【直線電機】直線電機原理與應用 直(zhi)線(xian)電機的優缺點

直線電機原理

由定子演變(bian)而來(lai)的(de)(de)(de)(de)一(yi)側稱為初級(ji)(ji)，由轉子演變(bian)而來(lai)的(de)(de)(de)(de)一(yi)側稱為次級(ji)(ji)。在實際(ji)應用(yong)時(shi)，將(jiang)初級(ji)(ji)和次級(ji)(ji)制(zhi)造成不(bu)同的(de)(de)(de)(de)長(chang)度，以(yi)保證在所需行(xing)程(cheng)范圍內初級(ji)(ji)與(yu)次級(ji)(ji)之間的(de)(de)(de)(de)耦合保持(chi)不(bu)變(bian)。直(zhi)線(xian)電(dian)(dian)機可以(yi)是短初級(ji)(ji)長(chang)次級(ji)(ji)，也可以(yi)是長(chang)初級(ji)(ji)短次級(ji)(ji)。考慮到制(zhi)造成本、運(yun)行(xing)費(fei)用(yong)，以(yi)直(zhi)線(xian)感應電(dian)(dian)動(dong)機為例：當初級(ji)(ji)繞組通入交(jiao)流(liu)電(dian)(dian)源時(shi)，便在氣隙中產(chan)(chan)生行(xing)波(bo)磁場，次級(ji)(ji)在行(xing)波(bo)磁場切割下，將(jiang)感應出電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)并產(chan)(chan)生電(dian)(dian)流(liu)，該電(dian)(dian)流(liu)與(yu)氣隙中的(de)(de)(de)(de)磁場相作(zuo)(zuo)用(yong)就產(chan)(chan)生電(dian)(dian)磁推力。如果(guo)初級(ji)(ji)固(gu)定，則(ze)(ze)次級(ji)(ji)在推力作(zuo)(zuo)用(yong)下做(zuo)直(zhi)線(xian)運(yun)動(dong)；反(fan)之，則(ze)(ze)初級(ji)(ji)做(zuo)直(zhi)線(xian)運(yun)動(dong)。直(zhi)線(xian)電(dian)(dian)機的(de)(de)(de)(de)驅動(dong)控(kong)(kong)制(zhi)技(ji)術一(yi)個直(zhi)線(xian)電(dian)(dian)機應用(yong)系統不(bu)僅要有性(xing)能(neng)良好的(de)(de)(de)(de)直(zhi)線(xian)電(dian)(dian)機，還(huan)必須具有能(neng)在安全可靠(kao)的(de)(de)(de)(de)條件下實現技(ji)術與(yu)經濟(ji)要求的(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)系統。隨著自動(dong)控(kong)(kong)制(zhi)技(ji)術與(yu)微計算機技(ji)術的(de)(de)(de)(de)發展，直(zhi)線(xian)電(dian)(dian)機的(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)方法越(yue)來(lai)越(yue)多。

對直線(xian)電機(ji)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)研(yan)究(jiu)基本上可以(yi)分為(wei)三個方(fang)(fang)面：一是傳(chuan)統(tong)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)，二是現(xian)代(dai)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)，三是智(zhi)能(neng)(neng)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)。傳(chuan)統(tong)的(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)如PID反饋控(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(deng)在(zai)交流伺服(fu)系統(tong)中(zhong)(zhong)(zhong)得(de)到了(le)(le)廣泛的(de)應用。其(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)PID控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)蘊涵動態(tai)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)過程中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)信息，具有(you)較強的(de)魯(lu)棒性(xing)(xing)，是交流伺服(fu)電機(ji)驅(qu)動系統(tong)中(zhong)(zhong)(zhong)最基本的(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)(fang)式。為(wei)了(le)(le)提高(gao)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)效果，往往采(cai)用解耦控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)和矢量(liang)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)。在(zai)對象模(mo)型(xing)確(que)(que)定(ding)、不(bu)變(bian)化且是線(xian)性(xing)(xing)的(de)以(yi)及操作(zuo)條件(jian)、運(yun)行環境是確(que)(que)定(ding)不(bu)變(bian)的(de)條件(jian)下，采(cai)用傳(chuan)統(tong)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)是簡單有(you)效的(de)。但是在(zai)高(gao)精度微進給的(de)高(gao)性(xing)(xing)能(neng)(neng)場合，就必須(xu)考慮對象結構與參數(shu)的(de)變(bian)化。各(ge)種非線(xian)性(xing)(xing)的(de)影響，運(yun)行環境的(de)改變(bian)及環境干擾等(deng)時變(bian)和不(bu)確(que)(que)定(ding)因(yin)素，才能(neng)(neng)得(de)到滿意的(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)效果。因(yin)此，現(xian)代(dai)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)在(zai)直線(xian)伺服(fu)電機(ji)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)的(de)研(yan)究(jiu)中(zhong)(zhong)(zhong)引(yin)起(qi)了(le)(le)很大的(de)重視。常(chang)用控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)(fang)法有(you)：自適應控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、滑模(mo)變(bian)結構控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、魯(lu)棒控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)及智(zhi)能(neng)(neng)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。主要是將模(mo)糊邏(luo)輯(ji)、神經(jing)網(wang)絡(luo)與PID、H∞控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)等(deng)現(xian)有(you)的(de)成熟的(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)(fang)法相結合，取(qu)長(chang)補短，以(yi)獲得(de)更好的(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)性(xing)(xing)能(neng)(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(zhong)直(zhi)接取消了一(yi)些(xie)響應(ying)時間常(chang)數較大(da)的如(ru)絲杠等機械傳動(dong)件，使整個閉環控制(zhi)系統動(dong)態響應(ying)性能大(da)大(da)提(ti)高，反(fan)應(ying)異(yi)常(chang)靈敏快捷。

位(wei)精(jing)度(du)高(gao) 線驅動(dong)(dong)系統取消了由于絲(si)杠等機械(xie)機構引起的傳(chuan)動(dong)(dong)誤差減(jian)少了插補時因傳(chuan)動(dong)(dong)系統滯后帶來跟(gen)蹤誤差。通過直線位(wei)置檢(jian)測(ce)反饋(kui)控制，即可大大提高(gao)機床的定位(wei)精(jing)度(du)。

傳(chuan)動環節(jie)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙(xi)造成的運動滯后現象(xiang)，同時提高了(le)其傳(chuan)動剛(gang)度。

速度快、加減速過程短

行程長度(du)不(bu)受(shou)限制(zhi) 在(zai)導軌上通(tong)過串聯直線電機，就可(ke)以無(wu)限延長其行程長度(du)。

動(dong)安靜、噪音(yin)低 由于取消了傳動(dong)絲杠等(deng)部件的機械(xie)(xie)摩擦(ca)，且導(dao)軌(gui)又可采用滾動(dong)導(dao)軌(gui)或(huo)磁墊(dian)懸浮導(dao)軌(gui)（無機械(xie)(xie)接(jie)觸），其運動(dong)時噪音(yin)將大(da)大(da)降低。

效率高 由于無中間(jian)傳動(dong)環節(jie)，消除(chu)了(le)機(ji)械摩擦(ca)時(shi)的能量損耗。

直線電機的應用

直線電機主要應用于三個方面：

應(ying)用于自動控制系(xi)統，這類應(ying)用場合比(bi)較多；

作為長(chang)期連續運行的驅(qu)動電(dian)機；

應用在需(xu)要短(duan)時(shi)間、短(duan)距離內提供(gong)巨大的直線運動能的裝(zhuang)置(zhi)中。

U槽無(wu)刷直(zhi)線(xian)電機可以直(zhi)接(jie)驅動(dong)(dong)，無(wu)需(xu)將轉動(dong)(dong)轉為線(xian)性運動(dong)(dong)，機械結構簡單(dan)可靠。電機運行超平穩，無(wu)齒槽效應(ying)，動(dong)(dong)態(tai)響應(ying)速度極快，慣(guan)量小，加速度可達20G，速(su)度達到(dao)10-30m/s，低速1μm/s時運動平滑，剛性高，結構緊湊，可選(xuan)配(pei)直(zhi)線編碼器做高精(jing)度(du)位置控制，其位置精(jing)度(du)取決于所選(xuan)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型槽式直(zhi)線電機分為鐵(tie)(tie)芯(xin)和(he)無(wu)(wu)鐵(tie)(tie)芯(xin)兩類，鐵(tie)(tie)芯(xin)類直(zhi)線電機單(dan)位體積出力更(geng)大，非鐵(tie)(tie)芯(xin)直(zhi)線電機無(wu)(wu)磁(ci)滯(zhi)和(he)渦流(liu)效應(ying)，運動更(geng)加平滑(hua)高速(su)，磁(ci)損耗(hao)少，發熱小。

此類直線電機特別適用于：機器人、致(zhi)動(dong)器、直(zhi)線平臺、光學光纖排列定位、精密機床、半導體制造、視覺系統、電子元件接插(cha)、工廠自動(dong)化等對運(yun)動(dong)系統的(de)速度(du)和精度(du)同時要求較高的(de)應(ying)用場合。

直線電機的優缺點

直線電機的優點

1、結構(gou)簡(jian)單(dan)。管型直(zhi)線(xian)電機不需要經過中間轉換(huan)機構(gou)而直(zhi)接產生(sheng)直(zhi)線(xian)運(yun)動，使結構(gou)大(da)大(da)簡(jian)化，運(yun)動慣(guan)量減少(shao)，動態響應性(xing)能和(he)(he)定位精度大(da)大(da)提(ti)(ti)高(gao)；同時也(ye)提(ti)(ti)高(gao)了(le)可靠性(xing)，節約了(le)成本，使制造和(he)(he)維護更加簡(jian)便。它的初次級可以直(zhi)接成為機構(gou)的一(yi)部(bu)分，這種(zhong)獨特的結合使得這種(zhong)優勢進一(yi)步體現出(chu)來。

2、適合高速直線運動(dong)(dong)。因(yin)為不存在離心(xin)力(li)的(de)約束(shu)，普(pu)通材料亦可以達到(dao)較高的(de)速度(du)。而且(qie)如果初、次級(ji)間(jian)用(yong)氣(qi)墊或(huo)磁(ci)墊保(bao)存間(jian)隙，運動(dong)(dong)時(shi)無(wu)機械接觸，因(yin)而運動(dong)(dong)部(bu)分也就無(wu)摩(mo)擦和噪聲(sheng)。這樣，傳動(dong)(dong)零部(bu)件沒(mei)有(you)磨損，可大(da)大(da)減小機械損耗，避免拖纜(lan)、鋼索、齒(chi)輪與皮(pi)帶(dai)輪等所造成的(de)噪聲(sheng)，從而提高整體效率。

3、初級(ji)繞組(zu)利用率高。在(zai)管型直線(xian)感(gan)應電機(ji)中，初級(ji)繞組(zu)是餅式的，沒有端部繞組(zu)，因而(er)繞組(zu)利用率高。

4、無橫(heng)(heng)向(xiang)邊緣效(xiao)(xiao)應。橫(heng)(heng)向(xiang)效(xiao)(xiao)應是指由于(yu)橫(heng)(heng)向(xiang)開(kai)斷造成(cheng)的邊界處磁(ci)場的削弱，而圓筒(tong)型直線電機橫(heng)(heng)向(xiang)無開(kai)斷，所以(yi)磁(ci)場沿周(zhou)向(xiang)均勻分布。

5、容易克(ke)服單邊(bian)磁拉力問(wen)題。徑向拉力互相(xiang)抵消，基本不存(cun)在單邊(bian)磁拉力的問(wen)題。

6、易于調節(jie)和控制(zhi)。通過調節(jie)電(dian)壓或(huo)頻率，或(huo)更換次級材(cai)料(liao)，可以得(de)到不同的速度、電(dian)磁(ci)推力(li)，適(shi)用(yong)于低速往復運行場(chang)合。

7、適(shi)應(ying)性強。直(zhi)線電機(ji)的初(chu)級鐵芯可以用(yong)環(huan)氧(yang)樹脂封成整體(ti)，具(ju)有(you)較好的防腐、防潮(chao)性能，便于在潮(chao)濕、粉塵(chen)和有(you)害氣體(ti)的環(huan)境中使用(yong)；而且可以設計成多種結構(gou)，滿足(zu)不同情(qing)況的需要。

8、高(gao)加(jia)速度。這是直線(xian)電(dian)機驅動，相比(bi)其他絲(si)杠、同步帶和齒輪齒條驅動的一個顯著優勢。

直線電機的缺點

1、直線電機的耗電量大，尤其在進行高荷(he)(he)載、高加速度的運動時，機床瞬間電流對車間的供電系統帶來沉重負(fu)荷(he)(he)；

2、振(zhen)動高，直線電(dian)機的動態剛性極低，不能起(qi)緩沖阻(zu)尼(ni)作用，在高速運動時(shi)容易引起(qi)機床(chuang)其它部分(fen)共振(zhen)；

3、發熱(re)(re)量大，固定在工作臺底部的(de)直線(xian)電機動子是高發熱(re)(re)部件，安裝位置不利(li)于自然散熱(re)(re)，對(dui)機床(chuang)的(de)恒溫控(kong)制造成很大挑戰；

4、不能自(zi)鎖(suo)緊，為了保證(zheng)操作安全(quan)，直(zhi)線電機(ji)驅(qu)動的(de)運動軸(zhou)，尤其是(shi)垂直(zhi)運動軸(zhou)，必須要額外配備(bei)鎖(suo)緊機(ji)構，增加(jia)了機(ji)床的(de)復(fu)雜性。

隨著高速(su)(su)加(jia)工技(ji)術(shu)的(de)迅(xun)速(su)(su)發(fa)展，對傳動(dong)及(ji)控制系統的(de)要求越來越高，使直線(xian)電(dian)機驅(qu)動(dong)技(ji)術(shu)的(de)研究力(li)度在逐步加(jia)大。現在直線(xian)電(dian)機的(de)許多缺點(dian)已經(jing)被克服，直線(xian)電(dian)機的(de)動(dong)力(li)性能也(ye)更(geng)加(jia)的(de)卓越。直線(xian)驅(qu)動(dong)技(ji)術(shu)的(de)研究既是(shi)技(ji)術(shu)向更(geng)高更(geng)快發(fa)展的(de)趨勢，同時(shi)也(ye)更(geng)能滿足市場需(xu)要，帶來更(geng)大的(de)經(jing)濟效益，成為未(wei)來發(fa)展的(de)必(bi)然(ran)趨勢。