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

直線電機原理

由(you)定子(zi)演(yan)變而來(lai)的(de)(de)(de)一側稱為(wei)初(chu)(chu)(chu)級(ji)(ji)，由(you)轉子(zi)演(yan)變而來(lai)的(de)(de)(de)一側稱為(wei)次(ci)(ci)級(ji)(ji)。在(zai)(zai)實際應用(yong)(yong)時(shi)，將初(chu)(chu)(chu)級(ji)(ji)和次(ci)(ci)級(ji)(ji)制(zhi)(zhi)造成不同的(de)(de)(de)長(chang)度(du)，以(yi)保證在(zai)(zai)所需行程范圍內初(chu)(chu)(chu)級(ji)(ji)與(yu)(yu)次(ci)(ci)級(ji)(ji)之間的(de)(de)(de)耦合(he)保持(chi)不變。直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)線(xian)(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)可以(yi)是短初(chu)(chu)(chu)級(ji)(ji)長(chang)次(ci)(ci)級(ji)(ji)，也可以(yi)是長(chang)初(chu)(chu)(chu)級(ji)(ji)短次(ci)(ci)級(ji)(ji)。考慮到制(zhi)(zhi)造成本、運(yun)行費用(yong)(yong)，以(yi)直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)線(xian)(xian)感應電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)機(ji)為(wei)例：當(dang)初(chu)(chu)(chu)級(ji)(ji)繞組通入交流電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源時(shi)，便在(zai)(zai)氣(qi)隙中產(chan)生(sheng)行波磁(ci)場(chang)，次(ci)(ci)級(ji)(ji)在(zai)(zai)行波磁(ci)場(chang)切割下(xia)，將感應出電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)勢并(bing)產(chan)生(sheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流，該電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流與(yu)(yu)氣(qi)隙中的(de)(de)(de)磁(ci)場(chang)相作(zuo)用(yong)(yong)就產(chan)生(sheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)磁(ci)推(tui)(tui)力。如果初(chu)(chu)(chu)級(ji)(ji)固(gu)定，則次(ci)(ci)級(ji)(ji)在(zai)(zai)推(tui)(tui)力作(zuo)用(yong)(yong)下(xia)做直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)線(xian)(xian)運(yun)動(dong)；反之，則初(chu)(chu)(chu)級(ji)(ji)做直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)線(xian)(xian)運(yun)動(dong)。直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)線(xian)(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)(de)驅動(dong)控制(zhi)(zhi)技(ji)術一個直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)線(xian)(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)應用(yong)(yong)系統(tong)不僅(jin)要(yao)有性能良好的(de)(de)(de)直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)線(xian)(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)，還必須具(ju)有能在(zai)(zai)安全可靠的(de)(de)(de)條件下(xia)實現技(ji)術與(yu)(yu)經濟(ji)要(yao)求(qiu)的(de)(de)(de)控制(zhi)(zhi)系統(tong)。隨著自動(dong)控制(zhi)(zhi)技(ji)術與(yu)(yu)微計算機(ji)技(ji)術的(de)(de)(de)發(fa)展，直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)線(xian)(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)(de)控制(zhi)(zhi)方法越來(lai)越多。

對直線(xian)(xian)(xian)電機(ji)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)研究基本上(shang)可以(yi)分為(wei)三個方(fang)面：一是(shi)傳(chuan)統控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)，二是(shi)現代控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)，三是(shi)智(zhi)能(neng)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)。傳(chuan)統的(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)如PID反饋控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、解耦(ou)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)等(deng)(deng)在(zai)(zai)交流(liu)伺(si)服系統中(zhong)(zhong)得到了廣(guang)泛(fan)的(de)(de)(de)(de)應用。其(qi)中(zhong)(zhong)PID控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)蘊涵動(dong)態控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)過程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)信息，具有較強的(de)(de)(de)(de)魯棒(bang)性(xing)，是(shi)交流(liu)伺(si)服電機(ji)驅動(dong)系統中(zhong)(zhong)最基本的(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)式(shi)。為(wei)了提高控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)效果，往往采用解耦(ou)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)和矢(shi)量(liang)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)。在(zai)(zai)對象(xiang)模(mo)型確定、不(bu)變化且是(shi)線(xian)(xian)(xian)性(xing)的(de)(de)(de)(de)以(yi)及(ji)操(cao)作(zuo)條件、運行(xing)環(huan)境是(shi)確定不(bu)變的(de)(de)(de)(de)條件下，采用傳(chuan)統控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)是(shi)簡單有效的(de)(de)(de)(de)。但是(shi)在(zai)(zai)高精(jing)度微進(jin)給的(de)(de)(de)(de)高性(xing)能(neng)場(chang)合，就(jiu)必須考(kao)慮對象(xiang)結構與參數的(de)(de)(de)(de)變化。各種非線(xian)(xian)(xian)性(xing)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響，運行(xing)環(huan)境的(de)(de)(de)(de)改(gai)變及(ji)環(huan)境干(gan)擾等(deng)(deng)時(shi)變和不(bu)確定因(yin)素，才能(neng)得到滿(man)意的(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)效果。因(yin)此，現代控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)在(zai)(zai)直線(xian)(xian)(xian)伺(si)服電機(ji)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)研究中(zhong)(zhong)引起了很大的(de)(de)(de)(de)重視。常用控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)法有：自適應控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、滑模(mo)變結構控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、魯棒(bang)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)及(ji)智(zhi)能(neng)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。主要是(shi)將模(mo)糊邏(luo)輯、神經網(wang)絡與PID、H∞控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)等(deng)(deng)現有的(de)(de)(de)(de)成熟的(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)法相結合，取(qu)長補(bu)短，以(yi)獲得更好的(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)制(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(yu)系(xi)統(tong)中直接取消了一些響應(ying)(ying)時間常數(shu)較大(da)的如(ru)絲杠(gang)等機械傳動件，使整(zheng)個閉環控(kong)制系(xi)統(tong)動態響應(ying)(ying)性能大(da)大(da)提高，反應(ying)(ying)異常靈敏快捷。

位精度高 線驅動(dong)系統(tong)取消(xiao)了由于(yu)絲杠等機(ji)械(xie)機(ji)構(gou)引起的傳動(dong)誤差減(jian)少了插補時因傳動(dong)系統(tong)滯后帶來跟蹤誤差。通過直線位置檢測(ce)反饋控制，即可(ke)大大提高機(ji)床(chuang)的定位精度。

傳(chuan)動環(huan)節的(de)彈性(xing)變形、摩擦磨損和(he)反(fan)向間隙造成的(de)運動滯后現象，同時提高了其傳(chuan)動剛度(du)。

速度快、加減速過程短

行程長度不受(shou)限制 在導軌上通(tong)過串聯直線電機，就可(ke)以(yi)無(wu)限延(yan)長其行程長度。

動(dong)安靜、噪音低 由于取消了傳動(dong)絲杠(gang)等部件的機(ji)械摩(mo)擦，且導(dao)軌(gui)又(you)可采(cai)用滾動(dong)導(dao)軌(gui)或磁墊懸浮(fu)導(dao)軌(gui)（無機(ji)械接觸），其(qi)運動(dong)時噪音將大(da)大(da)降低。

效率(lv)高 由于無(wu)中間傳(chuan)動環節，消除了機械摩擦時(shi)的能量(liang)損耗。

直線電機的應用

直線電機主要應(ying)用于(yu)三個方面：

應(ying)用于自(zi)動(dong)控(kong)制系(xi)統，這類(lei)應(ying)用場合比較多；

作(zuo)為長期連續運行的驅(qu)動電機(ji)；

應(ying)用(yong)在(zai)需要短時間、短距離(li)內提供巨大的(de)直線運動能的(de)裝置中(zhong)。

U槽無刷直(zhi)線(xian)電機可以直(zhi)接驅動，無需將轉動轉為線(xian)性運(yun)(yun)動，機械結(jie)構(gou)簡單可靠。電機運(yun)(yun)行超平穩，無齒槽效應(ying)，動態響(xiang)應(ying)速(su)度(du)(du)極(ji)快，慣(guan)量(liang)小，加速(su)度(du)(du)可達20G，速度達到10-30m/s，低速1μm/s時運(yun)動平滑(hua)，剛性高(gao)，結構緊湊，可選(xuan)配直線編碼器做高(gao)精度位置控制，其位置精度取決于所選(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(cao)式直(zhi)(zhi)線電(dian)(dian)機分為鐵(tie)(tie)芯和(he)(he)無鐵(tie)(tie)芯兩(liang)類，鐵(tie)(tie)芯類直(zhi)(zhi)線電(dian)(dian)機單位體積出力更大，非鐵(tie)(tie)芯直(zhi)(zhi)線電(dian)(dian)機無磁滯和(he)(he)渦流效應(ying)，運動(dong)更加平滑高(gao)速，磁損(sun)耗(hao)少，發熱小。

此類直線電機特別適用于：機器人、致(zhi)動器(qi)、直線平臺、光學光纖排列定位、精密(mi)機床、半導體制(zhi)造、視覺系統(tong)、電子元(yuan)件接插(cha)、工廠自動化等對運動系統(tong)的速(su)度和精度同時要(yao)求較高的應用場(chang)合。

直線電機的優缺點

直線電機的優點

1、結構簡單。管型直線(xian)電機不(bu)需要經過中間轉換機構而直接產(chan)生(sheng)直線(xian)運(yun)動(dong)，使結構大大簡化，運(yun)動(dong)慣量減(jian)少，動(dong)態響應性能和定位精度大大提高；同(tong)時(shi)也提高了可靠性，節約了成本，使制造(zao)和維護更(geng)加簡便。它的(de)初次級可以直接成為(wei)機構的(de)一部分，這種(zhong)獨特的(de)結合(he)使得(de)這種(zhong)優勢(shi)進(jin)一步體現出來。

2、適合(he)高(gao)速(su)(su)直線運(yun)動。因(yin)為(wei)不存在離心力的約束(shu)，普通材料亦可以達到較高(gao)的速(su)(su)度。而(er)且(qie)如果初(chu)、次級間用氣(qi)墊(dian)或磁墊(dian)保存間隙，運(yun)動時無(wu)機械(xie)接(jie)觸，因(yin)而(er)運(yun)動部(bu)(bu)分(fen)也(ye)就(jiu)無(wu)摩(mo)擦和噪聲。這樣，傳(chuan)動零部(bu)(bu)件沒有磨損(sun)，可大大減小機械(xie)損(sun)耗，避免拖纜(lan)、鋼(gang)索(suo)、齒(chi)輪與皮帶輪等所(suo)造成的噪聲，從而(er)提高(gao)整體效率。

3、初(chu)級(ji)繞組利(li)用(yong)率高。在管型(xing)直線感應(ying)電機中(zhong)，初(chu)級(ji)繞組是餅式的，沒有端部繞組，因(yin)而繞組利(li)用(yong)率高。

4、無橫(heng)(heng)向(xiang)邊(bian)緣效(xiao)應(ying)(ying)。橫(heng)(heng)向(xiang)效(xiao)應(ying)(ying)是(shi)指由于橫(heng)(heng)向(xiang)開斷造成的邊(bian)界處磁場的削弱，而圓筒型直(zhi)線電機(ji)橫(heng)(heng)向(xiang)無開斷，所以磁場沿周向(xiang)均勻分布。

5、容易克服單(dan)邊磁拉力問題(ti)。徑向拉力互(hu)相抵消，基本不存在單(dan)邊磁拉力的問題(ti)。

6、易于調節(jie)和控制(zhi)。通過(guo)調節(jie)電壓或頻(pin)率，或更換次(ci)級材(cai)料，可以得(de)到不同的速度、電磁推(tui)力，適用于低速往復運(yun)行(xing)場合。

7、適應性強。直線電機的初級鐵芯可以用(yong)(yong)環氧樹脂封成整(zheng)體，具有較好的防腐、防潮性能(neng)，便于在潮濕、粉塵(chen)和有害氣(qi)體的環境中使用(yong)(yong)；而且(qie)可以設計成多種(zhong)結構(gou)，滿足(zu)不同(tong)情(qing)況的需要。

8、高加速度(du)。這是直線電機驅(qu)動，相比其(qi)他絲杠、同步帶和齒輪齒條驅(qu)動的一個(ge)顯(xian)著優勢。

直線電機的缺點

1、直線電(dian)機的耗(hao)電(dian)量大，尤其在進行高荷載、高加速度的運(yun)動時，機床瞬間電(dian)流對(dui)車間的供電(dian)系統帶來沉重負荷；

2、振(zhen)動高，直(zhi)線電機(ji)的(de)動態剛性極低，不能起緩(huan)沖阻(zu)尼作用(yong)，在高速運動時容(rong)易(yi)引起機(ji)床其它部分共振(zhen)；

3、發熱(re)量(liang)大(da)，固定在工作(zuo)臺底部的直(zhi)線電(dian)機(ji)動子是高發熱(re)部件，安裝位(wei)置不利(li)于自然(ran)散熱(re)，對(dui)機(ji)床的恒溫(wen)控制造成很大(da)挑戰；

4、不(bu)能(neng)自鎖緊(jin)，為了保證(zheng)操作安全，直線電機驅動的(de)(de)運(yun)動軸(zhou)，尤其是垂直運(yun)動軸(zhou)，必須要額外配備鎖緊(jin)機構，增(zeng)加了機床的(de)(de)復雜性。

隨著高(gao)速(su)加工技術的(de)(de)(de)迅速(su)發(fa)展，對傳(chuan)動(dong)(dong)及控制系(xi)統的(de)(de)(de)要(yao)求越來越高(gao)，使直(zhi)(zhi)線電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)(dong)技術的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)力度在逐步加大(da)。現(xian)在直(zhi)(zhi)線電(dian)機(ji)的(de)(de)(de)許多(duo)缺點已經被克服，直(zhi)(zhi)線電(dian)機(ji)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)力性能(neng)也更(geng)加的(de)(de)(de)卓越。直(zhi)(zhi)線驅(qu)動(dong)(dong)技術的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)既是技術向更(geng)高(gao)更(geng)快發(fa)展的(de)(de)(de)趨勢，同時也更(geng)能(neng)滿足市場需(xu)要(yao)，帶來更(geng)大(da)的(de)(de)(de)經濟效益(yi)，成(cheng)為未來發(fa)展的(de)(de)(de)必然趨勢。