直線電機(jī)綜述

常淑英　李贊

摘 要：直線電動(dòng)機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的電力傳動(dòng)裝置。它可以省去大量中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，加快系統(tǒng)反映速度，提高系統(tǒng)精確度，所以得到廣泛的應(yīng)用。直線電動(dòng)機(jī)的種類按結(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;按工作原理可分為：直流、異步、同步和步進(jìn)等。對(duì)近幾年來國內(nèi)外直線電機(jī)運(yùn)用進(jìn)行了全面的綜述。

關(guān)鍵詞：直線電機(jī);傳動(dòng)裝置;結(jié)構(gòu)

一、直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)：

直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式是沿直線運(yùn)動(dòng)， 不同于旋轉(zhuǎn)電機(jī)需要螺紋傳動(dòng)裝置。直線電機(jī)由旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)化而來， 將旋轉(zhuǎn)電機(jī)按其圓柱形徑向橫截面切開， 平鋪展成平面結(jié)構(gòu)， 就形成了直線電機(jī)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)結(jié)構(gòu)是由動(dòng)子和定子組成，線圈繞組一端的是定子，而中間自由旋轉(zhuǎn)的一端是動(dòng)子，由旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子展開的一側(cè)稱為直線電機(jī)初級(jí)，由旋轉(zhuǎn)電機(jī)動(dòng)子展開的一側(cè)稱為直線電次級(jí)?？梢钥闯鼍€圈繞組在旋轉(zhuǎn)電機(jī)結(jié)構(gòu)中是定子，固定不動(dòng)，而在直線電機(jī)結(jié)構(gòu)中是初級(jí)，可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)[1]。

二、直線電機(jī)的工作原理

直線電機(jī)是在傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上演變而來，是將傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子展開成直線，從而實(shí)現(xiàn)將原來的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)主要有支座、轉(zhuǎn)子、定子線圈、 主軸、接線盒五個(gè)主要部分組成，無論是對(duì)有刷電機(jī)還是無刷電機(jī)，內(nèi)轉(zhuǎn)子還是外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，都由定子和轉(zhuǎn)子組成，供電時(shí)在電機(jī)線圈內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并產(chǎn)生扭矩并驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[2]。

三、直線電機(jī)的發(fā)展：

1840年，Wheatstone開始提出和制作了最早的直線電機(jī)，直至20世紀(jì)50年代中期，控制技術(shù)及材料技術(shù)的飛速發(fā)展和新型控制元器件的不斷涌現(xiàn)，使直線電機(jī)的理論和應(yīng)用獲得了迅速的發(fā)展。自20世紀(jì)90年代以來，由于高速、精密機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的需要，使直線電機(jī)的優(yōu)越性充分體現(xiàn)出來，直線電機(jī)的研究成為熱點(diǎn)領(lǐng)域。目前，國外比較著名的直線電機(jī)制造商主要有美國的Anorad、ParkerHannifin、Aerotech Kollmorgen公司德國的Simens、Indramat公司和日本FANUC、Mitsubishi公司等。國外眾多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)把直線電機(jī)作為更新?lián)Q代的高新技術(shù)產(chǎn)品來研發(fā)，開發(fā)出了眾多直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品。例如，美國 Xynetics 公司生產(chǎn)的自動(dòng)繪圖儀、日本Sanyo公司生產(chǎn)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電唱機(jī)、英國 Herbert Morris 公司生產(chǎn)的橋式吊車、傳送帶和一般機(jī)械搬運(yùn)設(shè)備、日本與加拿大的直線電機(jī) 驅(qū)動(dòng)的輕軌等。 相對(duì)于國外，國內(nèi)的直線電機(jī)研究起步較晚， 發(fā)展不穩(wěn)定，上世紀(jì)七十年代比較熱，八十年代前期滯退，八十年代后期至今又有較大發(fā)展。到目前為止，國內(nèi)許多高校、科研院所及企業(yè)開展了不同類型直線電機(jī)的理論及開發(fā)研究。例如，河南理工大學(xué)的汪旭東博士建立了永磁直線同步電機(jī)統(tǒng)一解析磁場(chǎng)模型，對(duì)永磁體勵(lì)磁場(chǎng)進(jìn)行了合理等效， 并制作了樣機(jī)對(duì)建立的模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。西安交通大學(xué)的上官璇峰博士研究了單初級(jí)型永磁直線 同步電機(jī)的磁阻力及穩(wěn)態(tài)性能。南京航天航空大學(xué)的王寅等設(shè)計(jì)了一種利用變截面桿縱振模態(tài)工作的直線超聲電機(jī)。我國在直線電機(jī)的應(yīng)用上也取得了可喜的成果，例如浙江大學(xué)的遙控直線電機(jī)窗簾機(jī)、世界首創(chuàng)的新型電磁式直線電機(jī)沖床、圓盤，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)并利用其電磁內(nèi)熱的炒茶機(jī)、西安交通大學(xué)的新型電磁打泊機(jī)、上海工業(yè)大學(xué)的浮法玻璃生產(chǎn)用的直線電機(jī)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)門等[3]。

四、直線電機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀：

直線電機(jī)應(yīng)用研究作為直線電機(jī)研究中的重要內(nèi)容，也是研究直線電機(jī)的最終目的。由于直線電機(jī)不需要任何傳動(dòng)裝置，就能直接產(chǎn)生連續(xù)單向或往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，因此具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

直線電機(jī)在制造業(yè)中的應(yīng)用傳統(tǒng)機(jī)床的驅(qū)動(dòng)裝置依賴絲杠驅(qū)動(dòng)，絲杠驅(qū)動(dòng) 本身就具有磨擦、扭曲及較長(zhǎng)的振動(dòng)衰減時(shí)間等一系列不利因素，限制了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置的效率和精度。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)具有傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置無法比擬的高效率、高精度，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[3]。

直線電機(jī)在交通運(yùn)輸業(yè)的應(yīng)用與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電力機(jī)車相比，直線電機(jī) 驅(qū)動(dòng)的機(jī)車具有造價(jià)低、振動(dòng)小、噪聲低、爬坡能 力強(qiáng)、牽引能力優(yōu)越、通過曲線半徑小、能耗低、 污染小、安全性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，直線電機(jī)在交通 運(yùn)輸行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景。 各國都在大力促進(jìn)諸如高、低速磁浮直線電機(jī)以及非磁浮類型直線電機(jī)直驅(qū)技術(shù)的研究，多種多樣的智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)正在投入開發(fā)[3]。

直線電機(jī)在航天航空業(yè)的應(yīng)用。直線電機(jī)在航天航空業(yè)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在軍事上。2003年，美國研制用于航空母艦上推動(dòng)飛機(jī)起 飛的永磁直線同步電機(jī)可使飛機(jī)在極短時(shí)間內(nèi)加速到起飛速度，增加了單位時(shí)間起飛飛機(jī)數(shù)量，具有重要的軍事意義。2005 年，美國南卡羅萊納州立大 學(xué)對(duì)航空母艦上運(yùn)載的航空器發(fā)射平臺(tái)用永磁直線同步電機(jī)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，并采用虛擬試驗(yàn)平臺(tái)對(duì) 電機(jī)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證。日本九州大學(xué)正在研究 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的火箭發(fā)射裝置，主要對(duì)火箭的動(dòng)力 性能進(jìn)行控制仿真的研究。 在航空動(dòng)力系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是重要的流量調(diào)節(jié) 裝置之一，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力改變及精確控制的實(shí)現(xiàn)都 在很大程度上依賴于調(diào)節(jié)閥的特性。傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥 體積大、效率低，且控制難度大。直線步進(jìn)電機(jī)與閥本體相結(jié)合的新型調(diào)節(jié)閥可靠性高、定位精度高、 性能優(yōu)越，具有極大的應(yīng)用前景[3]。

直線電機(jī)在海洋發(fā)電中的應(yīng)用。波浪能發(fā)電是直線電機(jī)作為發(fā)電機(jī)應(yīng)用的典型代表。波浪能是指海洋表面波浪所具有的動(dòng)能和勢(shì)能，是海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種的能源。直線電機(jī)式波浪能裝置不依賴機(jī)械或液壓轉(zhuǎn)換裝置，效率更高，多年來，國外相關(guān)機(jī)構(gòu)在此方面進(jìn)行了大量的研究[3]。

五、直線電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

①?zèng)]有機(jī)械接觸，傳動(dòng)力是在氣隙中產(chǎn)生的，除了直線電機(jī)導(dǎo)軌以外沒有任何其它的摩擦;②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，通過以最少的零部件數(shù)量來實(shí)現(xiàn)我們的直線驅(qū)動(dòng)，而且這僅僅是只存在一個(gè)運(yùn)動(dòng)的部件;③運(yùn)行的行程在理論上是不受任何限制的，而且其性能不會(huì)因?yàn)槠湫谐痰拇笮「淖兌艿接绊?④其運(yùn)轉(zhuǎn)可以提供很寬的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍，其涵蓋包括從每秒幾微米到數(shù)米，特別是在高速狀態(tài)下是其一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn);⑤加速度很大，最大可達(dá)10g;⑥運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，這是因?yàn)槌似鹬巫饔玫闹本€導(dǎo)軌或氣浮軸承外，沒有其它機(jī)械連接或轉(zhuǎn)換裝置的緣故;⑦精度和重復(fù)精度高，因?yàn)橄擞绊懢鹊闹虚g環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的精度取決于位置檢測(cè)元件，有合適的反饋裝置可達(dá)亞微米級(jí);⑧維護(hù)簡(jiǎn)單，由于部件少，運(yùn)動(dòng)時(shí)無機(jī)械接觸，從而大大降低了零部件的磨損，只需很少甚至無需維護(hù)，使用壽命更長(zhǎng)。直線電動(dòng)機(jī)與“旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，滾珠絲杠”傳動(dòng)性能比較表性能旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠直線電動(dòng)機(jī)。

直線電機(jī)運(yùn)用廣泛，具有良好的發(fā)展前景，是一種新型的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，隨著直線電機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)模式必將替代傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式，在社會(huì)生活各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張乾，譚立杰，程秀全，張永昌. 直線電機(jī)原理及其在精密工作臺(tái)中的應(yīng)用[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備， 2017（12）：70-74.

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