芻議直線電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用

張?bào)憬?趙方

摘 要：直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，具備速度快、響應(yīng)快、精度高以及振動(dòng)噪聲小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到超高速、緊密化儀器等領(lǐng)域。直線電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)模式正在逐步取代傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式，被逐步應(yīng)用到各行各業(yè)。本文通過(guò)闡述直線電機(jī)的優(yōu)劣勢(shì)，在此基礎(chǔ)上分析直線電機(jī)發(fā)展及應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：直線電機(jī)；發(fā)展；應(yīng)用

早在19世紀(jì)末科學(xué)家就開(kāi)始研究直線電機(jī)，但是并沒(méi)有取得研究性的突破，直到20世紀(jì)中葉，直線電機(jī)的研究才取得一定的成果，特別是材料技術(shù)、控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用和逐步推廣，使得直線電機(jī)的研究和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)質(zhì)的突破。經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的改進(jìn)和完善，直線電機(jī)以直線驅(qū)動(dòng)的方式彌補(bǔ)了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的不足，其優(yōu)勢(shì)和特色逐漸被顯現(xiàn)出來(lái)，成為研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。因此，研究直線電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)于直線電機(jī)的進(jìn)一步改進(jìn)和完善來(lái)講，顯得非常有必要。

1 直線電機(jī)的優(yōu)劣勢(shì)概述

從結(jié)構(gòu)層面來(lái)講，直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的運(yùn)行原理十分相似，省略了中間重復(fù)和復(fù)雜環(huán)節(jié)，產(chǎn)生直線運(yùn)行軌跡，改變了傳統(tǒng)“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+機(jī)械變換環(huán)節(jié)”傳動(dòng)的不足和缺陷。直線電機(jī)的種類較多，我們常見(jiàn)的直線電機(jī)大致有直線直流式直線電機(jī)、感應(yīng)式和永磁式交流直線伺服電動(dòng)機(jī)、直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直線式開(kāi)關(guān)磁阻同步電動(dòng)機(jī)等。筆者通過(guò)對(duì)直線電機(jī)的優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行系統(tǒng)分析，認(rèn)為其優(yōu)劣勢(shì)主要表現(xiàn)在以下方面：

第一，直線電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。一是直線電機(jī)省略了中間部分環(huán)節(jié)工作，減少了能耗和磨損，能夠通過(guò)高速運(yùn)轉(zhuǎn)和高精度定位的方式參與工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性和安全性較強(qiáng)；二是與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，直線電機(jī)的加速度更大，速度更快，其速度基本不會(huì)受到外界因素影響；三是直線電機(jī)行程長(zhǎng)度較長(zhǎng)，基本不受限制；四是直線電機(jī)相對(duì)安靜，運(yùn)行過(guò)程噪音較小，能夠創(chuàng)造出安靜的作業(yè)環(huán)境[1]。

第二，直線電機(jī)的劣勢(shì)。一是氣隙相對(duì)較大，運(yùn)行功率小、效率低，特別是在低速運(yùn)行過(guò)程中，其缺陷較為明顯；二是端部效應(yīng)較為明顯，高速運(yùn)行過(guò)程中，初級(jí)鐵心兩端開(kāi)斷，整體運(yùn)行效率不高。

2 直線電機(jī)的發(fā)展

近年來(lái)，隨著辦公自動(dòng)化、生產(chǎn)機(jī)械化水平的不斷提升，需要更多高質(zhì)量、高效率、高性能以及安全可靠程度較高的定位元件，直線電機(jī)以其突出的優(yōu)勢(shì)和特色在各行各業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用程度進(jìn)一步提高。同時(shí)，隨著新材料、新技術(shù)的大量出現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)要求和標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，直線電機(jī)得以快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。直線電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，需要通過(guò)計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行有效控制，主要進(jìn)行啟動(dòng)、加速、定速、停比等，這些都是直線電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了讓直線電機(jī)發(fā)揮更大的作用，人們開(kāi)始研究多CUP處理系統(tǒng)，用數(shù)字控制技術(shù)來(lái)替代傳統(tǒng)的模擬控制技術(shù)，使得控制精度更高、速度更快和更加靈敏。研究表明，經(jīng)過(guò)一系列不斷的改進(jìn)和完善，直線電機(jī)控制理論、控制算法等得到了長(zhǎng)足進(jìn)步和快速發(fā)展[2]。

隨著直線電機(jī)被廣泛應(yīng)用到更多領(lǐng)域和各行各業(yè)，直線電機(jī)被不斷的改進(jìn)和完善，為了讓直線電機(jī)的性能更加穩(wěn)定、運(yùn)行效率更高、應(yīng)用范圍更廣，研究人員開(kāi)始探索新原理，將直線電機(jī)作為一個(gè)研究和研發(fā)重點(diǎn)對(duì)象。比如：新型超聲直線電機(jī)研發(fā)過(guò)程中，人們采取了符合彈性較強(qiáng)的材料CFRP，在PZT的激勵(lì)下，CFRP形成傾斜振動(dòng)，讓導(dǎo)軌表面形成較大的反作用力，進(jìn)而來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)移動(dòng)，由于新型超聲直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理非常簡(jiǎn)單，所以在研制過(guò)程中基本不會(huì)出現(xiàn)太多問(wèn)題。作為一種特殊的直線電機(jī)，直線振蕩電機(jī)的應(yīng)用更為廣泛，是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、研究學(xué)者的研究重點(diǎn)，不僅研究直線振蕩電機(jī)的運(yùn)行原理，而且對(duì)直線振蕩電機(jī)的性能優(yōu)化進(jìn)行了一系列研究，這些研究的最終目的是為了提高振幅和負(fù)載能力。可以看出，直線電機(jī)在國(guó)內(nèi)外的研究從未停滯，一直處于不斷改進(jìn)、完善和深入的狀態(tài)[3]。能夠預(yù)測(cè)，今后關(guān)于直線電機(jī)的研究將會(huì)更進(jìn)一步，直線電機(jī)的應(yīng)用范疇也將進(jìn)一步擴(kuò)大，其未來(lái)將步入高速發(fā)展軌道。

3 直線電機(jī)的應(yīng)用

筆者通過(guò)對(duì)直線電機(jī)當(dāng)前的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)直線電機(jī)被廣泛應(yīng)用到以下幾個(gè)方面：

第一，應(yīng)用到交通運(yùn)輸行業(yè)。我們?nèi)粘Ｋ?jiàn)到和乘坐的地鐵、磁懸浮列車都應(yīng)用到直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，具備高速、安全、舒適、環(huán)保等特點(diǎn)。磁懸浮列車采取電磁懸浮、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，其時(shí)速可達(dá)到500km以上，是當(dāng)今地面速度最快、安全性最高、最經(jīng)濟(jì)環(huán)保的列車。2001年，我國(guó)第一列磁懸浮列車建成并投入使用。因此，直線電機(jī)將被廣泛應(yīng)用到交通運(yùn)輸系統(tǒng)當(dāng)中[4]。

第二，應(yīng)用到工業(yè)當(dāng)中。工業(yè)中的物料運(yùn)輸、直線傳動(dòng)等均能夠應(yīng)用到直線電機(jī)，如：升降機(jī)、分揀輸送線等。同時(shí)，工業(yè)機(jī)床中的旋轉(zhuǎn)電機(jī)逐步被直線電機(jī)所替代，利用直線電機(jī)的速度快、精度高等優(yōu)勢(shì)，提高工業(yè)機(jī)床的運(yùn)行效率。直線電機(jī)還被應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域中的物流系統(tǒng)當(dāng)中，與傳統(tǒng)連桿電機(jī)相比，直線電機(jī)應(yīng)用下的物流系統(tǒng)更為安全、高效和便捷。另外，直線電機(jī)還被廣泛應(yīng)用到自動(dòng)化車庫(kù)當(dāng)中，具體運(yùn)行過(guò)程為：在車庫(kù)上縱橫布局無(wú)線電機(jī)，用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行精確控制，利用直線電機(jī)的初次級(jí)作用來(lái)移動(dòng)汽車進(jìn)出庫(kù)，從而大幅提高了車輛出入庫(kù)效率，節(jié)約了大量的時(shí)間和資金成本。

第三，應(yīng)用到軍事建設(shè)方面。如前文內(nèi)容所述，直線電機(jī)具備速度快、加速度大、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特點(diǎn)，被經(jīng)常應(yīng)用到軍事領(lǐng)域，特別是導(dǎo)彈、火箭、高射炮、潛艇等的研發(fā)制造中，不僅能夠起到精準(zhǔn)打擊目標(biāo)的作用，而且加快了出擊速度，提高了軍事武器運(yùn)行效率[5]。同時(shí)，直線電機(jī)還被應(yīng)用到一些常見(jiàn)的軍事設(shè)備上，如：戰(zhàn)斗機(jī)、仿真系統(tǒng)、練靶場(chǎng)等。

第四，應(yīng)用到日常生活方面。我們常用的電冰箱、空調(diào)等一些家用、辦公設(shè)備都使用了直線電機(jī)，如：IBM公司生產(chǎn)的打印機(jī)、平面儀等均使用直線電機(jī)；美國(guó)奧基電氣公司將直線電機(jī)應(yīng)用到軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)；日本松下公司將直線電機(jī)應(yīng)用到驅(qū)動(dòng)數(shù)字掃描儀，這些設(shè)備上使用直線電機(jī)，不僅能夠減輕重量、優(yōu)化性能，而且加速了響應(yīng)速度，提高了設(shè)備的安全可靠性。

除此之外，直線電機(jī)還被廣泛應(yīng)用于天文地理觀測(cè)系統(tǒng)、醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)、建筑行業(yè)等領(lǐng)域當(dāng)中，如：天文望遠(yuǎn)鏡、觸摸模擬器、打樁機(jī)等?？梢钥吹?，直線電機(jī)的發(fā)展?jié)摿涂臻g巨大，應(yīng)用范圍將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，直線電機(jī)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保、速度快、加速度大、精準(zhǔn)度高以及噪音小等諸多優(yōu)勢(shì)和特色，被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)、多個(gè)領(lǐng)域，對(duì)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式進(jìn)行了有效替代。直線電機(jī)是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究和探索的熱點(diǎn)課題，也是經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展的必然產(chǎn)物，將會(huì)在今后得到系統(tǒng)研究、全面應(yīng)用和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]王會(huì)永，周保華，李向男，鄭海鵬，李秋誠(chéng)，韓道平.直線電機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)研究[J].微電機(jī)，2016，49（09）：86-89+92.

[2]謝俠飛，張麗榮. 直線電機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用概述[J].科技視界，2013，（15）：102+83.

[3]王會(huì)永，滿忠雷，李向男，江守和，董有利，王彬.直線電機(jī)在制造業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用，2013，40（03）：1-4.

[4]宋彤菊. 直線電機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展方向[J].山西煤炭管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，（04）：141-142.

[5]宋書(shū)中，胡業(yè)發(fā)，周祖德. 直線電機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用概況[J].控制工程，2006，（03）：199-201+277.

作者簡(jiǎn)介

張?bào)憬埽?988-），男，漢族，河南許昌人，大專，河南萬(wàn)里路橋集團(tuán)股份有限公司助工，研究方向：電機(jī)與電器；

趙方（1991-），男，漢族，河南南陽(yáng)人，大專，河南萬(wàn)里路橋集團(tuán)股份有限公司助工，研究方向：電力拖動(dòng)與自動(dòng)化控制。endprint