什么是直線電機(jī)?

　　直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。我們也稱其為線性電機(jī)，線性馬達(dá)，直線馬達(dá)，推桿馬達(dá)。最常用的直線電機(jī)類型是平板式直線電機(jī)、U型槽式直線電機(jī)和圓柱型直線電機(jī)。它具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、磨損少、噪聲低、組合性強(qiáng)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)所具有的品種，直線電機(jī)幾乎都有相對(duì)應(yīng)的品種。

　　直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

　　直線的結(jié)構(gòu)主要包括定子、動(dòng)子和直線運(yùn)動(dòng)的支撐輪三部分。為了保證在行程范圍內(nèi)定子和動(dòng)子之間具有良好的電磁場(chǎng)耦合，定子和動(dòng)子的鐵心長(zhǎng)度不等。定子可制成短定子和長(zhǎng)定子兩種形式。由于長(zhǎng)定子結(jié)構(gòu)成本高、運(yùn)行費(fèi)用高，所以很少采用。直線電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一樣，定子鐵心也是由硅鋼片疊成，表面開(kāi)有齒槽;槽中嵌有三相、兩相或單相繞組;單相直線異步電動(dòng)機(jī)可制成罩極式，也可通過(guò)電容移相。

　　直線電機(jī)是將傳統(tǒng)圓筒型電機(jī)的初級(jí)展開(kāi)拉直，變初級(jí)的封閉磁場(chǎng)為開(kāi)放磁場(chǎng)，而旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子部分變?yōu)橹本€電機(jī)的初級(jí)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分變?yōu)橹本€電機(jī)的次級(jí)。如果初級(jí)是固定不動(dòng)的，次級(jí)就能沿著行波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向做直線運(yùn)動(dòng)。即可實(shí)現(xiàn)高速機(jī)床的直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給方式，把直線電機(jī)的初級(jí)和次級(jí)分別直接安裝在高速機(jī)床的工作臺(tái)與床身上。由于這種進(jìn)給傳動(dòng)方式的傳動(dòng)鏈縮短為0，被稱為機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的“零傳動(dòng)”。

　　直線電機(jī)的工作原理

　　在直線電機(jī)中，相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子的，叫初級(jí);相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的，叫次級(jí)，初級(jí)中通以交流，次級(jí)就在電磁力的作用下沿著初級(jí)做直線運(yùn)動(dòng)。這時(shí)初級(jí)要做得很長(zhǎng)，延伸到運(yùn)動(dòng)所需要達(dá)到的位置，而次級(jí)則不需要那么長(zhǎng)，實(shí)際上，直線電機(jī)既可以把初級(jí)做得很長(zhǎng)，也可以把次級(jí)做得很長(zhǎng);既可以初級(jí)固定、次級(jí)移動(dòng)，也可以次級(jí)固定、初級(jí)移動(dòng)。

　　直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是由旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)演變而來(lái)。當(dāng)一次側(cè)的三相(或多相)繞組通入對(duì)稱正弦交流電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。當(dāng)不考慮由于鐵芯兩端開(kāi)斷而引起的縱向邊緣效應(yīng)時(shí)，這個(gè)氣隙磁場(chǎng)的分布情況與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相似，沿著直線方向按正弦規(guī)律分布。

　　直線電機(jī)的主要分類

　　直線電機(jī)按工作原理可分為：直流、異步、同步和步進(jìn)等;直線電機(jī)按結(jié)構(gòu)形式可分為;單邊扁平型、雙邊扁平型、圓盤型、圓筒型(或稱為管型)等。最常用的直線電機(jī)類型是平板式直線電機(jī)、U型槽式直線電機(jī)和圓柱型直線電機(jī)。 音圈電機(jī)因其結(jié)構(gòu)類似于喇叭的音圈而得名。具有高頻響、高精度的特點(diǎn)。此類電機(jī)分為圓柱型音圈電機(jī)和擺動(dòng)型音圈電機(jī)。也就是所謂的圓柱型直線電機(jī)。

　　平板直線電機(jī)

　　平板式直線電機(jī)鐵芯安裝在鋼疊片結(jié)構(gòu)然后再安裝到鋁背板上，鐵疊片結(jié)構(gòu)用在指引磁場(chǎng)和增加推力。磁軌和動(dòng)子之間產(chǎn)生的吸力和電機(jī)產(chǎn)生的推力成正比，疊片結(jié)構(gòu)導(dǎo)致接頭力產(chǎn)生。把動(dòng)子安裝到磁軌上時(shí)必須小心以免他們之間的吸力造成傷害。

　　U型槽直線電機(jī)

　　U 型槽式直線電機(jī)有兩個(gè)介于金屬板之間且都對(duì)著線圈動(dòng)子的平行磁軌。動(dòng)子由導(dǎo)軌系統(tǒng)支撐在兩磁軌中間。動(dòng)子是非鋼的，意味著無(wú)吸力且在磁軌和推力線圈之間無(wú)干擾力產(chǎn)生。非鋼線圈裝配具有慣量小，允許非常高的加速度。線圈一般是三相的，無(wú)刷換相。可以用空氣冷卻法冷卻電機(jī)來(lái)獲得性能的增強(qiáng)。也有采用水冷方式的。這種設(shè)計(jì)可以較好地減少磁通泄露因?yàn)榇朋w面對(duì)面安裝在U形導(dǎo)槽里。這種設(shè)計(jì)也最小化了強(qiáng)大的磁力吸引帶來(lái)的傷害。

　　這種設(shè)計(jì)的磁軌允許組合以增加行程長(zhǎng)度，只局限于線纜管理系統(tǒng)可操作的長(zhǎng)度，編碼器的長(zhǎng)度，和機(jī)械構(gòu)造的大而平的結(jié)構(gòu)的能力。

　　圓柱型直線電機(jī)

　　圓柱形動(dòng)磁體直線電機(jī)動(dòng)子是圓柱形結(jié)構(gòu)。沿固定著磁場(chǎng)的圓柱體運(yùn)動(dòng)。這種電機(jī)是最初發(fā)現(xiàn)的商業(yè)應(yīng)用但是不能使用于要求節(jié)省空間的平板式和U 型槽式直線電機(jī)的場(chǎng)合。圓柱形動(dòng)磁體直線電機(jī)的磁路與動(dòng)磁執(zhí)行器相似。區(qū)別在于線圈可以復(fù)制以增加行程。典型的線圈繞組是三相組成的，使用霍爾裝置實(shí)現(xiàn)無(wú)刷換相。推力線圈是圓柱形的，沿磁棒上下運(yùn)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)不適合對(duì)磁通泄漏敏感的應(yīng)用。必須小心操作保證手指不卡在磁棒和有吸引力的側(cè)面之間。

　　管狀直線電機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)潛在的問(wèn)題出現(xiàn)在，當(dāng)行程增加，由于電機(jī)是完全圓柱的而且沿著磁棒上下運(yùn)動(dòng)，唯一的支撐點(diǎn)在兩端。保證磁棒的徑向偏差不至于導(dǎo)致磁體接觸推力線圈的長(zhǎng)度總會(huì)有限制。

　　直線電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

　　1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。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.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)。

　　3.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(méi)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。

　　4.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(méi)有端部繞組，因而繞組利用率高。

　　5.無(wú)橫向邊緣效應(yīng)。橫向效應(yīng)是指由于橫向開(kāi)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(kāi)斷，所以磁場(chǎng)沿周向均勻分布。

　　6.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。

　　7.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。

　　8.適應(yīng)性強(qiáng)。直線電機(jī)的初級(jí)鐵芯可以用環(huán)氧樹(shù)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)形式，滿足不同情況的需要。

　　直線電機(jī)的發(fā)展

　　1840年

　　Wheatsone開(kāi)始提出和制作了略具雛形的直線電機(jī)。

　　1905年

　　曾有兩人分別建議將直線電動(dòng)機(jī)作為火車的推進(jìn)機(jī)構(gòu)，一種建議是將初級(jí)放在軌道上，另一種建議是將初級(jí)放在車輛底部。這些建議無(wú)疑是給當(dāng)時(shí)直線電機(jī)研究領(lǐng)域的科研人員的一劑興奮劑，以致許多國(guó)家的科研人員都投入了這些研究工作。1917年出現(xiàn)了第一臺(tái)圓筒形直線電動(dòng)機(jī)，事實(shí)上那是一種具有換接初級(jí)線圈的直流磁阻電動(dòng)機(jī)，人們?cè)噲D把它作為導(dǎo)彈發(fā)射裝置，但其發(fā)展并沒(méi)有超出模型階段。

　　1940年-1955年

　　世界一些發(fā)達(dá)國(guó)家科研人員，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)應(yīng)用工作。1945年，美國(guó)西屋電氣公司首先研制成功的電力牽引飛機(jī)彈射器，它以7400kW的直線電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，成功地用4.1s的時(shí)間將一架重4535kg，的噴氣式飛機(jī)在165m的行程內(nèi)由靜止加速的188km/h的速度，它的試驗(yàn)成功，使直線電動(dòng)機(jī)可靠性好等優(yōu)點(diǎn)受到了應(yīng)有的重視，隨后，美國(guó)利用直線電機(jī)制成的、用作抽汲鉀、鈉等液態(tài)金屬的電磁泵，為的是核動(dòng)力中的需要。1954年，英國(guó)皇家飛機(jī)制造公司利用雙邊扁平型直流直線電機(jī)制成了發(fā)射導(dǎo)彈的裝置，其速度可達(dá)1600km/h。在這個(gè)階段中，尤需值得一提的是，直線電機(jī)作為高速列車的驅(qū)動(dòng)裝置得到了各國(guó)的高度重視并計(jì)劃予以實(shí)施。

　　1965年

　　隨著控制技術(shù)和材料性能的顯著提高，應(yīng)用直線電機(jī)的實(shí)用設(shè)備被逐步開(kāi)發(fā)出來(lái)，例如采用直線電機(jī)的MHD泵、自動(dòng)繪圖儀、磁頭定位驅(qū)動(dòng)裝置、電唱機(jī)、縫紉機(jī)、空氣壓縮機(jī)、輸送裝置等。

　　1971年至今

　　從1971年開(kāi)始到目前的這個(gè)階段，直線電機(jī)終于進(jìn)入了獨(dú)立的應(yīng)用時(shí)代，在這個(gè)時(shí)代，各類直線電機(jī)的應(yīng)用得到了迅速的推廣，制成了許多具有實(shí)用價(jià)值的裝置和產(chǎn)品，例如直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鋼管輸送機(jī)、運(yùn)煤機(jī)、起重機(jī)、空壓機(jī)、沖壓機(jī)、拉伸機(jī)、各種電動(dòng)門、電動(dòng)窗、電動(dòng)紡織機(jī)等等。特別可喜的是利用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的磁懸浮列車，其速度已超500km/h，接近了航空的飛行速度，且試驗(yàn)行程累計(jì)已達(dá)數(shù)十萬(wàn)千米。

　　近年來(lái)，隨著自動(dòng)控制技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，對(duì)各類自動(dòng)控制系統(tǒng)的定位精度提出了更高的要求，世界許多國(guó)家都在研究、發(fā)展和應(yīng)用直線電機(jī)，使得直線電機(jī)技術(shù)發(fā)展速度加快，直線電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣。在國(guó)內(nèi)，專注直線電機(jī)、音圈電機(jī)研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)不是很多，像深圳市博智達(dá)機(jī)器人有限公司就是其中一家起步比較早的、技術(shù)相對(duì)比較成熟的直線電機(jī)、音圈電機(jī)生產(chǎn)廠家。