【直線電(dian)機】直線電(dian)機原(yuan)理與應用 直線電機(ji)的優缺點

直線電機原理

由定(ding)子演(yan)變(bian)而(er)來的(de)(de)(de)(de)一(yi)側稱(cheng)為(wei)初(chu)(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)，由轉(zhuan)子演(yan)變(bian)而(er)來的(de)(de)(de)(de)一(yi)側稱(cheng)為(wei)次(ci)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)。在(zai)(zai)實際應(ying)用(yong)時，將(jiang)(jiang)初(chu)(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)和次(ci)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)制(zhi)造成不同的(de)(de)(de)(de)長(chang)度，以(yi)保證在(zai)(zai)所需(xu)行程范圍內初(chu)(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)與次(ci)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)之間的(de)(de)(de)(de)耦合(he)保持不變(bian)。直線電(dian)(dian)機可以(yi)是短初(chu)(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)長(chang)次(ci)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)，也可以(yi)是長(chang)初(chu)(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)短次(ci)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)。考慮到制(zhi)造成本、運(yun)行費用(yong)，以(yi)直線感(gan)應(ying)電(dian)(dian)動(dong)(dong)機為(wei)例(li)：當初(chu)(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)繞組(zu)通(tong)入交流(liu)電(dian)(dian)源(yuan)時，便在(zai)(zai)氣(qi)隙中產生(sheng)行波磁(ci)場，次(ci)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)在(zai)(zai)行波磁(ci)場切割下，將(jiang)(jiang)感(gan)應(ying)出電(dian)(dian)動(dong)(dong)勢并產生(sheng)電(dian)(dian)流(liu)，該電(dian)(dian)流(liu)與氣(qi)隙中的(de)(de)(de)(de)磁(ci)場相(xiang)作(zuo)用(yong)就產生(sheng)電(dian)(dian)磁(ci)推(tui)力(li)。如果初(chu)(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)固定(ding)，則次(ci)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)在(zai)(zai)推(tui)力(li)作(zuo)用(yong)下做直線運(yun)動(dong)(dong)；反之，則初(chu)(chu)級(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)做直線運(yun)動(dong)(dong)。直線電(dian)(dian)機的(de)(de)(de)(de)驅動(dong)(dong)控(kong)(kong)制(zhi)技(ji)術(shu)一(yi)個直線電(dian)(dian)機應(ying)用(yong)系統(tong)(tong)不僅要有性能良好的(de)(de)(de)(de)直線電(dian)(dian)機，還必(bi)須具有能在(zai)(zai)安全可靠的(de)(de)(de)(de)條(tiao)件(jian)下實現技(ji)術(shu)與經濟要求的(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)系統(tong)(tong)。隨(sui)著(zhu)自動(dong)(dong)控(kong)(kong)制(zhi)技(ji)術(shu)與微計(ji)算機技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)發展，直線電(dian)(dian)機的(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)方法越來越多。

對直線電機控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)研究(jiu)基本上可(ke)以(yi)(yi)分為三個方面：一是(shi)(shi)傳(chuan)統控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)，二是(shi)(shi)現(xian)代控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)，三是(shi)(shi)智能(neng)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)。傳(chuan)統的(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)如PID反饋控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、解耦控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)等(deng)在交流(liu)伺(si)服系統中(zhong)(zhong)得(de)到了廣泛的(de)(de)(de)應(ying)用。其(qi)中(zhong)(zhong)PID控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)蘊涵動(dong)態(tai)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)過程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)信息(xi)，具有(you)(you)較強的(de)(de)(de)魯棒性，是(shi)(shi)交流(liu)伺(si)服電機驅動(dong)系統中(zhong)(zhong)最基本的(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方式。為了提高控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)效(xiao)果(guo)，往(wang)往(wang)采用解耦控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)和矢量控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)。在對象(xiang)(xiang)模型確定、不(bu)變(bian)化且是(shi)(shi)線性的(de)(de)(de)以(yi)(yi)及操作條件、運行(xing)環境(jing)(jing)是(shi)(shi)確定不(bu)變(bian)的(de)(de)(de)條件下，采用傳(chuan)統控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)是(shi)(shi)簡(jian)單有(you)(you)效(xiao)的(de)(de)(de)。但是(shi)(shi)在高精度(du)微進給的(de)(de)(de)高性能(neng)場(chang)合，就必須考慮(lv)對象(xiang)(xiang)結構與參(can)數的(de)(de)(de)變(bian)化。各種非線性的(de)(de)(de)影響(xiang)，運行(xing)環境(jing)(jing)的(de)(de)(de)改變(bian)及環境(jing)(jing)干擾(rao)等(deng)時變(bian)和不(bu)確定因(yin)(yin)素，才能(neng)得(de)到滿意的(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)效(xiao)果(guo)。因(yin)(yin)此，現(xian)代控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)在直線伺(si)服電機控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)研究(jiu)中(zhong)(zhong)引起了很(hen)大的(de)(de)(de)重視。常(chang)用控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方法(fa)(fa)有(you)(you)：自(zi)適應(ying)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、滑模變(bian)結構控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、魯棒控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)及智能(neng)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。主要是(shi)(shi)將模糊邏輯、神經網(wang)絡與PID、H∞控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)等(deng)現(xian)有(you)(you)的(de)(de)(de)成熟的(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方法(fa)(fa)相結合，取長補(bu)短，以(yi)(yi)獲(huo)得(de)更(geng)好的(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(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(you)于系統中直接取消(xiao)了一些響應(ying)時間常數較大(da)的如絲(si)杠等機械傳動(dong)件，使整個閉環控制系統動(dong)態響應(ying)性能大(da)大(da)提高，反(fan)應(ying)異常靈敏快捷。

位(wei)精度高(gao) 線(xian)驅動(dong)系統取消(xiao)了由(you)于絲杠等機(ji)(ji)械(xie)機(ji)(ji)構引起的(de)傳動(dong)誤差減少了插補時因傳動(dong)系統滯(zhi)后帶來(lai)跟蹤誤差。通過直(zhi)線(xian)位(wei)置(zhi)檢測反饋控制，即可大(da)大(da)提高(gao)機(ji)(ji)床的(de)定位(wei)精度。

傳動(dong)環節的彈(dan)性變形、摩擦磨損和(he)反(fan)向(xiang)間隙造(zao)成的運動(dong)滯(zhi)后現(xian)象，同時提高了其傳動(dong)剛(gang)度。

速度快、加減速過程短

行程長(chang)度不受(shou)限(xian)制 在導(dao)軌上通過串聯(lian)直線電機，就可以無限(xian)延長(chang)其行程長(chang)度。

動(dong)安靜、噪音低 由(you)于取消了傳動(dong)絲(si)杠等部件(jian)的(de)機械摩擦，且導(dao)(dao)軌又可(ke)采用(yong)滾(gun)動(dong)導(dao)(dao)軌或磁墊懸浮導(dao)(dao)軌（無機械接觸），其運(yun)動(dong)時噪音將大(da)(da)大(da)(da)降低。

效率(lv)高 由(you)于無(wu)中間傳動環節，消(xiao)除了機械(xie)摩擦時的能量損耗。

直線電機的應用

直(zhi)線電機主要(yao)應用于三個方面(mian)：

應用于自動控(kong)制系統，這類應用場合比較多；

作為(wei)長期連續運行(xing)的驅動電機；

應用在需要(yao)短(duan)時間、短(duan)距(ju)離內(nei)提供(gong)巨(ju)大的直線(xian)運(yun)動(dong)能的裝置中。

U槽無(wu)刷直(zhi)線(xian)電機可以直(zhi)接(jie)驅動，無(wu)需將轉動轉為線(xian)性運(yun)動，機械結構簡(jian)單(dan)可靠。電機運(yun)行超平穩，無(wu)齒槽效應，動態響應速度極快，慣量小，加速度可達20G，速度(du)達到10-30m/s，低速1μm/s時運(yun)動平滑(hua)，剛性高(gao)，結構緊湊，可選配直線編碼(ma)器做高(gao)精(jing)度(du)位置控制，其位置精(jing)度(du)取決于所選編碼(ma)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(dian)機分為(wei)鐵(tie)芯(xin)(xin)和無鐵(tie)芯(xin)(xin)兩類，鐵(tie)芯(xin)(xin)類直(zhi)線電(dian)機單位體積(ji)出力更大(da)，非鐵(tie)芯(xin)(xin)直(zhi)線電(dian)機無磁(ci)滯和渦(wo)流效應，運動更加平(ping)滑(hua)高速，磁(ci)損耗(hao)少(shao)，發熱(re)小。

此類直線電機特別適用于：機器人、致動(dong)(dong)器、直線平臺、光學光纖排(pai)列定位、精(jing)密機床、半導體制造、視覺系統(tong)、電子元件接插、工廠自動(dong)(dong)化等對運動(dong)(dong)系統(tong)的(de)速度和精(jing)度同(tong)時要(yao)求較(jiao)高的(de)應用(yong)場合(he)。

直線電機的優缺點

直線電機的優點

1、結(jie)構(gou)(gou)簡單。管型直(zhi)線電(dian)機不需要(yao)經過中間(jian)轉換(huan)機構(gou)(gou)而直(zhi)接產生直(zhi)線運(yun)動，使(shi)結(jie)構(gou)(gou)大大簡化，運(yun)動慣量減少(shao)，動態響應(ying)性能和定(ding)位精(jing)度大大提(ti)高(gao)；同時也提(ti)高(gao)了可靠性，節約了成本，使(shi)制造和維護更加簡便。它(ta)的(de)初次級(ji)可以直(zhi)接成為機構(gou)(gou)的(de)一部分，這種獨特的(de)結(jie)合使(shi)得這種優勢進一步(bu)體(ti)現出來。

2、適合高(gao)速(su)直線運動(dong)。因(yin)為不存在離心力的約束，普(pu)通材料亦(yi)可(ke)以達到(dao)較高(gao)的速(su)度。而(er)且如(ru)果初、次級間用氣墊(dian)(dian)或(huo)磁墊(dian)(dian)保(bao)存間隙(xi)，運動(dong)時(shi)無(wu)機(ji)械(xie)接(jie)觸，因(yin)而(er)運動(dong)部分也就無(wu)摩擦和噪(zao)聲。這樣，傳動(dong)零部件沒(mei)有磨損(sun)，可(ke)大(da)大(da)減小機(ji)械(xie)損(sun)耗，避(bi)免拖纜、鋼索、齒輪與皮(pi)帶輪等(deng)所(suo)造(zao)成的噪(zao)聲，從而(er)提高(gao)整體效率。

3、初(chu)級(ji)(ji)繞組(zu)利用(yong)率高。在管型直線感(gan)應電機(ji)中，初(chu)級(ji)(ji)繞組(zu)是餅式的，沒(mei)有端部繞組(zu)，因而繞組(zu)利用(yong)率高。

4、無橫(heng)(heng)向邊緣效應(ying)。橫(heng)(heng)向效應(ying)是指由于橫(heng)(heng)向開斷造成的邊界(jie)處磁(ci)(ci)場(chang)(chang)的削弱(ruo)，而圓筒型直線電機(ji)橫(heng)(heng)向無開斷，所以磁(ci)(ci)場(chang)(chang)沿周(zhou)向均(jun)勻分布。

5、容易克服單(dan)邊磁(ci)拉力問(wen)題。徑向拉力互(hu)相抵(di)消，基本(ben)不存在單(dan)邊磁(ci)拉力的(de)問(wen)題。

6、易于調節和控(kong)制。通(tong)過調節電壓或(huo)頻率，或(huo)更換次級(ji)材料(liao)，可以得到不同的速(su)(su)度、電磁推(tui)力(li)，適用(yong)于低速(su)(su)往復運行場(chang)合。

7、適應性強。直線(xian)電(dian)機的(de)(de)初級鐵芯可以(yi)用環(huan)(huan)氧樹脂(zhi)封成(cheng)整體，具有較好的(de)(de)防腐、防潮性能，便(bian)于在潮濕、粉塵(chen)和有害氣體的(de)(de)環(huan)(huan)境中使用；而(er)且可以(yi)設(she)計成(cheng)多種結構，滿足不同(tong)情況(kuang)的(de)(de)需要。

8、高加速度。這是直(zhi)線電機驅(qu)動(dong)，相比其他絲杠、同(tong)步帶和齒輪齒條驅(qu)動(dong)的一(yi)個顯著優(you)勢。

直線電機的缺點

1、直線(xian)電機的耗電量大，尤其在進行(xing)高荷(he)載、高加速度的運動時，機床瞬(shun)間電流對車間的供(gong)電系統帶來沉重負荷(he)；

2、振(zhen)動高，直線(xian)電機的動態(tai)剛性極低，不(bu)能(neng)起(qi)緩沖阻尼作(zuo)用，在高速運動時容易(yi)引起(qi)機床其它部(bu)分共振(zhen)；

3、發熱量大(da)，固定在工作臺底部的直線電機動子是高發熱部件，安裝位(wei)置不利于自然散熱，對(dui)機床的恒溫控制造成很大(da)挑戰；

4、不(bu)能自鎖(suo)緊，為了保證操作(zuo)安全，直(zhi)線電機(ji)驅(qu)動(dong)(dong)的運(yun)動(dong)(dong)軸(zhou)，尤其是垂(chui)直(zhi)運(yun)動(dong)(dong)軸(zhou)，必須(xu)要額外配備鎖(suo)緊機(ji)構，增加了機(ji)床的復雜性(xing)。

隨(sui)著高(gao)速加(jia)工技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)迅速發(fa)展，對傳(chuan)動(dong)(dong)(dong)及控(kong)制系統的(de)(de)(de)要求越來(lai)越高(gao)，使(shi)直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)線電(dian)(dian)機(ji)(ji)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)研究(jiu)力(li)度在逐步加(jia)大(da)(da)。現在直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)線電(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)許多缺點(dian)已經被克服，直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)線電(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力(li)性能也更(geng)(geng)加(jia)的(de)(de)(de)卓(zhuo)越。直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)線驅(qu)動(dong)(dong)(dong)技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)研究(jiu)既是技(ji)術(shu)向(xiang)更(geng)(geng)高(gao)更(geng)(geng)快(kuai)發(fa)展的(de)(de)(de)趨勢，同時也更(geng)(geng)能滿足市(shi)場需要，帶(dai)來(lai)更(geng)(geng)大(da)(da)的(de)(de)(de)經濟效益(yi)，成(cheng)為(wei)未來(lai)發(fa)展的(de)(de)(de)必然趨勢。