【直線(xian)電機】直線(xian)電機原理與應用(yong) 直線電機的優缺(que)點(dian)

直線電機原理

由定(ding)子演(yan)變而(er)來的(de)(de)一側稱(cheng)為(wei)初(chu)(chu)(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)，由轉子演(yan)變而(er)來的(de)(de)一側稱(cheng)為(wei)次(ci)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)。在(zai)實際應用(yong)時，將初(chu)(chu)(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)次(ci)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)制造成不同的(de)(de)長(chang)度，以保證(zheng)在(zai)所需行(xing)(xing)(xing)程范圍內初(chu)(chu)(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)與(yu)次(ci)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)之(zhi)間的(de)(de)耦合保持不變。直(zhi)(zhi)線(xian)電(dian)(dian)機(ji)可以是(shi)(shi)短(duan)初(chu)(chu)(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)長(chang)次(ci)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)，也可以是(shi)(shi)長(chang)初(chu)(chu)(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)短(duan)次(ci)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)。考慮到(dao)制造成本、運(yun)行(xing)(xing)(xing)費用(yong)，以直(zhi)(zhi)線(xian)感(gan)應電(dian)(dian)動(dong)機(ji)為(wei)例(li)：當初(chu)(chu)(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)繞(rao)組通入交流(liu)電(dian)(dian)源(yuan)時，便(bian)在(zai)氣隙中(zhong)產生(sheng)行(xing)(xing)(xing)波(bo)(bo)磁(ci)場，次(ci)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)在(zai)行(xing)(xing)(xing)波(bo)(bo)磁(ci)場切割下，將感(gan)應出電(dian)(dian)動(dong)勢并(bing)產生(sheng)電(dian)(dian)流(liu)，該(gai)電(dian)(dian)流(liu)與(yu)氣隙中(zhong)的(de)(de)磁(ci)場相(xiang)作(zuo)用(yong)就產生(sheng)電(dian)(dian)磁(ci)推(tui)力。如果初(chu)(chu)(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)固定(ding)，則(ze)(ze)次(ci)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)在(zai)推(tui)力作(zuo)用(yong)下做(zuo)直(zhi)(zhi)線(xian)運(yun)動(dong)；反之(zhi)，則(ze)(ze)初(chu)(chu)(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)做(zuo)直(zhi)(zhi)線(xian)運(yun)動(dong)。直(zhi)(zhi)線(xian)電(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)驅(qu)動(dong)控制技術(shu)一個直(zhi)(zhi)線(xian)電(dian)(dian)機(ji)應用(yong)系(xi)統不僅要(yao)有性能良(liang)好(hao)的(de)(de)直(zhi)(zhi)線(xian)電(dian)(dian)機(ji)，還必須(xu)具(ju)有能在(zai)安(an)全可靠的(de)(de)條(tiao)件(jian)下實現(xian)技術(shu)與(yu)經(jing)濟要(yao)求的(de)(de)控制系(xi)統。隨著自(zi)動(dong)控制技術(shu)與(yu)微計算機(ji)技術(shu)的(de)(de)發展，直(zhi)(zhi)線(xian)電(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)控制方法越(yue)來越(yue)多。

對直(zhi)線電(dian)機(ji)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)的(de)(de)研究基(ji)本(ben)上可以分為(wei)(wei)三個方面：一(yi)是(shi)(shi)傳統(tong)(tong)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)，二是(shi)(shi)現(xian)代(dai)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)，三是(shi)(shi)智能控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)。傳統(tong)(tong)的(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)如PID反饋(kui)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、解耦控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)等在交流伺服(fu)系統(tong)(tong)中(zhong)(zhong)得(de)到了(le)廣泛的(de)(de)應(ying)用。其中(zhong)(zhong)PID控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)蘊涵(han)動(dong)(dong)態控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)過程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)信息，具有較強的(de)(de)魯(lu)棒性(xing)，是(shi)(shi)交流伺服(fu)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)(dong)系統(tong)(tong)中(zhong)(zhong)最基(ji)本(ben)的(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方式。為(wei)(wei)了(le)提高(gao)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)效(xiao)果，往(wang)往(wang)采(cai)用解耦控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)和矢量(liang)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)。在對象模(mo)型確(que)定(ding)、不變(bian)化且(qie)是(shi)(shi)線性(xing)的(de)(de)以及(ji)(ji)操作條(tiao)件、運行(xing)環境(jing)是(shi)(shi)確(que)定(ding)不變(bian)的(de)(de)條(tiao)件下，采(cai)用傳統(tong)(tong)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)是(shi)(shi)簡單(dan)有效(xiao)的(de)(de)。但是(shi)(shi)在高(gao)精度微(wei)進(jin)給(gei)的(de)(de)高(gao)性(xing)能場合(he)，就必須考慮(lv)對象結(jie)構與參數的(de)(de)變(bian)化。各種非線性(xing)的(de)(de)影響，運行(xing)環境(jing)的(de)(de)改變(bian)及(ji)(ji)環境(jing)干擾等時(shi)變(bian)和不確(que)定(ding)因(yin)素(su)，才能得(de)到滿意(yi)的(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)效(xiao)果。因(yin)此，現(xian)代(dai)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)在直(zhi)線伺服(fu)電(dian)機(ji)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)研究中(zhong)(zhong)引起(qi)了(le)很大的(de)(de)重(zhong)視。常用控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方法有：自適應(ying)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、滑模(mo)變(bian)結(jie)構控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、魯(lu)棒控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)及(ji)(ji)智能控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。主(zhu)要是(shi)(shi)將模(mo)糊邏輯(ji)、神經網絡與PID、H∞控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)等現(xian)有的(de)(de)成熟的(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方法相(xiang)結(jie)合(he)，取長補短，以獲得(de)更(geng)好(hao)的(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)性(xing)能。

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(zhong)直(zhi)接(jie)取消(xiao)了一些(xie)響應時間常數較大的如絲杠(gang)等機械傳動(dong)件(jian)，使整個閉(bi)環控制系統動(dong)態(tai)響應性(xing)能大大提高，反應異常靈敏(min)快捷。

位(wei)精度(du)高 線驅(qu)動(dong)系統取消(xiao)了由(you)于絲杠(gang)等機(ji)(ji)械機(ji)(ji)構引起的傳動(dong)誤(wu)差減少了插(cha)補(bu)時因傳動(dong)系統滯后帶來(lai)跟蹤誤(wu)差。通(tong)過直線位(wei)置檢測反(fan)饋控制，即可大大提高機(ji)(ji)床(chuang)的定位(wei)精度(du)。

傳動(dong)(dong)(dong)環節的彈(dan)性變形(xing)、摩擦磨損和反向間隙造成(cheng)的運動(dong)(dong)(dong)滯后現象(xiang)，同時(shi)提高(gao)了其傳動(dong)(dong)(dong)剛度(du)。

速度快、加減速過程短

行(xing)(xing)程長(chang)度不(bu)受限(xian)制 在導(dao)軌上通過串(chuan)聯直線電(dian)機，就可以無(wu)限(xian)延長(chang)其行(xing)(xing)程長(chang)度。

動安靜(jing)、噪音低 由于取消了(le)傳動絲杠等部件的機(ji)械摩擦，且導(dao)(dao)軌(gui)又可采用滾動導(dao)(dao)軌(gui)或磁(ci)墊懸浮導(dao)(dao)軌(gui)（無機(ji)械接(jie)觸），其運動時(shi)噪音將大大降低。

效率高 由于(yu)無中(zhong)間傳(chuan)動環節，消除(chu)了機(ji)械摩擦時的能量損耗(hao)。

直線電機的應用

直(zhi)線電機主(zhu)要應用于三個方(fang)面：

應用(yong)于自動控(kong)制系統，這類應用(yong)場合比較多；

作為長期(qi)連續運行(xing)的驅動電(dian)機；

應用(yong)在需(xu)要(yao)短時間、短距(ju)離內提供巨大的直線運動能(neng)的裝置中。

U槽無刷直(zhi)(zhi)線電(dian)機可以直(zhi)(zhi)接(jie)驅動(dong)(dong)，無需將轉動(dong)(dong)轉為線性運動(dong)(dong)，機械結構(gou)簡(jian)單可靠。電(dian)機運行超(chao)平穩，無齒槽效應，動(dong)(dong)態響應速度極快，慣量小，加速度可達20G，速度達到(dao)10-30m/s，低速1μm/s時運動平滑，剛性高(gao)，結(jie)構緊湊，可(ke)選配直線編碼(ma)器(qi)做高(gao)精度(du)位(wei)置(zhi)控制，其位(wei)置(zhi)精度(du)取決于所選編碼(ma)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型槽(cao)式直(zhi)線(xian)電(dian)機(ji)分為鐵(tie)芯和無鐵(tie)芯兩類，鐵(tie)芯類直(zhi)線(xian)電(dian)機(ji)單(dan)位體(ti)積出(chu)力(li)更大，非鐵(tie)芯直(zhi)線(xian)電(dian)機(ji)無磁滯和渦流效(xiao)應(ying)，運動更加平滑高速(su)，磁損耗少，發熱小(xiao)。

此類直線電機特別適用于：機器人、致(zhi)動(dong)器、直線(xian)平臺、光學光纖排列定位(wei)、精密機(ji)床(chuang)、半導體制造(zao)、視覺系統、電子元件接插、工廠自動(dong)化等對運動(dong)系統的速度(du)和精度(du)同時(shi)要求(qiu)較高的應(ying)用場(chang)合。

直線電機的優缺點

直線電機的優點

1、結構簡單。管型直(zhi)線(xian)電機不(bu)需要經過中間轉換機構而直(zhi)接產生直(zhi)線(xian)運動，使(shi)結構大(da)(da)大(da)(da)簡化，運動慣量減少(shao)，動態響應性能和定位精度大(da)(da)大(da)(da)提高；同時也提高了可(ke)靠性，節約了成本，使(shi)制造和維護更加簡便(bian)。它的(de)(de)初次級(ji)可(ke)以直(zhi)接成為(wei)機構的(de)(de)一部分，這種獨特的(de)(de)結合使(shi)得這種優勢進一步體現(xian)出來。

2、適合高速直線運(yun)動(dong)。因為不存(cun)在離心力的約(yue)束(shu)，普(pu)通(tong)材料亦可以達(da)到較高的速度(du)。而(er)且如果初、次級間(jian)用氣墊(dian)或磁墊(dian)保存(cun)間(jian)隙，運(yun)動(dong)時無(wu)機械接觸，因而(er)運(yun)動(dong)部(bu)分也(ye)就無(wu)摩擦和噪聲。這樣，傳動(dong)零部(bu)件沒有磨損，可大大減小機械損耗，避免拖纜、鋼索、齒輪與皮帶輪等所造(zao)成的噪聲，從而(er)提(ti)高整體效率。

3、初級(ji)繞組(zu)利(li)用率(lv)高(gao)。在管(guan)型直線感應電(dian)機中，初級(ji)繞組(zu)是餅(bing)式的，沒有端部繞組(zu)，因而繞組(zu)利(li)用率(lv)高(gao)。

4、無橫(heng)向(xiang)(xiang)邊緣效應。橫(heng)向(xiang)(xiang)效應是指(zhi)由于(yu)橫(heng)向(xiang)(xiang)開斷造成的(de)邊界(jie)處磁場的(de)削弱(ruo)，而圓(yuan)筒型直線電(dian)機(ji)橫(heng)向(xiang)(xiang)無開斷，所以磁場沿周向(xiang)(xiang)均勻(yun)分布。

5、容易克服單邊磁(ci)拉力問題。徑向拉力互相抵消，基本(ben)不存(cun)在(zai)單邊磁(ci)拉力的(de)問題。

6、易于調節和(he)控制。通過調節電壓或(huo)頻率，或(huo)更換(huan)次級材料(liao)，可(ke)以(yi)得到不(bu)同的速度、電磁推力(li)，適用于低(di)速往復(fu)運行(xing)場合(he)。

7、適應性強。直線(xian)電機的(de)初級鐵芯可(ke)以用(yong)環氧(yang)樹脂封成整體(ti)，具有較好的(de)防腐、防潮性能，便于(yu)在潮濕、粉塵和有害氣(qi)體(ti)的(de)環境中使用(yong)；而且可(ke)以設(she)計(ji)成多(duo)種結構(gou)，滿足不同情況的(de)需要。

8、高加速度。這是直線電機驅(qu)動，相(xiang)比其(qi)他絲杠、同步帶和齒輪齒條(tiao)驅(qu)動的(de)一個顯(xian)著優(you)勢。

直線電機的缺點

1、直(zhi)線電(dian)機的耗電(dian)量大，尤其在進(jin)行高荷載、高加(jia)速(su)度的運(yun)動(dong)時，機床瞬間(jian)電(dian)流對(dui)車間(jian)的供(gong)電(dian)系統帶來沉重負荷；

2、振動(dong)(dong)高，直(zhi)線電機的動(dong)(dong)態剛性極低(di)，不能起(qi)緩沖阻尼作用，在高速(su)運動(dong)(dong)時容易引(yin)起(qi)機床其它部分共(gong)振；

3、發(fa)熱(re)量大，固定在工作臺底部的直(zhi)線電(dian)機(ji)動子是(shi)高發(fa)熱(re)部件，安裝位置不利于自然散(san)熱(re)，對機(ji)床的恒溫控(kong)制(zhi)造(zao)成很大挑(tiao)戰；

4、不能(neng)自鎖(suo)緊，為了保證(zheng)操作安(an)全，直(zhi)線電機(ji)驅動(dong)的運動(dong)軸(zhou)，尤其是(shi)垂(chui)直(zhi)運動(dong)軸(zhou)，必須要額外配(pei)備鎖(suo)緊機(ji)構，增加了機(ji)床的復雜性。

隨(sui)著高(gao)(gao)(gao)速加工(gong)技術(shu)的(de)迅速發展，對傳(chuan)動及控制系統(tong)的(de)要求越來(lai)越高(gao)(gao)(gao)，使直線電機驅動技術(shu)的(de)研究力度在逐步加大。現在直線電機的(de)許多缺點已經(jing)被克服，直線電機的(de)動力性能(neng)也更(geng)(geng)加的(de)卓越。直線驅動技術(shu)的(de)研究既是(shi)技術(shu)向更(geng)(geng)高(gao)(gao)(gao)更(geng)(geng)快(kuai)發展的(de)趨勢，同時也更(geng)(geng)能(neng)滿足市(shi)場需要，帶來(lai)更(geng)(geng)大的(de)經(jing)濟(ji)效益，成為未來(lai)發展的(de)必然趨勢。