直線電機基礎知識

什么是線性電機

直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉電機按徑向剖開，并展成平面而成。

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，有霍爾元件實現無刷換相。

線性電機結構組成

該圖直線電機明確顯示動子（forcer，rotor）的內部繞組。磁鉄和磁軌。動子是用環氧材料把線圈壓成的。而且，磁軌是把磁鐵固定在鋼上。

直線電機經常簡單描述為旋轉電機被展平，而工作原理相同。動子（forcer，rotor） 是用環氧材料把線圈壓縮在一起制成的；磁軌是把磁鐵（通常是高能量的稀土磁鐵）固定在鋼上。電機的動子包括線圈繞組，霍爾元件電路板，電熱調節器（溫度傳感器監控溫度）和電子接口。在旋轉電機中，動子和定子需要旋轉軸承支撐動子以保證相對運動部分的氣隙（air gap）。同樣的，直線電機需要直線導軌來保持動子在磁軌產生的磁場中的位置。和旋轉伺服電機的編碼器安裝在軸上反饋位置一樣，直線電機需要反饋直線位置的反饋裝置--直線編碼器，它可以直接測量負載的位置從而提高負載的位置精度。

直線電機的控制和旋轉電機一樣。象無刷旋轉電機，動子和定子無機械連接（無刷），不像旋轉電機的方面，動子旋轉和定子位置保持固定，直線電機系統可以是磁軌動或推力線圈動（大部分定位系統應用是磁軌固定，推力線圈動）。用推力線圈運動的電機，推力線圈的重量和負載比很小。然而，需要高柔性線纜及其管理系統。用磁軌運動的電機，不僅要承受負載，還要承受磁軌質量，但無需線纜管理系統。

相似的機電原理用在直線和旋轉電機上。相同的電磁力在旋轉電機上產生力矩在直線電機產生直線推力作用。因此，直線電機使用和旋轉電機相同的控制和可編程配置。直線電機的形狀可以是平板式和U 型槽式，和管式。哪種構造最適合要看實際應用的規格要求和工作環境。

線性電機工作原理

由定子演變而來的一側稱為初級，由轉子演變而來的一側稱為次級。在實際應用時，將初級和次級制造成不同的長度，以保證在所需行程范圍內初級與次級之間的耦合保持不變。直線電機可以是短初級長次級，也可以是長初級短次級。考慮到制造成本、運行費用，以直線感應電動機為例：當初級繞組通入交流電源時，便在氣隙中產生行波磁場，次級在行波磁場切割下，將感應出電動勢并產生電流，該電流與氣隙中的磁場相作用就產生電磁推力。如果初級固定，則次級在推力作用下做直線運動；反之，則初級做直線運動。直線電機的驅動控制技術一個直線電機應用系統不僅要有性能良好的直線電機，還必須具有能在安全可靠的條件下實現技術與經濟要求的控制系統。隨著自動控制技術與微計算機技術的發展，直線電機的控制方法越來越多。

對直線電機控制技術的研究基本上可以分為三個方面：一是傳統控制技術，二是現代控制技術，三是智能控制技術。

傳統的控制技術如PID反饋控制、解耦控制等在交流伺服系統中得到了廣泛的應用。其中PID控制蘊涵動態控制過程中的信息，具有較強的魯棒性，是交流伺服電機驅動系統中最基本的控制方式。為了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技術。在對象模型確定、不變化且是線性的以及操作條件、運行環境是確定不變的條件下，采用傳統控制技術是簡單有效的。但是在高精度微進給的高性能場合，就必須考慮對象結構與參數的變化。各種非線性的影響，運行環境的改變及環境干擾等時變和不確定因素，才能得到滿意的控制效果。因此，現代控制技術在直線伺服電機控制的研究中引起了很大的重視。常用控制方法有：自適應控制、滑模變結構控制、魯棒控制及智能控制。主要是將模糊邏輯、神經網絡與PID、H∞控制等現有的成熟的控制方法相結合，取長補短，以獲得更好的控制性能。

線性電機優點

（1）結構簡單。管型直線電機不需要經過中間轉換機構而直接產生直線運動，使結構大大簡化，運動慣量減少，動態響應性能和定位精度大大提高；同時也提高了可靠性，節約了成本，使制造和維護更加簡便。它的初次級可以直接成為機構的一部分，這種獨特的結合使得這種優勢進一步體現出來。

（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。橫向效應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）易于調節和控制。通過調節電壓或頻率，或更換次級材料，可以得到不同的速度、電磁推力，適用于低速往復運行場合。

（7）適應性強。直線電機的初級鐵芯可以用環氧樹脂封成整體，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境中使用；而且可以設計成多種結構，滿足不同情況的需要。

（8）高加速度。這是直線電機驅動，相比其他絲杠、同步帶和齒輪齒條驅動的一個顯著優勢。