【直(zhi)線(xian)電機(ji)】直(zhi)線(xian)電機(ji)原理與應用(yong) 直線(xian)電機的優缺點

直線電機原理

由定(ding)子演變而(er)來的(de)(de)(de)一側稱(cheng)為初(chu)級(ji)(ji)，由轉子演變而(er)來的(de)(de)(de)一側稱(cheng)為次(ci)(ci)(ci)級(ji)(ji)。在(zai)實(shi)際應(ying)用(yong)時，將初(chu)級(ji)(ji)和次(ci)(ci)(ci)級(ji)(ji)制(zhi)(zhi)(zhi)造成不(bu)(bu)同的(de)(de)(de)長度(du)，以(yi)保證在(zai)所需(xu)行(xing)(xing)程范(fan)圍內初(chu)級(ji)(ji)與(yu)次(ci)(ci)(ci)級(ji)(ji)之(zhi)間的(de)(de)(de)耦合保持不(bu)(bu)變。直(zhi)線(xian)(xian)電(dian)機(ji)可(ke)以(yi)是(shi)短初(chu)級(ji)(ji)長次(ci)(ci)(ci)級(ji)(ji)，也可(ke)以(yi)是(shi)長初(chu)級(ji)(ji)短次(ci)(ci)(ci)級(ji)(ji)。考慮到制(zhi)(zhi)(zhi)造成本(ben)、運(yun)行(xing)(xing)費用(yong)，以(yi)直(zhi)線(xian)(xian)感應(ying)電(dian)動機(ji)為例(li)：當(dang)初(chu)級(ji)(ji)繞組通入交(jiao)流(liu)電(dian)源(yuan)時，便在(zai)氣隙(xi)中產生行(xing)(xing)波磁(ci)場(chang)(chang)，次(ci)(ci)(ci)級(ji)(ji)在(zai)行(xing)(xing)波磁(ci)場(chang)(chang)切割下，將感應(ying)出(chu)電(dian)動勢并(bing)產生電(dian)流(liu)，該電(dian)流(liu)與(yu)氣隙(xi)中的(de)(de)(de)磁(ci)場(chang)(chang)相作用(yong)就產生電(dian)磁(ci)推力。如果初(chu)級(ji)(ji)固定(ding)，則(ze)次(ci)(ci)(ci)級(ji)(ji)在(zai)推力作用(yong)下做直(zhi)線(xian)(xian)運(yun)動；反之(zhi)，則(ze)初(chu)級(ji)(ji)做直(zhi)線(xian)(xian)運(yun)動。直(zhi)線(xian)(xian)電(dian)機(ji)的(de)(de)(de)驅動控制(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)一個直(zhi)線(xian)(xian)電(dian)機(ji)應(ying)用(yong)系統不(bu)(bu)僅要有性(xing)能良(liang)好的(de)(de)(de)直(zhi)線(xian)(xian)電(dian)機(ji)，還必須具有能在(zai)安全(quan)可(ke)靠(kao)的(de)(de)(de)條件(jian)下實(shi)現(xian)技(ji)術(shu)與(yu)經濟(ji)要求的(de)(de)(de)控制(zhi)(zhi)(zhi)系統。隨(sui)著自動控制(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)與(yu)微計算機(ji)技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)發展，直(zhi)線(xian)(xian)電(dian)機(ji)的(de)(de)(de)控制(zhi)(zhi)(zhi)方法越來越多。

對直(zhi)線(xian)電(dian)機(ji)(ji)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)研究基(ji)本(ben)上可以(yi)分為(wei)三個方面：一是(shi)(shi)傳統控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)，二是(shi)(shi)現代控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)，三是(shi)(shi)智能(neng)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)。傳統的(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)如PID反饋(kui)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、解(jie)耦(ou)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)等在交流伺服(fu)(fu)系統中(zhong)得到了(le)廣泛(fan)的(de)(de)(de)(de)應用。其中(zhong)PID控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)蘊涵動態(tai)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)信息，具有較強的(de)(de)(de)(de)魯棒(bang)性(xing)(xing)，是(shi)(shi)交流伺服(fu)(fu)電(dian)機(ji)(ji)驅動系統中(zhong)最基(ji)本(ben)的(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方式。為(wei)了(le)提高(gao)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)效果(guo)，往往采用解(jie)耦(ou)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)和矢量(liang)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)。在對象模型確定、不變(bian)化且是(shi)(shi)線(xian)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)以(yi)及操(cao)作條件、運(yun)行環境是(shi)(shi)確定不變(bian)的(de)(de)(de)(de)條件下，采用傳統控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)是(shi)(shi)簡(jian)單(dan)有效的(de)(de)(de)(de)。但是(shi)(shi)在高(gao)精度微進給的(de)(de)(de)(de)高(gao)性(xing)(xing)能(neng)場合(he)，就必須考慮(lv)對象結(jie)構(gou)與參數的(de)(de)(de)(de)變(bian)化。各種(zhong)非線(xian)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)影響，運(yun)行環境的(de)(de)(de)(de)改變(bian)及環境干(gan)擾等時變(bian)和不確定因素，才能(neng)得到滿意的(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)效果(guo)。因此，現代控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)在直(zhi)線(xian)伺服(fu)(fu)電(dian)機(ji)(ji)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)研究中(zhong)引起了(le)很(hen)大的(de)(de)(de)(de)重視(shi)。常用控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方法有：自適應控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、滑模變(bian)結(jie)構(gou)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、魯棒(bang)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)及智能(neng)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。主要是(shi)(shi)將模糊邏輯、神經網絡與PID、H∞控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)等現有的(de)(de)(de)(de)成熟的(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方法相結(jie)合(he)，取長補短，以(yi)獲(huo)得更好的(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)性(xing)(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)系統中直接取消了一些響應(ying)時間常數較大(da)(da)的如絲杠等機械傳動件，使整個(ge)閉環(huan)控制(zhi)系統動態響應(ying)性能大(da)(da)大(da)(da)提(ti)高，反應(ying)異常靈(ling)敏快捷。

位精度高(gao) 線驅動(dong)系統取消(xiao)了由于絲杠等機械機構引起的(de)傳動(dong)誤差減少了插補時因傳動(dong)系統滯后(hou)帶(dai)來跟(gen)蹤誤差。通過直線位置(zhi)檢測(ce)反饋(kui)控制，即(ji)可大大提高(gao)機床(chuang)的(de)定(ding)位精度。

傳(chuan)動(dong)環節的(de)彈性變(bian)形、摩擦磨(mo)損和反向間隙造成的(de)運動(dong)滯后(hou)現象(xiang)，同時提高了其(qi)傳(chuan)動(dong)剛(gang)度。

速度快、加減速過程短

行程(cheng)長度不受限制 在導軌上通(tong)過串(chuan)聯(lian)直線電機，就可以無限延長其(qi)行程(cheng)長度。

動(dong)安靜(jing)、噪音(yin)低 由于取消(xiao)了傳(chuan)動(dong)絲(si)杠(gang)等(deng)部(bu)件(jian)的機械摩擦，且導軌(gui)(gui)又可采用滾動(dong)導軌(gui)(gui)或(huo)磁墊(dian)懸浮(fu)導軌(gui)(gui)（無機械接觸），其(qi)運動(dong)時噪音(yin)將(jiang)大大降(jiang)低。

效率(lv)高 由于無(wu)中間傳動(dong)環節，消除了機械(xie)摩擦時的能量損(sun)耗。

直線電機的應用

直線電機主要應用(yong)于(yu)三個方(fang)面(mian)：

應(ying)用(yong)于自動控(kong)制系統(tong)，這類應(ying)用(yong)場合比較多；

作為長期連續運(yun)行的驅動電機；

應用在需要短(duan)時間、短(duan)距離內提供巨大的直(zhi)線運動能的裝置中。

U槽(cao)無(wu)(wu)刷直線(xian)電機(ji)可(ke)以(yi)直接驅動，無(wu)(wu)需將轉動轉為線(xian)性運(yun)動，機(ji)械結構簡單可(ke)靠。電機(ji)運(yun)行超(chao)平穩(wen)，無(wu)(wu)齒槽(cao)效應，動態響應速(su)(su)度極快，慣量小，加速(su)(su)度可(ke)達20G，速(su)度(du)達到(dao)10-30m/s，低(di)速1μm/s時運動平滑，剛(gang)性高(gao)，結構緊湊，可(ke)選配直(zhi)線編碼器做高(gao)精(jing)度位置控制，其(qi)位置精(jing)度取決(jue)于(yu)所(suo)選編碼器。

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型槽式直線(xian)電(dian)機分為鐵(tie)芯(xin)和(he)無鐵(tie)芯(xin)兩類，鐵(tie)芯(xin)類直線(xian)電(dian)機單位體積出力(li)更(geng)大，非鐵(tie)芯(xin)直線(xian)電(dian)機無磁滯和(he)渦流效應，運動更(geng)加平滑高(gao)速(su)，磁損(sun)耗少，發熱(re)小(xiao)。

此類直線電機特別適用于：機器人、致動(dong)器(qi)、直線(xian)平臺、光學光纖(xian)排列(lie)定位、精密機床、半(ban)導體制造、視覺系統、電子元件接(jie)插、工(gong)廠(chang)自動(dong)化(hua)等對(dui)運動(dong)系統的速(su)度和精度同時(shi)要求(qiu)較(jiao)高(gao)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(jian)單。管型直(zhi)線(xian)電機(ji)不需要經過中間轉(zhuan)換機(ji)構而直(zhi)接(jie)產生直(zhi)線(xian)運動，使結構大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)簡(jian)化，運動慣量(liang)減(jian)少(shao)，動態(tai)響(xiang)應性能和定(ding)位精度(du)大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)提高(gao)；同時也提高(gao)了(le)可(ke)靠(kao)性，節約了(le)成本，使制(zhi)造和維護(hu)更加簡(jian)便。它的初(chu)次(ci)級(ji)可(ke)以直(zhi)接(jie)成為機(ji)構的一(yi)部分，這(zhe)種獨特的結合使得這(zhe)種優勢進一(yi)步(bu)體現出來。

2、適合高速直線(xian)運動。因為不(bu)存在離心力的(de)約束，普通材料亦可以達到較高的(de)速度。而且如(ru)果初、次級(ji)間(jian)用氣墊或磁墊保存間(jian)隙，運動時無機(ji)械接觸，因而運動部分也(ye)就無摩擦和(he)噪聲。這樣，傳動零部件沒有磨損(sun)，可大大減(jian)小機(ji)械損(sun)耗(hao)，避免拖纜、鋼(gang)索、齒輪與皮帶輪等所造(zao)成的(de)噪聲，從(cong)而提高整體效率。

3、初級繞(rao)組(zu)(zu)利用(yong)率高。在管型直線感(gan)應電機中，初級繞(rao)組(zu)(zu)是餅式(shi)的，沒(mei)有端部繞(rao)組(zu)(zu)，因而(er)繞(rao)組(zu)(zu)利用(yong)率高。

4、無橫(heng)向(xiang)(xiang)邊緣效(xiao)應。橫(heng)向(xiang)(xiang)效(xiao)應是指(zhi)由于橫(heng)向(xiang)(xiang)開(kai)(kai)斷造(zao)成的邊界處磁場的削弱，而圓筒型直線電(dian)機橫(heng)向(xiang)(xiang)無開(kai)(kai)斷，所以(yi)磁場沿周向(xiang)(xiang)均勻分布。

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

6、易于調節和(he)控制。通過調節電壓或頻率，或更換次級材料，可以得到不同的速(su)度、電磁推(tui)力，適用于低速(su)往復運行(xing)場合。

7、適應性強。直線電機的(de)(de)初(chu)級鐵芯可(ke)以(yi)用環氧(yang)樹脂封(feng)成整體，具有(you)(you)較(jiao)好的(de)(de)防腐、防潮性能，便(bian)于在潮濕、粉塵和有(you)(you)害氣體的(de)(de)環境中使用；而且可(ke)以(yi)設計成多(duo)種(zhong)結構，滿足(zu)不同(tong)情況的(de)(de)需要。

8、高(gao)加速度。這是直(zhi)線電機驅動，相比其(qi)他(ta)絲杠(gang)、同(tong)步帶和(he)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(de)耗電量大，尤其在(zai)進行高(gao)(gao)荷載、高(gao)(gao)加速度(du)的(de)運(yun)動時，機床瞬間(jian)電流對車間(jian)的(de)供電系統(tong)帶來(lai)沉重(zhong)負荷；

2、振動(dong)高，直線電機的動(dong)態剛性極低，不能起緩沖阻尼作用，在(zai)高速運(yun)動(dong)時容易引(yin)起機床其它部分共振；

3、發熱(re)量大(da)，固定在工作臺(tai)底部的(de)直線電機動子(zi)是高發熱(re)部件，安裝位(wei)置不利于(yu)自然散熱(re)，對(dui)機床的(de)恒(heng)溫控制造成很大(da)挑戰；

4、不能自鎖(suo)緊(jin)，為了保證操作安全，直線電機驅(qu)動的運動軸，尤其是(shi)垂直運動軸，必須要(yao)額外配備鎖(suo)緊(jin)機構，增(zeng)加了機床的復(fu)雜性。

隨(sui)著高(gao)速加工技(ji)術的(de)(de)(de)迅速發(fa)展(zhan)，對傳動(dong)(dong)及控制系統的(de)(de)(de)要(yao)求越來(lai)越高(gao)，使直(zhi)線(xian)(xian)電(dian)機驅動(dong)(dong)技(ji)術的(de)(de)(de)研究(jiu)力度在逐(zhu)步(bu)加大。現在直(zhi)線(xian)(xian)電(dian)機的(de)(de)(de)許多缺點(dian)已經被克服，直(zhi)線(xian)(xian)電(dian)機的(de)(de)(de)動(dong)(dong)力性能也更加的(de)(de)(de)卓越。直(zhi)線(xian)(xian)驅動(dong)(dong)技(ji)術的(de)(de)(de)研究(jiu)既是技(ji)術向更高(gao)更快發(fa)展(zhan)的(de)(de)(de)趨(qu)勢，同時也更能滿足市場需要(yao)，帶來(lai)更大的(de)(de)(de)經濟效(xiao)益(yi)，成(cheng)為(wei)未(wei)來(lai)發(fa)展(zhan)的(de)(de)(de)必然(ran)趨(qu)勢。