直線電機(jī)的原理

從定子引出的側(cè)稱為一次側(cè)，從轉(zhuǎn)子引出的側(cè)稱為二次側(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中，一次側(cè)和二次側(cè)的制造長(zhǎng)度不同，以確保一次側(cè)和二次側(cè)之間的耦合在所需的行程范圍內(nèi)保持恒定。直線電機(jī)可以短一次長(zhǎng)二次，也可以長(zhǎng)一次短二次?？紤]到制造成本和運(yùn)行成本，以直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為例：當(dāng)一次繞組接入交流電源時(shí)，氣隙中會(huì)產(chǎn)生行波磁場(chǎng)。在二次行波磁場(chǎng)切割下，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生電流。氣隙中電流和磁場(chǎng)的相互作用會(huì)產(chǎn)生電磁推力。如果一次側(cè)固定，二次側(cè)在推力作用下沿直線運(yùn)動(dòng)。相反，初等做線性運(yùn)動(dòng)。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)直線電機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不僅要有良好的直線電機(jī)性能，而且要有安全可靠的條件，才能達(dá)到控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求。隨著自動(dòng)控制技術(shù)和微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)的控制方法越來(lái)越多。

對(duì)直線電機(jī)控制技術(shù)的研究可分為三個(gè)方面：一是傳統(tǒng)控制技術(shù)，二是現(xiàn)代控制技術(shù)，三是智能控制技術(shù)。傳統(tǒng)的控制技術(shù)如PID反饋控制和解耦控制在交流伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。PID控制包含了動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中的信息，具有很強(qiáng)的魯棒性，是交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最基本的控制方式。為了提高控制效果，通常采用解耦控制和矢量控制。當(dāng)對(duì)象模型是固定的、不變的、線性的，運(yùn)行條件和運(yùn)行環(huán)境是固定的、恒定的，傳統(tǒng)的控制方法簡(jiǎn)單有效。然而，在高性能、高精度微進(jìn)給的情況下，必須考慮物體結(jié)構(gòu)和參數(shù)的變化。各種非線性影響、運(yùn)行環(huán)境的變化和環(huán)境干擾等時(shí)變和不確定因素，使控制效果得到滿意的控制。因此，現(xiàn)代控制技術(shù)在直線伺服電機(jī)控制研究中引起了極大的重視。常用的控制方法有自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制和智能控制。它主要是結(jié)合模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、PID、H（H）等控制等成熟的控制方法，相互借鑒，以求獲得更好的控制性能。

 

直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)

 

直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以看作是將一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開，并將電機(jī)的圓周展開成直線而形成的。其中定子相當(dāng)于直線電機(jī)的初級(jí)，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線電機(jī)的次級(jí)，當(dāng)初級(jí)通入電流后，在初次級(jí)之間的氣隙中產(chǎn)生行波磁場(chǎng)，在行波磁場(chǎng)與次級(jí)永磁體的作用下產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件的直線運(yùn)動(dòng)。

 

直線電機(jī)的特點(diǎn)

 

高速響應(yīng)

 

由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的如絲杠等機(jī)械傳動(dòng)件，使整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能大大提高，反應(yīng)異常靈敏快捷。

 

位精度高 線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取消了由于絲杠等機(jī)械機(jī)構(gòu)引起的傳動(dòng)誤差減少了插補(bǔ)時(shí)因傳動(dòng)系統(tǒng)滯后帶來(lái)跟蹤誤差。通過(guò)直線位置檢測(cè)反饋控制，即可大大提高機(jī)床的定位精度。

 

傳動(dòng)環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運(yùn)動(dòng)滯后現(xiàn)象，同時(shí)提高了其傳動(dòng)剛度。

 

速度快、加減速過(guò)程短

 

行程長(zhǎng)度不受限制 在導(dǎo)軌上通過(guò)串聯(lián)直線電機(jī)，就可以無(wú)限延長(zhǎng)其行程長(zhǎng)度。

 

動(dòng)安靜、噪音低 由于取消了傳動(dòng)絲杠等部件的機(jī)械摩擦，且導(dǎo)軌又可采用滾動(dòng)導(dǎo)軌或磁墊懸浮導(dǎo)軌（無(wú)機(jī)械接觸），其運(yùn)動(dòng)時(shí)噪音將大大降低。

 

效率高 由于無(wú)中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，消除了機(jī)械摩擦?xí)r的能量損耗。

 

直線電機(jī)的應(yīng)用

 

直線電機(jī)主要應(yīng)用于三個(gè)方面：

 

應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)，這類應(yīng)用場(chǎng)合比較多；

 

作為長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；

 

應(yīng)用在需要短時(shí)間、短距離內(nèi)提供巨大的直線運(yùn)動(dòng)能的裝置中。

 

U槽無(wú)刷直線電機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)，無(wú)需將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)為線性運(yùn)動(dòng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。電機(jī)運(yùn)行超平穩(wěn)，無(wú)齒槽效應(yīng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度極快，慣量小，加速度可達(dá)20G，速度達(dá)到10-30m/s，低速1µm/s時(shí)運(yùn)動(dòng)平滑，剛性高，結(jié)構(gòu)緊湊，可選配直線編碼器做高精度位置控制，其位置精度取決于所選編碼器。

 

定子軌道可以按需要連接，因而理論上電機(jī)長(zhǎng)度不限。電機(jī)動(dòng)子與定子不接觸運(yùn)動(dòng)，沒有采用普通絲桿滾珠和皮帶等傳動(dòng)的磨損、卡死、背隙問(wèn)題，因此我們的直線電機(jī)可以達(dá)到免維護(hù)長(zhǎng)期工作。我們的U型槽式直線電機(jī)分為鐵芯和無(wú)鐵芯兩類，鐵芯類直線電機(jī)單位體積出力更大，非鐵芯直線電機(jī)無(wú)磁滯和渦流效應(yīng)，運(yùn)動(dòng)更加平滑高速，磁損耗少，發(fā)熱小。 

 

此類直線電機(jī)特別適用于：機(jī)器人、致動(dòng)器、直線平臺(tái)、光學(xué)光纖排列定位、精密機(jī)床、半導(dǎo)體制造、視覺系統(tǒng)、電子元件接插、工廠自動(dòng)化等對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的速度和精度同時(shí)要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合。

 

直線電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

直線電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

 

1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。管型直線電機(jī)不需要經(jīng)過(guò)中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)而直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，運(yùn)動(dòng)慣量減少，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和定位精度大大提高；同時(shí)也提高了可靠性，節(jié)約了成本，使制造和維護(hù)更加簡(jiǎn)便。它的初次級(jí)可以直接成為機(jī)構(gòu)的一部分，這種獨(dú)特的結(jié)合使得這種優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步體現(xiàn)出來(lái)。

 

2、適合高速直線運(yùn)動(dòng)。因?yàn)椴淮嬖陔x心力的約束，普通材料亦可以達(dá)到較高的速度。而且如果初、次級(jí)間用氣墊或磁墊保存間隙，運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)機(jī)械接觸，因而運(yùn)動(dòng)部分也就無(wú)摩擦和噪聲。這樣，傳動(dòng)零部件沒有磨損，可大大減小機(jī)械損耗，避免拖纜、鋼索、齒輪與皮帶輪等所造成的噪聲，從而提高整體效率。

 

3、初級(jí)繞組利用率高。在管型直線感應(yīng)電機(jī)中，初級(jí)繞組是餅式的，沒有端部繞組，因而繞組利用率高。

 

4、無(wú)橫向邊緣效應(yīng)。橫向效應(yīng)是指由于橫向開斷造成的邊界處磁場(chǎng)的削弱，而圓筒型直線電機(jī)橫向無(wú)開斷，所以磁場(chǎng)沿周向均勻分布。

 

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

 

6、易于調(diào)節(jié)和控制。通過(guò)調(diào)節(jié)電壓或頻率，或更換次級(jí)材料，可以得到不同的速度、電磁推力，適用于低速往復(fù)運(yùn)行場(chǎng)合。

 

7、適應(yīng)性強(qiáng)。直線電機(jī)的初級(jí)鐵芯可以用環(huán)氧樹脂封成整體，具有較好的防腐、防潮性能，便于在潮濕、粉塵和有害氣體的環(huán)境中使用；而且可以設(shè)計(jì)成多種結(jié)構(gòu)，滿足不同情況的需要。

 

8、高加速度。這是直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，相比其他絲杠、同步帶和齒輪齒條驅(qū)動(dòng)的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。

 

直線電機(jī)的缺點(diǎn)

 

1、直線電機(jī)的耗電量大，尤其在進(jìn)行高荷載、高加速度的運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)床瞬間電流對(duì)車間的供電系統(tǒng)帶來(lái)沉重負(fù)荷；

 

2、振動(dòng)高，直線電機(jī)的動(dòng)態(tài)剛性極低，不能起緩沖阻尼作用，在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)容易引起機(jī)床其它部分共振；

 

3、發(fā)熱量大，固定在工作臺(tái)底部的直線電機(jī)動(dòng)子是高發(fā)熱部件，安裝位置不利于自然散熱，對(duì)機(jī)床的恒溫控制造成很大挑戰(zhàn)；

 

4、不能自鎖緊，為了保證操作安全，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軸，尤其是垂直運(yùn)動(dòng)軸，必須要額外配備鎖緊機(jī)構(gòu)，增加了機(jī)床的復(fù)雜性。

 

隨著高速加工技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)傳動(dòng)及控制系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，使直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究力度在逐步加大。現(xiàn)在直線電機(jī)的許多缺點(diǎn)已經(jīng)被克服，直線電機(jī)的動(dòng)力性能也更加的卓越。直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究既是技術(shù)向更高更快發(fā)展的趨勢(shì)，同時(shí)也更能滿足市場(chǎng)需要，帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益，成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。