什么是直線電機(jī)
 
直線電機(jī)也稱線性電機(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)類型是平板式和U 型槽式，和管式。 線圈的典型組成是三相，有霍爾元件實(shí)現(xiàn)無刷換相。
 
現(xiàn)代先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)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(jìn)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要由現(xiàn)代電磁類驅(qū)動(dòng)器與現(xiàn)代控制系統(tǒng)組成，它的驅(qū)動(dòng)器包括傳統(tǒng)改進(jìn)型的電磁驅(qū)動(dòng)器與新發(fā)展型的電磁驅(qū)動(dòng)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(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。它可以看成是一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)按徑向剖開，并展成平面而成。
 
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)械能而不需通過中問任何轉(zhuǎn)換裝置的新穎電機(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)結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。直線電機(jī)是將傳統(tǒng)圓筒型電機(jī)的初級(jí)展開拉直，變初級(jí)的封閉磁場(chǎng)為開放磁場(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
 
一般電動(dòng)機(jī)工作時(shí)都是轉(zhuǎn)動(dòng)的。但是用旋轉(zhuǎn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的交通工具(比如電動(dòng)機(jī)車和城市中的電車等)需要做直線運(yùn)動(dòng)，用旋轉(zhuǎn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器的一些部件也要做直線運(yùn)動(dòng)。這就需要增加把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的一套裝置。能不能直接運(yùn)用直線運(yùn)動(dòng)的電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，從而省去這套裝呢?幾十年前人們就提出了這個(gè)問題?，F(xiàn)在已制成了直線運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，即直線電機(jī)。
 
直線電機(jī)的原理并不復(fù)雜.設(shè)想把一臺(tái)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)沿著半徑的方向剖開，并且展平，這就成了一臺(tái)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。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。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。
 
但它不是旋轉(zhuǎn)而是沿著直線平移，稱為行波磁場(chǎng)(如圖6中1曲線所示)。顯然行波磁場(chǎng)的移動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子內(nèi)圓表面上的線速度是一樣的，行波磁場(chǎng)移動(dòng)的速度稱為同步速度。
 
 
(1：行波磁場(chǎng)，2：二次側(cè)，3：一次側(cè))
 

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

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

可見，改變極距或電源頻率，均可改變二次側(cè)移動(dòng)的速度;改變一次繞組中通電相序，可改變二次側(cè)移動(dòng)的方向。
 
直線電機(jī)的分類及結(jié)構(gòu)
 
直線感應(yīng)電機(jī)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(jī)可以看作是由普通的旋轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)直接演變而來的。圖1左圖表示一臺(tái)旋轉(zhuǎn)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，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(jiǎn)單的平板型直線感應(yīng)電機(jī)。 在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中轉(zhuǎn)子是繞軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，見綠色箭頭線;在直線電機(jī)中動(dòng)子是做直線移動(dòng)的，見綠色箭頭線。
 
 
圖1—旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)與直線電動(dòng)機(jī)
 
對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)定子的一邊嵌有三相繞組，稱為初級(jí)(定子);對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的一邊稱為次級(jí)(動(dòng)子或滑子)。直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式可以是固定初級(jí)，讓次級(jí)運(yùn)動(dòng)，此稱為動(dòng)次級(jí);相反，也可以固定次級(jí)而讓初級(jí)運(yùn)動(dòng)，則稱為動(dòng)初級(jí)。

顯然初級(jí)與次級(jí)長(zhǎng)度相同是不能正常運(yùn)行的，實(shí)際扁平型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)初級(jí)長(zhǎng)度和滑子長(zhǎng)度并不相等，在圖2上圖是短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)結(jié)構(gòu);圖2下圖是長(zhǎng)初級(jí)短次級(jí)結(jié)構(gòu)。
 
 
圖2—扁平型直線電動(dòng)機(jī)

為了抵消定子磁場(chǎng)對(duì)動(dòng)子的單邊磁吸力，平板型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)通常采用雙邊結(jié)構(gòu)，即用兩個(gè)定子將動(dòng)子夾在中間的結(jié)構(gòu)型式。

 
圖3--雙邊扁平型直線電動(dòng)機(jī)
 
扁平型直線感應(yīng)電機(jī)的—次側(cè)鐵芯由硅鋼片疊成，與二次側(cè)相對(duì)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(shí)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(jī)也稱為管型直線電機(jī)，把平板型直線電動(dòng)機(jī)沿著直線運(yùn)動(dòng)相垂直的的方向卷成筒形，就形成了圓筒型直線電動(dòng)機(jī)，見下圖。

 
圓筒式直線電機(jī)
 
 
 
將上圖中a所示的扁平型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)沿著和直線運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)(如圖4所示圓筒型直線感應(yīng)電機(jī)的演變)。在特殊場(chǎng)合，這種電動(dòng)機(jī)還可以制成既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又有直線運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)直線電動(dòng)機(jī)。旋轉(zhuǎn)直線的運(yùn)動(dòng)體可以是一次側(cè)，也可以是二次側(cè)。
 
直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)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(jī)動(dòng)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(dòng)子由永磁材料制作就組成直線同步電動(dòng)機(jī)。
 
3.圓盤型
 
圓盤型直線電機(jī)的次級(jí)(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(dòng)：將兩個(gè)初級(jí)放在圓盤靠外邊緣的平面上，使圓盤受切向力作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于其運(yùn)行原理和設(shè)計(jì)方法與平板型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同，故仍屬直線電動(dòng)機(jī)。


 
圓盤型直線電機(jī)
 
 
 
圓盤型直線感應(yīng)電機(jī)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(dòng)：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(yùn)動(dòng)。但其運(yùn)行原理和設(shè)計(jì)方法與扁平型直線感應(yīng)電機(jī)相同，故仍屬直線電機(jī)范疇。與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：
 
a) 轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)速度可以通過多臺(tái)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(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲很小。
 
 
直線電機(jī)的特點(diǎn)：
 
在實(shí)用的和買得起的直線電機(jī)出現(xiàn)以前，所有直線運(yùn)動(dòng)不得不從旋轉(zhuǎn)機(jī)械通過使用滾珠或滾柱絲杠或帶或滑輪轉(zhuǎn)換而來。對(duì)許多應(yīng)用，如遇到大負(fù)載而且驅(qū)動(dòng)軸是豎直面的。這些方法仍然是最好的。然而，直線電機(jī)比機(jī)械系統(tǒng)比有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如非常高速和非常低速，高加速度，幾乎零維護(hù)(無接觸零件)，高精度，無空回。完成直線運(yùn)動(dòng)只需電機(jī)無需齒輪，聯(lián)軸器或滑輪，對(duì)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(jī)械壽命的零件去掉了。
 
1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。管型直線電機(jī)不需要經(jīng)過中間轉(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。
 
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)無機(jī)械接觸，因而運(yùn)動(dòng)部分也就無摩擦和噪聲。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(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)形式，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)。
 
9)精度方面：直線電機(jī)因傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度、重復(fù)精度，通過位置檢測(cè)反饋控制都會(huì)較“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)滾珠絲杠”高，且容易實(shí)現(xiàn)。直線電機(jī)定位精度可達(dá)±2μm，甚至更高。而“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)滾珠絲杠”最高只能達(dá)到10μm。
 
 
 
10)速度方面：直線電機(jī)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，直線電機(jī)速度達(dá)到5m/s時(shí)，加速度達(dá)到10g;而滾珠絲杠速度為2m/s時(shí)，加速度為僅為1.5g。從速度上和加速度的對(duì)比上，直線電機(jī)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，而且直線電機(jī)在成功解決發(fā)熱問題后速度還會(huì)進(jìn)一步提高，而“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)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(jī)因運(yùn)動(dòng)部件和固定部件間有安裝間隙，無接觸，不會(huì)因動(dòng)子的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)而磨損，長(zhǎng)時(shí)間使用對(duì)運(yùn)動(dòng)定位精度無變化，適合高精度的場(chǎng)合。滾珠絲杠則無法在高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)中保證精度，因高速摩擦，會(huì)造成絲杠螺母的磨損，影響運(yùn)動(dòng)的精度要求。對(duì)高精度的需求場(chǎng)合無法滿足。
 
 
 
 
直線電機(jī)是一種新型電機(jī)，近年來應(yīng)用日益廣泛。其主要應(yīng)用于三個(gè)方面：一是應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)，這類應(yīng)用場(chǎng)合比較多;其次是作為長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)電機(jī);三是應(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。
 
高速磁懸浮列車磁懸浮列車是直線電機(jī)實(shí)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(jìn)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(jī)驅(qū)動(dòng)，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(dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)超過某一極限時(shí)，采用滾動(dòng)軸承的電動(dòng)機(jī)就會(huì)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(dòng)機(jī)(電磁軸承)，采用懸浮技術(shù)使電機(jī)的動(dòng)子懸浮在空中，消除了動(dòng)子和定子之間的機(jī)械接觸和摩擦阻力，其轉(zhuǎn)速可達(dá)25000～100000r/min以上，因而在高速電動(dòng)機(jī)和高速主軸部件上得到廣泛的應(yīng)用。
 
 
在我國，直線電機(jī)也逐步得到推廣和應(yīng)用。直線電機(jī)的原理雖不復(fù)雜，但在設(shè)計(jì)、制造方面有它自己的特點(diǎn)，產(chǎn)品尚不如旋轉(zhuǎn)電機(jī)那樣成熟，有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)。