直線電機的原理

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)。在實際應(yīng)用中，一次側(cè)和二次側(cè)的制造長度不同，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。直線電機可以短一次長二次，也可以長一次短二次。考慮到制造成本和運行成本，以直線感應(yīng)電動機為例：當(dāng)一次繞組接入交流電源時，氣隙中會產(chǎn)生行波磁場。在二次行波磁場切割下，會產(chǎn)生電動勢并產(chǎn)生電流。氣隙中電流和磁場的相互作用會產(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動。相反，初等做線性運動。直線電機驅(qū)動控制技術(shù)直線電機應(yīng)用系統(tǒng)不僅要有良好的直線電機性能，而且要有安全可靠的條件，才能達到控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟要求。隨著自動控制技術(shù)和微機技術(shù)的發(fā)展，直線電機的控制方法越來越多。

對直線電機控制技術(shù)的研究可分為三個方面：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控制包含了動態(tài)控制過程中的信息，具有很強的魯棒性，是交流伺服電機驅(qū)動系統(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)對象模型是固定的、不變的、線性的，運行條件和運行環(huán)境是固定的、恒定的，傳統(tǒng)的控制方法簡單有效。然而，在高性能、高精度微進給的情況下，必須考慮物體結(jié)構(gòu)和參數(shù)的變化。各種非線性影響、運行環(huán)境的變化和環(huán)境干擾等時變和不確定因素，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。

 

直線電機的結(jié)構(gòu)

 

直線電機的結(jié)構(gòu)可以看作是將一臺旋轉(zhuǎn)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(dāng)于直線電機的初級，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線電機的次級，當(dāng)初級通入電流后，在初次級之間的氣隙中產(chǎn)生行波磁場，在行波磁場與次級永磁體的作用下產(chǎn)生驅(qū)動力，從而實現(xiàn)運動部件的直線運動。

 

直線電機的特點

 

高速響應(yīng)

 

由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時間常數(shù)較大的如絲杠等機械傳動件，使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(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)動系統(tǒng)取消了由于絲杠等機械機構(gòu)引起的傳動誤差減少了插補時因傳動系統(tǒng)滯后帶來跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，即可大大提高機床的定位精度。

 

傳動環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯后現(xiàn)象，同時提高了其傳動剛度。

 

速度快、加減速過程短

 

行程長度不受限制 在導(dǎo)軌上通過串聯(lián)直線電機，就可以無限延長其行程長度。

 

動安靜、噪音低 由于取消了傳動絲杠等部件的機械摩擦，且導(dǎo)軌又可采用滾動導(dǎo)軌或磁墊懸浮導(dǎo)軌（無機械接觸），其運動時噪音將大大降低。

 

效率高 由于無中間傳動環(huán)節(jié)，消除了機械摩擦?xí)r的能量損耗。

 

直線電機的應(yīng)用

 

直線電機主要應(yīng)用于三個方面：

 

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

 

作為長期連續(xù)運行的驅(qū)動電機；

 

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。

 

U槽無刷直線電機可以直接驅(qū)動，無需將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)為線性運動，機械結(jié)構(gòu)簡單可靠。電機運行超平穩(wěn)，無齒槽效應(yīng)，動態(tài)響應(yīng)速度極快，慣量小，加速度可達20G，速度達到10-30m/s，低速1µm/s時運動平滑，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型槽式直線電機分為鐵芯和無鐵芯兩類，鐵芯類直線電機單位體積出力更大，非鐵芯直線電機無磁滯和渦流效應(yīng)，運動更加平滑高速，磁損耗少，發(fā)熱小。 

 

此類直線電機特別適用于：機器人、致動器、直線平臺、光學(xué)光纖排列定位、精密機床、半導(dǎo)體制造、視覺系統(tǒng)、電子元件接插、工廠自動化等對運動系統(tǒng)的速度和精度同時要求較高的應(yīng)用場合。

 

直線電機的優(yōu)缺點

直線電機的優(yōu)點

 

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)，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。

 

直線電機的缺點

 

1、直線電機的耗電量大，尤其在進行高荷載、高加速度的運動時，機床瞬間電流對車間的供電系統(tǒng)帶來沉重負荷；

 

2、振動高，直線電機的動態(tài)剛性極低，不能起緩沖阻尼作用，在高速運動時容易引起機床其它部分共振；

 

3、發(fā)熱量大，固定在工作臺底部的直線電機動子是高發(fā)熱部件，安裝位置不利于自然散熱，對機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，直線電機驅(qū)動的運動軸，尤其是垂直運動軸，必須要額外配備鎖緊機構(gòu)，增加了機床的復(fù)雜性。

 

隨著高速加工技術(shù)的迅速發(fā)展，對傳動及控制系統(tǒng)的要求越來越高，使直線電機驅(qū)動技術(shù)的研究力度在逐步加大?，F(xiàn)在直線電機的許多缺點已經(jīng)被克服，直線電機的動力性能也更加的卓越。直線驅(qū)動技術(shù)的研究既是技術(shù)向更高更快發(fā)展的趨勢，同時也更能滿足市場需要，帶來更大的經(jīng)濟效益，成為未來發(fā)展的必然趨勢。