效應，動(dong)態(tai)響應速度極(ji)快(kuai)，慣量小，加速度可(ke)達20G，速(su)度(du)達到10-30m/s，低速1μm/s時運動平滑，剛性高(gao)，結構緊湊(cou)，可選(xuan)配直線編(bian)碼器做高(gao)精(jing)度位置控制，其位置精(jing)度取決于(yu)所選(xuan)編(bian)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型槽式直線電機(ji)分為鐵(tie)芯(xin)(xin)和無鐵(tie)芯(xin)(xin)兩類，鐵(tie)芯(xin)(xin)類直線電機(ji)單位體積出力更大，非鐵(tie)芯(xin)(xin)直線電機(ji)無磁滯和渦(wo)流效應，運動更加平(ping)滑高速，磁損(sun)耗少，發(fa)熱小(xiao)。

此類直線電機特別適用于：機器人、致動器、直(zhi)線平臺、光(guang)學光(guang)纖排列(lie)定位、精密機床、半導體制造(zao)、視覺系(xi)(xi)統(tong)、電子元件接插、工廠自動化等對運動系(xi)(xi)統(tong)的速度和精度同時(shi)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)構簡單。管(guan)型直(zhi)線(xian)電機(ji)不(bu)需要經(jing)過中間(jian)轉(zhuan)換機(ji)構而直(zhi)接(jie)產生(sheng)直(zhi)線(xian)運(yun)動，使結(jie)構大大簡化，運(yun)動慣量減(jian)少，動態(tai)響應性能(neng)和定位(wei)精度大大提高；同時也提高了(le)(le)可靠(kao)性，節(jie)約了(le)(le)成本(ben)，使制造和維護更加(jia)簡便(bian)。它(ta)的(de)初(chu)次級可以直(zhi)接(jie)成為機(ji)構的(de)一部分，這(zhe)種獨特(te)的(de)結(jie)合使得這(zhe)種優勢進一步體現(xian)出來(lai)。

2、適(shi)合高(gao)速(su)直線(xian)運動(dong)(dong)(dong)。因為不存在離心(xin)力的約束(shu)，普通材(cai)料亦可(ke)以達到較高(gao)的速(su)度。而且(qie)如果初、次級(ji)間(jian)用氣(qi)墊或磁墊保存間(jian)隙(xi)，運動(dong)(dong)(dong)時無機(ji)(ji)械(xie)接觸，因而運動(dong)(dong)(dong)部(bu)分也就無摩擦和(he)噪(zao)聲(sheng)(sheng)。這(zhe)樣，傳動(dong)(dong)(dong)零(ling)部(bu)件沒有磨損，可(ke)大(da)大(da)減小機(ji)(ji)械(xie)損耗，避免拖纜、鋼索、齒(chi)輪與皮(pi)帶輪等所造成的噪(zao)聲(sheng)(sheng)，從而提高(gao)整(zheng)體效率。

3、初級繞(rao)組(zu)利用(yong)率(lv)高。在管型直線感應電(dian)機中，初級繞(rao)組(zu)是餅式(shi)的，沒有(you)端部繞(rao)組(zu)，因而(er)繞(rao)組(zu)利用(yong)率(lv)高。

4、無橫向(xiang)邊緣(yuan)效應。橫向(xiang)效應是(shi)指由于橫向(xiang)開(kai)(kai)斷造成的(de)邊界(jie)處磁(ci)場(chang)的(de)削弱，而圓筒型(xing)直(zhi)線電機橫向(xiang)無開(kai)(kai)斷，所以磁(ci)場(chang)沿周向(xiang)均勻分(fen)布。

5、容(rong)易克服(fu)單(dan)(dan)邊(bian)磁(ci)(ci)拉力(li)問(wen)題。徑向拉力(li)互相抵消，基本(ben)不存(cun)在單(dan)(dan)邊(bian)磁(ci)(ci)拉力(li)的(de)問(wen)題。

6、易于調(diao)節和(he)控制。通過(guo)調(diao)節電(dian)壓或頻(pin)率，或更換次級材料，可以得(de)到不同(tong)的速度(du)、電(dian)磁推力(li)，適用于低速往復(fu)運行場合。

7、適應性強。直線(xian)電機的(de)初(chu)級鐵(tie)芯可以(yi)用環氧樹脂封成整(zheng)體(ti)，具有(you)較好的(de)防腐、防潮(chao)性能(neng)，便于在潮(chao)濕、粉塵和有(you)害(hai)氣體(ti)的(de)環境(jing)中使用；而且可以(yi)設計成多種結(jie)構，滿足不同情況的(de)需(xu)要。

8、高加(jia)速度。這是直線電機驅(qu)動，相比其他絲杠、同步帶(dai)和(he)齒輪(lun)齒條驅(qu)動的一個顯(xian)著優勢(shi)。

直線電機的缺點

1、直線(xian)電機的耗電量大(da)，尤其在進(jin)行高荷載、高加速度的運動時，機床瞬間電流對車(che)間的供電系統(tong)帶來沉重負荷；

2、振動(dong)高(gao)，直線電機的動(dong)態剛性極低，不能起緩沖阻尼作用，在高(gao)速運(yun)動(dong)時容易(yi)引起機床其它部分共(gong)振；

3、發熱量大(da)，固定(ding)在工(gong)作臺(tai)底部(bu)的直線電機動子是高(gao)發熱部(bu)件，安裝位置不利于自然散熱，對機床的恒溫控制造成很大(da)挑(tiao)戰；

4、不能自鎖緊，為了(le)保(bao)證操(cao)作安全，直線電機(ji)驅動(dong)(dong)的運動(dong)(dong)軸(zhou)，尤其是垂(chui)直運動(dong)(dong)軸(zhou)，必須要額外配(pei)備鎖緊機(ji)構(gou)，增(zeng)加了(le)機(ji)床的復雜性。

隨著高速加(jia)工技(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)迅速發(fa)展，對傳動(dong)及(ji)控(kong)制系(xi)統的(de)(de)要求(qiu)越(yue)(yue)來越(yue)(yue)高，使直(zhi)(zhi)線(xian)電(dian)機驅(qu)動(dong)技(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)研究力度在(zai)逐(zhu)步加(jia)大。現在(zai)直(zhi)(zhi)線(xian)電(dian)機的(de)(de)許多缺(que)點已經被克服(fu)，直(zhi)(zhi)線(xian)電(dian)機的(de)(de)動(dong)力性能(neng)也更加(jia)的(de)(de)卓越(yue)(yue)。直(zhi)(zhi)線(xian)驅(qu)動(dong)技(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)研究既是技(ji)術(shu)(shu)向(xiang)更高更快發(fa)展的(de)(de)趨(qu)勢，同時也更能(neng)滿(man)足市場需要，帶來更大的(de)(de)經濟效益(yi)，成為未(wei)來發(fa)展的(de)(de)必然(ran)趨(qu)勢。