【直線電機】直線電機原理與應用 直線電機的優缺點

直線電機原理

由定子演變而(er)來的(de)(de)(de)(de)一(yi)側(ce)稱為初(chu)級(ji)(ji)(ji)，由轉子演變而(er)來的(de)(de)(de)(de)一(yi)側(ce)稱為次(ci)(ci)(ci)級(ji)(ji)(ji)。在(zai)實(shi)際應(ying)(ying)用(yong)(yong)時，將初(chu)級(ji)(ji)(ji)和次(ci)(ci)(ci)級(ji)(ji)(ji)制(zhi)造成不同的(de)(de)(de)(de)長度(du)，以(yi)保證在(zai)所(suo)需行程范圍(wei)內初(chu)級(ji)(ji)(ji)與(yu)次(ci)(ci)(ci)級(ji)(ji)(ji)之間的(de)(de)(de)(de)耦合保持不變。直線(xian)(xian)(xian)電(dian)機(ji)可(ke)以(yi)是(shi)短(duan)(duan)初(chu)級(ji)(ji)(ji)長次(ci)(ci)(ci)級(ji)(ji)(ji)，也可(ke)以(yi)是(shi)長初(chu)級(ji)(ji)(ji)短(duan)(duan)次(ci)(ci)(ci)級(ji)(ji)(ji)。考慮到(dao)制(zhi)造成本、運(yun)行費(fei)用(yong)(yong)，以(yi)直線(xian)(xian)(xian)感(gan)應(ying)(ying)電(dian)動(dong)(dong)機(ji)為例：當初(chu)級(ji)(ji)(ji)繞組通入交流(liu)(liu)電(dian)源時，便在(zai)氣隙中產生行波(bo)磁場，次(ci)(ci)(ci)級(ji)(ji)(ji)在(zai)行波(bo)磁場切割下，將感(gan)應(ying)(ying)出電(dian)動(dong)(dong)勢并(bing)產生電(dian)流(liu)(liu)，該電(dian)流(liu)(liu)與(yu)氣隙中的(de)(de)(de)(de)磁場相作用(yong)(yong)就(jiu)產生電(dian)磁推(tui)力。如(ru)果初(chu)級(ji)(ji)(ji)固定，則次(ci)(ci)(ci)級(ji)(ji)(ji)在(zai)推(tui)力作用(yong)(yong)下做直線(xian)(xian)(xian)運(yun)動(dong)(dong)；反之，則初(chu)級(ji)(ji)(ji)做直線(xian)(xian)(xian)運(yun)動(dong)(dong)。直線(xian)(xian)(xian)電(dian)機(ji)的(de)(de)(de)(de)驅動(dong)(dong)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)技(ji)術(shu)一(yi)個直線(xian)(xian)(xian)電(dian)機(ji)應(ying)(ying)用(yong)(yong)系統(tong)不僅要(yao)有性能(neng)良好的(de)(de)(de)(de)直線(xian)(xian)(xian)電(dian)機(ji)，還(huan)必(bi)須(xu)具有能(neng)在(zai)安全可(ke)靠的(de)(de)(de)(de)條(tiao)件下實(shi)現技(ji)術(shu)與(yu)經濟要(yao)求的(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)系統(tong)。隨著自動(dong)(dong)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)技(ji)術(shu)與(yu)微計算機(ji)技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)發展，直線(xian)(xian)(xian)電(dian)機(ji)的(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)方法越(yue)來越(yue)多。

對直線(xian)電機控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)(de)研究(jiu)基本(ben)上可(ke)以(yi)分為(wei)三個方(fang)面：一是傳(chuan)統(tong)(tong)(tong)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)(shu)，二(er)是現(xian)代控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)(shu)，三是智(zhi)能(neng)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)(shu)。傳(chuan)統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)(shu)如PID反饋控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、解耦控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)等在交流伺(si)(si)服系統(tong)(tong)(tong)中(zhong)得到了廣泛的(de)(de)(de)應用。其中(zhong)PID控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)蘊涵動(dong)態控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)過程中(zhong)的(de)(de)(de)信息(xi)，具有較強的(de)(de)(de)魯(lu)棒性，是交流伺(si)(si)服電機驅(qu)動(dong)系統(tong)(tong)(tong)中(zhong)最基本(ben)的(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)式。為(wei)了提高控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)效果，往往采用解耦控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)和(he)矢量(liang)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)(shu)。在對象模(mo)型確(que)定(ding)、不變(bian)(bian)化(hua)且是線(xian)性的(de)(de)(de)以(yi)及(ji)操作條件、運(yun)行環境(jing)是確(que)定(ding)不變(bian)(bian)的(de)(de)(de)條件下，采用傳(chuan)統(tong)(tong)(tong)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)(shu)是簡單(dan)有效的(de)(de)(de)。但(dan)是在高精(jing)度微進給(gei)的(de)(de)(de)高性能(neng)場合(he)(he)，就必須考慮對象結(jie)構與參數的(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)。各種非線(xian)性的(de)(de)(de)影(ying)響，運(yun)行環境(jing)的(de)(de)(de)改(gai)變(bian)(bian)及(ji)環境(jing)干擾(rao)等時變(bian)(bian)和(he)不確(que)定(ding)因素，才能(neng)得到滿意的(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)效果。因此，現(xian)代控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)(shu)在直線(xian)伺(si)(si)服電機控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)研究(jiu)中(zhong)引起了很大的(de)(de)(de)重(zhong)視。常用控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)法(fa)有：自適(shi)應控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、滑模(mo)變(bian)(bian)結(jie)構控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、魯(lu)棒控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)及(ji)智(zhi)能(neng)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。主要是將模(mo)糊邏(luo)輯、神經網絡與PID、H∞控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)等現(xian)有的(de)(de)(de)成熟的(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)法(fa)相結(jie)合(he)(he)，取(qu)長補短(duan)，以(yi)獲得更好的(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(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

由于系統中直接取消了(le)一(yi)些(xie)響(xiang)應時間常數較大的如絲杠等機械(xie)傳動件，使整個閉環控制系統動態響(xiang)應性能大大提高，反應異(yi)常靈敏(min)快捷。

位精度高 線驅動(dong)系(xi)統取(qu)消(xiao)了(le)由于(yu)絲杠(gang)等(deng)機(ji)械機(ji)構引起(qi)的(de)傳動(dong)誤差(cha)減少了(le)插補時因傳動(dong)系(xi)統滯后帶(dai)來跟(gen)蹤(zong)誤差(cha)。通過直(zhi)線位置檢(jian)測反(fan)饋控制，即(ji)可(ke)大大提高機(ji)床的(de)定位精度。

傳動(dong)環節的(de)彈(dan)性變(bian)形、摩擦磨損和反(fan)向間隙造成的(de)運動(dong)滯后現象，同時(shi)提(ti)高了其傳動(dong)剛度。

速度快、加減速過程短

行程(cheng)長度不受限(xian)制 在導軌上通過串聯直線電機，就可以無限(xian)延長其行程(cheng)長度。

動安靜、噪音低(di) 由于(yu)取消了傳動絲杠等部件(jian)的(de)機械(xie)摩擦，且導軌又可采用(yong)滾動導軌或磁墊懸浮導軌（無機械(xie)接觸），其運動時(shi)噪音將(jiang)大大降低(di)。

效率高 由于無(wu)中間傳動環節，消除(chu)了機械摩擦時的能量損耗。

直線電機的應用

直(zhi)線電機主要(yao)應用于三個(ge)方面：

應用于自動控(kong)制系統，這類應用場合(he)比較多；

作(zuo)為長期連續運行的驅動電(dian)機；

應(ying)用在需要短時間(jian)、短距(ju)離內提供巨大的(de)直線運動(dong)能的(de)裝置中。

U槽無刷直線電機可(ke)以直接驅動，無需(xu)將轉動轉為線性(xing)運動，機械結(jie)構簡單可(ke)靠。電機運行(xing)超平穩(wen)，無齒槽效(xiao)應，動態響應速(su)度極快(kuai)，慣量小，加(jia)速(su)度可(ke)達(da)20G，速度達到(dao)10-30m/s，低速1μm/s時運(yun)動平滑，剛(gang)性高(gao)，結構緊湊(cou)，可選(xuan)(xuan)配直(zhi)線(xian)編(bian)(bian)碼器做高(gao)精(jing)度(du)位置控制，其(qi)位置精(jing)度(du)取決于所選(xuan)(xuan)編(bian)(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(xing)槽式直(zhi)線電(dian)機分為鐵芯(xin)(xin)和(he)無(wu)鐵芯(xin)(xin)兩類，鐵芯(xin)(xin)類直(zhi)線電(dian)機單位(wei)體積出(chu)力更大(da)，非鐵芯(xin)(xin)直(zhi)線電(dian)機無(wu)磁滯和(he)渦(wo)流效應(ying)，運(yun)動更加平滑高速，磁損耗少，發熱小。

此類直線電機特別適用于：機器人、致動器、直線平臺(tai)、光(guang)學(xue)光(guang)纖排列定位、精密機床、半導體制(zhi)造(zao)、視覺系(xi)統、電(dian)子(zi)元(yuan)件接(jie)插(cha)、工廠(chang)自動化等(deng)對運(yun)動系(xi)統的(de)速度(du)和精度(du)同時要求較高的(de)應用場合。

直線電機的優缺點

直線電機的優點

1、結構簡單。管型直線電(dian)機(ji)不需要經過(guo)中間轉換機(ji)構而直接(jie)產生(sheng)直線運動，使(shi)(shi)結構大大簡化，運動慣量減少，動態(tai)響應性能和定位(wei)精度大大提高；同(tong)時也(ye)提高了可(ke)靠性，節約了成本，使(shi)(shi)制(zhi)造和維(wei)護(hu)更(geng)加簡便。它的(de)(de)初次(ci)級(ji)可(ke)以(yi)直接(jie)成為機(ji)構的(de)(de)一部分，這(zhe)(zhe)種獨特的(de)(de)結合使(shi)(shi)得這(zhe)(zhe)種優勢進一步體現出來。

2、適(shi)合高速(su)直線運動(dong)。因(yin)為不存在離心(xin)力的(de)約束，普通材(cai)料亦可以達到較高的(de)速(su)度(du)。而且如果(guo)初、次(ci)級間(jian)用(yong)氣墊或磁墊保存間(jian)隙，運動(dong)時無機(ji)械接(jie)觸，因(yin)而運動(dong)部分(fen)也就無摩擦和噪(zao)聲(sheng)。這樣，傳動(dong)零部件(jian)沒有磨損(sun)，可大大減小(xiao)機(ji)械損(sun)耗，避免(mian)拖纜、鋼索、齒輪與皮帶輪等(deng)所造成的(de)噪(zao)聲(sheng)，從而提高整體效率。

3、初級繞組(zu)(zu)(zu)(zu)利用率(lv)高(gao)。在管型直線感(gan)應電機中，初級繞組(zu)(zu)(zu)(zu)是餅(bing)式的，沒有端部(bu)繞組(zu)(zu)(zu)(zu)，因而繞組(zu)(zu)(zu)(zu)利用率(lv)高(gao)。

4、無橫(heng)向(xiang)邊緣效(xiao)應。橫(heng)向(xiang)效(xiao)應是指由于(yu)橫(heng)向(xiang)開斷造(zao)成(cheng)的(de)邊界處磁(ci)(ci)場(chang)的(de)削弱，而(er)圓筒型直線電(dian)機橫(heng)向(xiang)無開斷，所以磁(ci)(ci)場(chang)沿(yan)周向(xiang)均(jun)勻分布。

5、容易克服單(dan)邊磁(ci)拉力問題。徑向(xiang)拉力互(hu)相抵(di)消，基本不存在單(dan)邊磁(ci)拉力的問題。

6、易于(yu)調節和(he)控制。通過調節電壓或頻(pin)率，或更換次級材料，可以得到(dao)不同的速(su)度、電磁推力(li)，適用于(yu)低速(su)往復(fu)運行(xing)場合。

7、適(shi)應性(xing)強。直(zhi)線(xian)電機的(de)初級鐵芯可以用(yong)環氧(yang)樹脂封(feng)成整體，具有較(jiao)好的(de)防腐、防潮性(xing)能，便于在潮濕、粉塵(chen)和有害氣體的(de)環境中使用(yong)；而且可以設計(ji)成多(duo)種結構，滿(man)足不同情況的(de)需要。

8、高加速度。這是直線電(dian)機(ji)驅動(dong)，相比其他絲杠(gang)、同(tong)步帶(dai)和齒輪齒條驅動(dong)的(de)一個(ge)顯著優勢。

直線電機的缺點

1、直線電機(ji)的(de)耗(hao)電量(liang)大，尤(you)其在進行高荷載、高加速度(du)的(de)運動(dong)時(shi)，機(ji)床瞬間電流對車間的(de)供電系(xi)統(tong)帶來(lai)沉重負(fu)荷；

2、振動高，直線電機(ji)的動態剛(gang)性極低(di)，不(bu)能起(qi)緩沖阻尼作(zuo)用，在(zai)高速(su)運動時(shi)容(rong)易引起(qi)機(ji)床(chuang)其它(ta)部(bu)分共振；

3、發熱(re)(re)量大，固定在工(gong)作(zuo)臺(tai)底部的直(zhi)線電機動子是高發熱(re)(re)部件，安裝位置不利于自然散熱(re)(re)，對機床的恒溫控(kong)制造成很大挑戰(zhan)；

4、不能自鎖(suo)緊，為了保證操作安(an)全，直線電機(ji)驅動的運動軸，尤(you)其是垂直運動軸，必(bi)須要額外配備鎖(suo)緊機(ji)構，增加了機(ji)床的復雜性(xing)。

隨著高速(su)加(jia)工技(ji)術(shu)(shu)的(de)迅速(su)發展，對傳動及控制系統的(de)要求越來(lai)越高，使直(zhi)(zhi)線(xian)電(dian)機(ji)(ji)(ji)驅動技(ji)術(shu)(shu)的(de)研(yan)(yan)究力度在(zai)逐步加(jia)大(da)。現在(zai)直(zhi)(zhi)線(xian)電(dian)機(ji)(ji)(ji)的(de)許多(duo)缺(que)點已經被克(ke)服(fu)，直(zhi)(zhi)線(xian)電(dian)機(ji)(ji)(ji)的(de)動力性能(neng)也更(geng)(geng)加(jia)的(de)卓越。直(zhi)(zhi)線(xian)驅動技(ji)術(shu)(shu)的(de)研(yan)(yan)究既是技(ji)術(shu)(shu)向更(geng)(geng)高更(geng)(geng)快發展的(de)趨(qu)勢(shi)，同時也更(geng)(geng)能(neng)滿足市場需要，帶(dai)來(lai)更(geng)(geng)大(da)的(de)經濟效(xiao)益，成為未來(lai)發展的(de)必然趨(qu)勢(shi)。