什么是直線電機
 
直線電機也稱線性電機，線性馬達，直線馬達，推桿馬達。最常用的直線電機類型是平板式和U 型槽式，和管式。 線圈的典型組成是三相，有霍爾元件實現(xiàn)無刷換相。
 
現(xiàn)代先進的驅(qū)動技術(shù)主要分為兩大類：一類為電磁式的，另一類則為非電磁式的。
 
電磁類的現(xiàn)代先進的驅(qū)動技術(shù)主要由現(xiàn)代電磁類驅(qū)動器與現(xiàn)代控制系統(tǒng)組成，它的驅(qū)動器包括傳統(tǒng)改進型的電磁驅(qū)動器與新發(fā)展型的電磁驅(qū)動器。它們中有旋轉(zhuǎn)的、直線的、磁浮的、電磁發(fā)射的等等。
 
直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉(zhuǎn)電機按徑向剖開，并展成平面而成。
 
直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能而不需通過中問任何轉(zhuǎn)換裝置的新穎電機，它具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、磨損少、噪聲低、組合性強、維護方便等優(yōu)點。旋轉(zhuǎn)電機所具有的品種，直線電機幾乎都有相對應(yīng)的品種
 
直線電機結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。直線電機是將傳統(tǒng)圓筒型電機的初級展開拉直，變初級的封閉磁場為開放磁場，而旋轉(zhuǎn)電機的定子部分變?yōu)橹本€電機的初級，旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子部分變?yōu)橹本€電機的次級。
 

 
如果初級是固定不動的，次級就能沿著行波磁場運動的方向做直線運動。即可實現(xiàn)高速機床的直線電機直接驅(qū)動的進給方式，把直線電機的初級和次級分別直接安裝在高速機床的工作臺與床身上。由于這種進給傳動方式的傳動鏈縮短為0，被稱為機床進給系統(tǒng)的“零傳動”。
 
直線電機的工作原理
 
一般電動機工作時都是轉(zhuǎn)動的。但是用旋轉(zhuǎn)的電機驅(qū)動的交通工具(比如電動機車和城市中的電車等)需要做直線運動，用旋轉(zhuǎn)的電機驅(qū)動的機器的一些部件也要做直線運動。這就需要增加把旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動的一套裝置。能不能直接運用直線運動的電機來驅(qū)動，從而省去這套裝呢?幾十年前人們就提出了這個問題?，F(xiàn)在已制成了直線運動的電動機，即直線電機。
 
直線電機的原理并不復(fù)雜.設(shè)想把一臺旋轉(zhuǎn)運動的感應(yīng)電動機沿著半徑的方向剖開，并且展平，這就成了一臺直線感應(yīng)電動機。在直線電機中，相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機定子的，叫初級;相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子的，叫次級，初級中通以交流，次級就在電磁力的作用下沿著初級做直線運動。
 
這時初級要做得很長，延伸到運動所需要達到的位置，而次級則不需要那么長，實際上，直線電機既可以把初級做得很長，也可以把次級做得很長;既可以初級固定、次級移動，也可以次級固定、初級移動。
 
直線感應(yīng)電動機是由旋轉(zhuǎn)電動機演變而來。當(dāng)一次側(cè)的三相(或多相)繞組通入對稱正弦交流電流時，會產(chǎn)生氣隙磁場。當(dāng)不考慮由于鐵芯兩端開斷而引起的縱向邊緣效應(yīng)時，這個氣隙磁場的分布情況與旋轉(zhuǎn)電動機相似，沿著直線方向按正弦規(guī)律分布。
 
但它不是旋轉(zhuǎn)而是沿著直線平移，稱為行波磁場(如圖6中1曲線所示)。顯然行波磁場的移動速度與旋轉(zhuǎn)磁場在定子內(nèi)圓表面上的線速度是一樣的，行波磁場移動的速度稱為同步速度。
 
 
(1：行波磁場，2：二次側(cè)，3：一次側(cè))
 

 
式中：
D——旋轉(zhuǎn)電動機定手內(nèi)圓周的直徑;
t——極距，t=πD/2p;
P——極對數(shù);
f1——電源的頻率。
 
行波磁場切割二次側(cè)導(dǎo)條，將在導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，導(dǎo)條的電流和氣隙磁場相互作用，產(chǎn)生切向電磁力。如果一次側(cè)固定不動，則二次側(cè)便在這個電磁力的作用下，順著行波磁場的移動方向作直線運動。若二次側(cè)移動的速度用v表示，轉(zhuǎn)差率用s表示，則有
 

 
電動狀態(tài)時，s在0~1之間。
 
二次側(cè)移動速度為：
 
 

可見，改變極距或電源頻率，均可改變二次側(cè)移動的速度;改變一次繞組中通電相序，可改變二次側(cè)移動的方向。
 
直線電機的分類及結(jié)構(gòu)
 
直線感應(yīng)電機主要有扁平型、圓筒型和圈盤型3種類型，其中扁平型應(yīng)用最為廣泛。
 
1.扁平型
 
扁平型電機可以看作是由普通的旋轉(zhuǎn)異步電動機直接演變而來的。圖1左圖表示一臺旋轉(zhuǎn)的感應(yīng)電動機，設(shè)想將它沿徑向剖開，并將定、轉(zhuǎn)子圓周展成直線，如圖1右圖，這就得到了最簡單的平板型直線感應(yīng)電機。 在旋轉(zhuǎn)電機中轉(zhuǎn)子是繞軸做旋轉(zhuǎn)運動的，見綠色箭頭線;在直線電機中動子是做直線移動的，見綠色箭頭線。
 
 
圖1—旋轉(zhuǎn)電動機與直線電動機
 
對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動機定子的一邊嵌有三相繞組，稱為初級(定子);對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動機轉(zhuǎn)子的一邊稱為次級(動子或滑子)。直線電機的運動方式可以是固定初級，讓次級運動，此稱為動次級;相反，也可以固定次級而讓初級運動，則稱為動初級。

顯然初級與次級長度相同是不能正常運行的，實際扁平型直線感應(yīng)電動機初級長度和滑子長度并不相等，在圖2上圖是短初級長次級結(jié)構(gòu);圖2下圖是長初級短次級結(jié)構(gòu)。
 
 
圖2—扁平型直線電動機

為了抵消定子磁場對動子的單邊磁吸力，平板型直線感應(yīng)電動機通常采用雙邊結(jié)構(gòu)，即用兩個定子將動子夾在中間的結(jié)構(gòu)型式。

 
圖3--雙邊扁平型直線電動機
 
扁平型直線感應(yīng)電機的—次側(cè)鐵芯由硅鋼片疊成，與二次側(cè)相對的一面開有槽，槽中放置繞組。繞組可以是單相、兩相、三相或多相的。二次側(cè)有兩種結(jié)構(gòu)類型：一種是柵型結(jié)構(gòu)，鐵芯上開槽，槽中放置導(dǎo)條;并用端部導(dǎo)條連接所有槽中導(dǎo)條;另一種是實心結(jié)構(gòu)，采用整塊均勻的金屬材料，可分為非磁性二次側(cè)和鋼二次側(cè)。非磁性二次側(cè)的導(dǎo)電性能好，一般為銅或鋁。
 
2.圓筒型
 
圓筒型直線電機也稱為管型直線電機，把平板型直線電動機沿著直線運動相垂直的的方向卷成筒形，就形成了圓筒型直線電動機，見下圖。

 
圓筒式直線電機
 
 
 
將上圖中a所示的扁平型直線感應(yīng)電動機沿著和直線運動相垂直的的方向卷成筒形，就形成了圓筒型直線感應(yīng)電動機(如圖4所示圓筒型直線感應(yīng)電機的演變)。在特殊場合，這種電動機還可以制成既有旋轉(zhuǎn)運動又有直線運動的旋轉(zhuǎn)直線電動機。旋轉(zhuǎn)直線的運動體可以是一次側(cè)，也可以是二次側(cè)。
 
直線感應(yīng)電動機的動子一般是低碳鋼板敷銅板或鑲銅條，也可以用導(dǎo)電良好的金屬板(銅板或鋁板);圓筒型直線電機動子多采用厚壁鋼管，在管外壁覆蓋1至mm厚的銅管或鋁管。
 
如果動子由永磁材料制作就組成直線同步電動機。
 
3.圓盤型
 
圓盤型直線電機的次級(轉(zhuǎn)子)做成扁平的圓盤形狀，能繞通過圓心的軸自由轉(zhuǎn)動：將兩個初級放在圓盤靠外邊緣的平面上，使圓盤受切向力作旋轉(zhuǎn)運動。由于其運行原理和設(shè)計方法與平板型直線感應(yīng)電動機相同，故仍屬直線電動機。


 
圓盤型直線電機
 
 
 
圓盤型直線感應(yīng)電機如上圖所示，它的二次側(cè)做成扁平的圓盤形狀，能繞通過圓心的軸自由轉(zhuǎn)動：將一次側(cè)放在二次側(cè)圓盤靠外邊緣的平面上，使圓盤受切向力作旋轉(zhuǎn)運動。但其運行原理和設(shè)計方法與扁平型直線感應(yīng)電機相同，故仍屬直線電機范疇。與普通旋轉(zhuǎn)電機相比，它具有以下優(yōu)點：
 
a) 轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)速度可以通過多臺一次側(cè)組合或者通過一次側(cè)在圓盤上的徑向位置來調(diào)節(jié)。
 
b) 無需經(jīng)過齒輪減速箱就能得到較低的轉(zhuǎn)速，因而電動機的振動和噪聲很小。
 
 
直線電機的特點：
 
在實用的和買得起的直線電機出現(xiàn)以前，所有直線運動不得不從旋轉(zhuǎn)機械通過使用滾珠或滾柱絲杠或帶或滑輪轉(zhuǎn)換而來。對許多應(yīng)用，如遇到大負載而且驅(qū)動軸是豎直面的。這些方法仍然是最好的。然而，直線電機比機械系統(tǒng)比有很多獨特的優(yōu)勢，如非常高速和非常低速，高加速度，幾乎零維護(無接觸零件)，高精度，無空回。完成直線運動只需電機無需齒輪，聯(lián)軸器或滑輪，對很多應(yīng)用來說很有意義的，把那些不必要的，減低性能和縮短機械壽命的零件去掉了。
 
1)結(jié)構(gòu)簡單。管型直線電機不需要經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)而直接產(chǎn)生直線運動，使結(jié)構(gòu)大大簡化，運動慣量減少，動態(tài)響應(yīng)性能和定位精度大大提高;同時也提高了可靠性，節(jié)約了成本，使制造和維護更加簡便。它的初次級可以直接成為機構(gòu)的一部分，這種獨特的結(jié)合使得這種優(yōu)勢進一步體現(xiàn)出來。
 
2)適合高速直線運動。因為不存在離心力的約束，普通材料亦可以達到較高的速度。而且如果初、次級間用氣墊或磁墊保存間隙，運動時無機械接觸，因而運動部分也就無摩擦和噪聲。這樣，傳動零部件沒有磨損，可大大減小機械損耗，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)初級繞組利用率高。在管型直線感應(yīng)電機中，初級繞組是餅式的，沒有端部繞組，因而繞組利用率高。
 
4)無橫向邊緣效應(yīng)。橫向效應(yīng)是指由于橫向開斷造成的邊界處磁場的削弱，而圓筒型直線電機橫向無開斷，所以磁場沿周向均勻分布。
 
5)容易克服單邊磁拉力問題。徑向拉力互相抵消，基本不存在單邊磁拉力的問題。
 
6)易于調(diào)節(jié)和控制。通過調(diào)節(jié)電壓或頻率，或更換次級材料，可以得到不同的速度、電磁推力，適用于低速往復(fù)運行場合。
 
 
 
7)適應(yīng)性強。直線電機的初級鐵芯可以用環(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)計成多種結(jié)構(gòu)形式，滿足不同情況的需要。
 
8)高加速度。這是直線電機驅(qū)動，相比其他絲杠、同步帶和齒輪齒條驅(qū)動的一個顯著優(yōu)勢。
 
9)精度方面：直線電機因傳動機構(gòu)簡單，定位精度、重復(fù)精度，通過位置檢測反饋控制都會較“旋轉(zhuǎn)伺服電機滾珠絲杠”高，且容易實現(xiàn)。直線電機定位精度可達±2μm，甚至更高。而“旋轉(zhuǎn)伺服電機滾珠絲杠”最高只能達到10μm。
 
 
 
10)速度方面：直線電機具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，直線電機速度達到5m/s時，加速度達到10g;而滾珠絲杠速度為2m/s時，加速度為僅為1.5g。從速度上和加速度的對比上，直線電機具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，而且直線電機在成功解決發(fā)熱問題后速度還會進一步提高，而“旋轉(zhuǎn)伺服電機滾珠絲杠”在速度上卻受到限制很難再提高較多。
 
 
 
11)壽命方面：直線電機因運動部件和固定部件間有安裝間隙，無接觸，不會因動子的高速往復(fù)運動而磨損，長時間使用對運動定位精度無變化，適合高精度的場合。滾珠絲杠則無法在高速往復(fù)運動中保證精度，因高速摩擦，會造成絲杠螺母的磨損，影響運動的精度要求。對高精度的需求場合無法滿足。
 
 
 
 
直線電機是一種新型電機，近年來應(yīng)用日益廣泛。其主要應(yīng)用于三個方面：一是應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)，這類應(yīng)用場合比較多;其次是作為長期連續(xù)運行的驅(qū)動電機;三是應(yīng)用在需要短時間、短距離內(nèi)提供巨大的直線運動能的裝置中。
 
高速磁懸浮列車磁懸浮列車是直線電機實際應(yīng)用的最典型的例子，目前，美、英、日、法、德、加拿大等國都在研制直線懸浮列車，其中日本進展最快。
 
 
如果建筑物的高度增至1000米左右，就必須使用無鋼絲繩電梯，這種電梯采用高溫超導(dǎo)技術(shù)的直線電機驅(qū)動，線圈裝在井道中，轎廂外裝有高性能永磁材料，就如磁懸浮列車一樣，采用無線電波或光控技術(shù)控制。
 
超高速電動機在旋轉(zhuǎn)超過某一極限時，采用滾動軸承的電動機就會產(chǎn)生燒結(jié)、損壞現(xiàn)象。為此近年來，國外研制了一種直線懸浮電動機(電磁軸承)，采用懸浮技術(shù)使電機的動子懸浮在空中，消除了動子和定子之間的機械接觸和摩擦阻力，其轉(zhuǎn)速可達25000～100000r/min以上，因而在高速電動機和高速主軸部件上得到廣泛的應(yīng)用。
 
 
在我國，直線電機也逐步得到推廣和應(yīng)用。直線電機的原理雖不復(fù)雜，但在設(shè)計、制造方面有它自己的特點，產(chǎn)品尚不如旋轉(zhuǎn)電機那樣成熟，有待進一步研究和改進。