技術(shù)前沿：直線電機(jī)——敏捷驅(qū)動和大推力驅(qū)動

技術(shù)前沿：直線電機(jī)——敏捷驅(qū)動和大推力驅(qū)動

直線電機(jī)（LinearMotor）是一種直接驅(qū)動的電機(jī)，它在直線上產(chǎn)生力，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，直接做直線運(yùn)動，無需額外的傳遞機(jī)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)上來說，可以將其視為從徑向切割旋轉(zhuǎn)電機(jī)并將其平放。

對于不同的運(yùn)動部件（動線圈和動磁軌），有兩種系統(tǒng)。通常，磁軌是靜止部分，包含線圈的驅(qū)動器是移動部分，以便從較低的質(zhì)量獲得更大的加速度；但是動磁軌電機(jī)能夠達(dá)到更高的精度。直線電機(jī)的形狀可以制造為：一塊帶有移動力的表面安裝軌道板（平面直線電機(jī)），兩個(gè)平行的磁軌彼此面對，中間有動力（U型通道直線電機(jī)），或保持器在裝有磁鐵的圓柱棒上移動（管狀直線電機(jī)），具體配置取決于操作條件和特定應(yīng)用。

鐵芯直線電機(jī)由三相電磁線圈組成，三相電磁線圈纏繞在壓片上的鐵芯（齒）上，鐵芯可以增加輸出的力。但是，推力器與軌道之間也會存在齒槽力和吸引力，影響推力和軸承壽命。

無鐵芯直線電機(jī)有時(shí)被稱為U型通道直線電機(jī)，繞組安裝在環(huán)氧樹脂中，而不是鐵疊片。通常，線圈繞組是三相的，采用無刷換向。零齒槽和吸引力延長了軸承壽命，但力輸出變小。

無槽直線電機(jī)結(jié)合了鐵芯電機(jī)和無鐵芯電機(jī)的設(shè)計(jì)元素。帶背鐵的三相線圈用環(huán)氧樹脂固定在一條軌道上，與U型無鐵芯設(shè)計(jì)相比，它們的成本更低、散熱更好，與鐵芯設(shè)計(jì)相比吸引力更低、齒槽效應(yīng)更小。

無槽無鐵扁平電機(jī)由安裝在鋁制底座上的線圈組成，而無槽鐵扁平電機(jī)由安裝在鐵片上的線圈組成，用于引導(dǎo)磁場并增加力，然后安裝到鋁制底座上。包含鐵片的結(jié)構(gòu)中存在吸引力和齒槽力，但這種設(shè)計(jì)比無鐵芯設(shè)計(jì)產(chǎn)生更大的力。

管狀直線電機(jī)是另一種類型的直線電機(jī)，線圈繞組通常是三相，使用霍爾效應(yīng)裝置進(jìn)行無刷換向，這些電機(jī)可以由鐵定子或無鐵定子構(gòu)成。管狀直線電機(jī)具有圍繞圓柱形磁體軸的線圈。當(dāng)驅(qū)動器中的電流在三相之間進(jìn)行調(diào)整時(shí)，就會產(chǎn)生磁場。

音圈電機(jī)又稱不換向直流直線電機(jī)，是一種帶有動圈或動磁體的單相管狀直線電機(jī)。它由永磁體和線圈組成，當(dāng)流過線圈的電流與永磁場相互作用時(shí)，產(chǎn)生移動力。

直線電機(jī)

直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)按徑向剖開，并展成平面而成。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，由霍爾元件實(shí)現(xiàn)無刷換相。

直線電機(jī)經(jīng)常簡單描述為旋轉(zhuǎn)電機(jī)被展平，而工作原理相同。動子(forcer，rotor)是用環(huán)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(jī)的動子包括線圈繞組，霍爾元件電路板，電熱調(diào)節(jié)器(溫度傳感器監(jiān)控溫度)和電子接口。

在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，動子和定子需要旋轉(zhuǎn)軸承支撐動子以保證相對運(yùn)動部分的氣隙(airgap)。

同樣的，直線電機(jī)需要直線導(dǎo)軌來保持動子在磁軌產(chǎn)生的磁場中的位置。和旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的編碼器安裝在軸上反饋位置一樣，直線電機(jī)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(fù)載的位置從而提高負(fù)載的位置精度。直線電機(jī)的控制和旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣。像無刷旋轉(zhuǎn)電機(jī)，動子和定子無機(jī)械連接(無刷)，不像旋轉(zhuǎn)電機(jī)的方面，動子旋轉(zhuǎn)和定子位置保持固定，直線電機(jī)系統(tǒng)可以是磁軌動或推力線圈動(大部分定位系統(tǒng)應(yīng)用是磁軌固定，推力線圈動)。用推力線圈運(yùn)動的電機(jī)，推力線圈的重量和負(fù)載比很小。然而，需要高柔性線纜及其管理系統(tǒng)。

用磁軌運(yùn)動的電機(jī)，不僅要承受負(fù)載，還要承受磁軌質(zhì)量，但無需線纜管理系統(tǒng)。相似的機(jī)電原理用在直線和旋轉(zhuǎn)電機(jī)上。相同的電磁力在旋轉(zhuǎn)電機(jī)上產(chǎn)生力矩在直線電機(jī)產(chǎn)生直線推力作用。因此，直線電機(jī)使用和旋轉(zhuǎn)電機(jī)相同的控制和可編程配置。直線電機(jī)的形狀可以是平板式和U型槽式，和管式。哪種構(gòu)造最適合要看實(shí)際應(yīng)用的規(guī)格要求和工作環(huán)境。

直線電機(jī)工作原理

直線電機(jī)又稱線性機(jī)、線性馬達(dá)、直線馬達(dá)、推桿馬達(dá)。常見的直線電機(jī)有板式、型、槽式和管式。

直線電機(jī)清晰地顯示了內(nèi)部的繞組。磁漿繩和磁軌由環(huán)氧材料制成，線圈用環(huán)氧樹脂壓制而成。更重要的是，磁軌將磁鐵固定在鋼鐵上。

直線電機(jī)通常被簡單地描述為扁平的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，并以同時(shí)的方式工作。壓片機(jī)(轉(zhuǎn)子)采用環(huán)氧樹脂材料將線圈壓縮而成，磁軌是附著在鋼鐵上的磁鐵(通常是高能稀土破鐵》。電機(jī)的執(zhí)行器包線圈繞組、霍爾元件電路板、熱敏電陽(溫度傳感器監(jiān)測溫度》和電子接口。在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子和定子需要由旋轉(zhuǎn)軸承支撐，以保證相對運(yùn)動部分的氣隙。同時(shí)，直線電機(jī)也需要一個(gè)直線導(dǎo)軌來保持執(zhí)行器在磁軌產(chǎn)生的磁場中的位置

與安裝在旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)軸上的編碼器一樣，直線電機(jī)需要一個(gè)線性位置反饋裝置，即直線編碼器，它可以直接測量負(fù)載的位置，提高負(fù)載的位置精度。

由定子演化而來的邊稱為主定子，由轉(zhuǎn)子演化而來的邊稱為次定子。在實(shí)踐中，主要和次要被制造成不同的長度，以確保主要和次要之間的耦合保持在恒定所需的行程范圍。直線電機(jī)可以是短主電機(jī)，也可以是長輔助電機(jī)?？紤]到制造成本和運(yùn)行成本，目前普遍采用短一次和長二次。從現(xiàn)在開始，供水供電供氣企業(yè)，對明令取消的收費(fèi)項(xiàng)目，不得另立名目變相收費(fèi)。為排除安全隱患開展上門服務(wù)、安全檢查等，不得向用戶收取費(fèi)用。

直線電機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似。以直線感應(yīng)電動機(jī)為例，當(dāng)一次繞組連接到交流電源時(shí)，在氣隙中產(chǎn)生行波磁場。當(dāng)二次行波磁場被切斷時(shí)，會感應(yīng)電動勢，產(chǎn)生電流。當(dāng)電流與氣隙中的磁場相互作用時(shí)，會產(chǎn)生電磁推力。如果主桿是固定的，則副桿在推力作用下沿直線運(yùn)動。相反，初學(xué)者的動作是直線的。

直線電機(jī)的原理并不復(fù)雜。想象一個(gè)旋轉(zhuǎn)的感應(yīng)電動機(jī)沿著半徑分裂并變平。這就變成了一個(gè)線性感應(yīng)電動機(jī)。在直線電機(jī)中，相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子，稱為主定子，相當(dāng)于一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，稱為二次轉(zhuǎn)子。主電極在電磁力作用下沿直線運(yùn)動。初級階段要足夠長才能達(dá)到運(yùn)動需要的位置，而次級階段則無需足夠長。事實(shí)上，直線電機(jī)在初級和中級都可以做得很長，它可以是主要固定的，次要移動的，或者次要固定的，主要移動的。

直線電機(jī)是由電能直接轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動能的電磁裝置，其結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)圓筒型旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來，而且工作原理也與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似。設(shè)想將一臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開，并將電機(jī)的圓周展開成直線，這樣就得到了原始的直線電機(jī)。原來旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的定子和動子分別演變?yōu)橹本€電機(jī)中的初級和次級，旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的徑向、周向和軸向，在直線電機(jī)中對應(yīng)地稱為法向、縱向和橫向。

直線電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

直線電機(jī)的初子繞組通入電流后，產(chǎn)生沿縱向方向正弦分布的氣隙磁場，當(dāng)三相電流隨時(shí)間變化時(shí)，氣隙磁場將按交流電的相序沿直線定向移動，這個(gè)平移的磁場稱為行波磁場。次級導(dǎo)體在行波磁場的切割下產(chǎn)生電動勢形并形成定向感應(yīng)電流，次級中的感應(yīng)電流和磁場的共同作用下產(chǎn)生縱向電磁推力，如果初級是固定不定的，那么次級就沿行波磁場的運(yùn)動方向做直線運(yùn)動，這就是直線電機(jī)工作的基本原理。

優(yōu)點(diǎn)

1、沒有機(jī)械接觸，傳動力是在氣隙中產(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，而且這僅僅是只存在一個(gè)運(yùn)動的部件；

3、運(yùn)行的行程在理論上是不受任何限制的，而且其性能不會因?yàn)槠湫谐痰拇笮「淖兌艿接绊懀?/p>

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，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷為加速1G；

6、運(yùn)動平穩(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元件，有合適的反饋裝置可達(dá)亞微米級；

8、維護(hù)簡單，由于部件少，運(yùn)動時(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。直線電動機(jī)與“旋轉(zhuǎn)電動機(jī)，滾珠絲杠”傳動性能比較表性能旋轉(zhuǎn)電動機(jī)+滾珠絲杠直線電動機(jī)。

直線電機(jī)模組的應(yīng)用領(lǐng)域

1.工業(yè)與自動化中-由于直線電機(jī)有其自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn);

2.交通運(yùn)輸業(yè)中-直線電機(jī)技術(shù)在磁懸浮列車方面是很重要的應(yīng)用;

3.物料輸送與搬運(yùn)方面的應(yīng)用-直線電機(jī)在各種物料輸送和搬運(yùn)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢;

4.民用與建筑業(yè)方面的應(yīng)用-在民用與建筑業(yè)方面直線電機(jī)也得到廣泛應(yīng)用;

5.直線電機(jī)在計(jì)算機(jī)及辦公設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用在計(jì)算機(jī)光驅(qū)設(shè)備。

直線電機(jī)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。對許多應(yīng)用，如遇到大負(fù)載而且驅(qū)動軸是豎直面的。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，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)動只需電機(jī)無需齒輪，聯(lián)軸器或滑輪，對很多應(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，使結(jié)構(gòu)大大簡化，運(yùn)動慣量減少，動態(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)更加簡便。它的初次級可以直接成為機(jī)構(gòu)的一部分，這種獨(dú)特的結(jié)合使得這種優(yōu)勢進(jìn)一步體現(xiàn)出來。

(2)適合高速直線運(yùn)動。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、次級間用氣墊或磁墊保存間隙，運(yùn)動時(shí)無機(jī)械接觸，因而運(yùn)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(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)初級繞組利用率高。在管型直線感應(yīng)電機(jī)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(jī)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(yùn)行場合。

(7)適應(yīng)性強(qiáng)。直線電機(jī)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(jì)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(jī)驅(qū)動，相比其他絲杠、同步帶和齒輪齒條驅(qū)動的一個(gè)顯著優(yōu)勢。

直線電機(jī)的九大優(yōu)勢

1.高速度，可參考磁懸浮列車速度。

2.高精度，微米級起步，向納米級靠近。

3.易控制，支持多種控制方式和接口。

4.結(jié)構(gòu)簡單，動定子無接觸，無磨損。

5.運(yùn)行順暢平穩(wěn)，無摩擦，無背隙。

6.定子可拼接，行程可無限延長。

7.支持多動子，可同時(shí)獨(dú)立運(yùn)動。

8.響應(yīng)快，加速度高，效率提升。

9.噪音更低，更安靜的工作環(huán)境。

一、高速度

直線電機(jī)的速度可以有多快，大家可以參考磁懸浮列車的速度。直線電機(jī)理論上能達(dá)到多快呢？可以比火箭更快！

當(dāng)然理論不同于實(shí)際的，在當(dāng)前的自動化行業(yè)中，直線電機(jī)的速度，受限于導(dǎo)軌的材質(zhì)。雖然直線電機(jī)的動定子是不接觸的，但在實(shí)際運(yùn)用中，直線電機(jī)必須配套導(dǎo)軌、滑塊才能發(fā)揮作用。過快的速度，是導(dǎo)軌無法承受的。當(dāng)前，市面上的較好的導(dǎo)軌，所能承受的速度極限是3.5米/秒，更多的則在2米/秒以下，極少數(shù)導(dǎo)軌能適應(yīng)6米/秒的速度，但壽命也不會太長。

即便如此，在實(shí)際運(yùn)用中，直線電機(jī)的速度也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于絲桿、皮帶、齒輪齒條等傳動方式的，更不用說直線電機(jī)能達(dá)到這些傳動方式無法達(dá)到的行程。

有鐵芯直線電機(jī)

二、高精度

通常，就重復(fù)定位精度而言，絲桿模組為：±0.005mm-±0.01mm，皮帶模組為：±0.04mm，齒輪齒條模組為：±0.1mm。直線電機(jī)，再配上柵尺，讀頭，滑塊、導(dǎo)軌，驅(qū)動器等配件，組裝成模組后，重復(fù)定位精度一般在：±0.0025mm（磁柵尺）到±0.0015mm（光柵尺），當(dāng)然這是基本配置后的精度。如果配上高端的氣浮軸承，大理石底座，直線電機(jī)的重復(fù)定位精度是可以用納米來記的。

三、易控制

說到控制方式，這才是自動化的靈魂，再好的產(chǎn)品，沒有一個(gè)好的控制方式，就不能完美的執(zhí)行指令，也就發(fā)揮不出它最佳的價(jià)值。因此，控制方式也是自動化設(shè)計(jì)中最先考慮的問題。

傳統(tǒng)傳動的控制方式，相對單一，運(yùn)動動作，也非常機(jī)械，所需要的指令也很單薄，可編輯性很差。

直線電機(jī)的控制就靈活多了，除了支持各種主流的控制模式，編碼器反饋方式，多數(shù)廠家的控制器是可以支持二次開發(fā)的。

四、結(jié)構(gòu)簡單

直線電機(jī)包括多種形式，最常見的有：有鐵芯、無鐵芯、磁軸式、DD馬達(dá)、音圈電機(jī)，他們的結(jié)構(gòu)都非常簡單。概括來說就是：動子和定子。

精簡的結(jié)構(gòu)帶來的好處，不僅是易于安裝、調(diào)節(jié)，更重要的是，不易損壞，即使出了故障，也容易排查。加上，直線電機(jī)的動定子都是不接觸的，動子和定子之間是存在一定的氣隙的，因此他們是毫無磨損的，也更不容易被損壞，壽命也更長了。

反觀傳統(tǒng)的直線傳動方式，無一例外都是需要有接觸傳動的，比如絲桿和螺母、皮帶和同步輪，齒輪和齒條，都是必然接觸，必然磨損的。

五、運(yùn)行順暢平穩(wěn)

前面已經(jīng)說了，直線電機(jī)的動定子是無接觸、無摩擦的，因此動子的運(yùn)行是非常順暢，平滑的。有鐵芯直線電機(jī)會有一定的齒槽效應(yīng)，但它的順暢、平穩(wěn)度也是遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)傳動方式的，更別說零齒槽力的無鐵芯電機(jī)、磁軸式電機(jī)了。

絲桿、皮帶、齒輪齒條這些傳動方式，都無可避免的有接觸和摩擦，這會給滑座的運(yùn)動帶來很大的摩擦阻力，滑座來回運(yùn)動中就會不那么順暢平穩(wěn)了。

六、定子可拼接，行程可無限延長

說到行程，我們都知道，絲桿模組的行程受限于絲桿、導(dǎo)軌的長度，皮帶模組受限于皮帶和電機(jī)輸出功率，齒輪齒條模組也受到動力輸出的限制，總之，他們的行程都是非常有限的。

但直線電機(jī)的行程，就是動子在定子上磁懸浮運(yùn)動，只要定子磁力覆蓋的地方，都可以視為動子的行程范圍。理論上，直線電機(jī)的行程是無限的，就如磁懸浮列車一樣，可以無限延長。

在實(shí)際的工業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)用中，定子可以拼接延長的，導(dǎo)軌也可以，因此，直線電機(jī)的行程可以說是無限。

七、支持多動子，可同時(shí)獨(dú)立運(yùn)動

就好比，一條磁軌上可以同時(shí)運(yùn)行多輛列車，直線電機(jī)在同一組定子上，也是可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)動子的。每個(gè)動子獨(dú)立運(yùn)行，同一由上位機(jī)控制。這會大大提高自動化設(shè)備的工作效率，這樣也是絲桿模組、皮帶模組很難做到的。完全沒有可比性。

目前，市面上已經(jīng)有許多成熟的多動子環(huán)形導(dǎo)軌廠家，菲格斯就是其中比較突出的供應(yīng)商之一。

八、響應(yīng)快，加速度高，效率提升

先說加速度這個(gè)概念，它可以抽象的理解為，汽車在靜止?fàn)顟B(tài)下，啟動，然后加速，再達(dá)到所需要的速度，平穩(wěn)行駛。這就是很多廠家標(biāo)榜的百米加速所需時(shí)間的概念。直線電機(jī)和其他傳動一樣，也是有一個(gè)指標(biāo)來評判從啟動，到最高速度所需的時(shí)間，這通常被理解為響應(yīng)速度，加速度等概念。小編這里力求通俗易懂，表述不一定完全準(zhǔn)確。

加速度越高，就說明從靜止到最高速的響應(yīng)越快，這個(gè)優(yōu)勢給直線電機(jī)的應(yīng)用開辟了新的場景，比如航母上的飛機(jī)彈射器，就是利用的直線電機(jī)的高加速度特點(diǎn)。

傳統(tǒng)傳動的響應(yīng)速度通常是直線電機(jī)的幾十倍到幾百倍。

九、噪音更低，更安靜的工作環(huán)境噪聲，也是一種污染！

過大的噪聲，不僅不利于人體健康，影響工作人員情緒，增大出錯(cuò)幾率，而且世界各地有不同的相關(guān)規(guī)定，超過80分貝的噪聲，已被視為污染。

絲桿、皮帶、齒輪齒條等傳動方式的噪音已經(jīng)接近噪聲污染的標(biāo)準(zhǔn)了，加上工作環(huán)境里其他的聲響，肯定是不適合員工工作的。直線電機(jī)的聲響大約在50-60分貝，可以有效的降低噪聲，改善工作環(huán)境。

直線電機(jī)的發(fā)展歷史

直線電機(jī)最早可追溯到1840年惠斯登提出和制作的直線電機(jī)，至今已有160多年。

1891年，法國的孟·勒布朗首次為直線電機(jī)定名，美國的Bradly提出利用行進(jìn)磁場的直線電機(jī)。

1895年，美國的J.Weaver申請了直線磁阻電機(jī)織機(jī)梭子的專利。

1905年，德國的Zehden提出了單側(cè)定子三相直線電機(jī)的方案。英國的H.Wilson建議將直線電動機(jī)作為火車的推進(jìn)機(jī)構(gòu)并申請了專利。

1908年美國的杰森也提出用直線電機(jī)驅(qū)動單軌列車的設(shè)想。但是，在當(dāng)時(shí)條件下，直線電機(jī)的調(diào)速性能以及經(jīng)濟(jì)性、可靠性等與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比還沒有競爭力，因此很長時(shí)間內(nèi)未得到廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)50年代后，英國的萊思韋特教授在直線電動機(jī)基礎(chǔ)理論研究方面取得了很多研究成果，對直線電機(jī)的復(fù)興了起到了重要推動作用。萊思韋特曾長期致力于直線電機(jī)軌道車輛的研究。

1960年，萊思韋特在他當(dāng)時(shí)任教的曼徹斯特大學(xué)利用直線電機(jī)牽引車輛模型設(shè)計(jì)制造了載人直線電機(jī)軌道車輛模型，并在24ｍ的軌道上做了試驗(yàn)。該模型車重750ｋｇ，采用雙邊定子。

1962年，他又在曼徹斯特戈頓機(jī)車廠建造了914ｍ長的試驗(yàn)線，對這臺軌道車輛模型（垂直感應(yīng)板）進(jìn)行了試驗(yàn)。接著萊思韋特建立了“軌道氣墊有限公司”，在英國政府的支持下進(jìn)行直線電機(jī)氣墊懸浮軌道車輛研究。1976年，他為英國工業(yè)研究協(xié)會設(shè)計(jì)制造了一套用于汽車碰撞試驗(yàn)的直線電機(jī)加速系統(tǒng)。

1975年，英國設(shè)計(jì)了一條直線電機(jī)牽引輪軌列車都市快軌交通試驗(yàn)線：鐵軌中間安裝238ｍ長的鋁制感應(yīng)板。

1975年英國在直線電機(jī)輪軌列車試驗(yàn)列車轉(zhuǎn)向架上安裝了直線牽引電機(jī)。但是，當(dāng)時(shí)并沒有進(jìn)行直線電機(jī)牽引試驗(yàn)，而僅僅是檢驗(yàn)直線電機(jī)牽引系統(tǒng)的可行性，包括感應(yīng)板安裝的難易程度。

然而，直線電機(jī)成功地用于軌道交通卻是在磁懸浮列車上首先實(shí)現(xiàn)的。由于磁懸浮列車不能再依靠車輪驅(qū)動，所以很自然地采用了直接通過電磁力驅(qū)動列車的直線電機(jī)。

上世紀(jì)60年代以來，得益于電力電子技術(shù)的進(jìn)步，采用交流調(diào)速技術(shù)的直線電機(jī)驅(qū)動的高速磁懸浮列車在德國、日本、英國、美國、瑞士、韓國、中國等國相繼建立起了試驗(yàn)和試運(yùn)行線路。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，上海浦東高速磁懸浮列車和日本名古屋低速磁懸浮列車的商業(yè)運(yùn)行，標(biāo)志著磁懸浮鐵路已進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用的階段。如果說磁懸浮列車采用直線電機(jī)是在旋轉(zhuǎn)電機(jī)無法發(fā)揮作用下的唯一選擇，那么現(xiàn)代直線電機(jī)輪軌交通系統(tǒng)則可以看作是在磁懸浮列車獲得成功的推動下誕生的。人們意識到，既然直線電機(jī)驅(qū)動的磁懸浮列車因?yàn)椴辉偻ㄟ^黏著力牽引而具有更大的爬坡能力，那么直線電機(jī)用于輪軌列車當(dāng)然具有同樣的優(yōu)點(diǎn)。

因此，20世紀(jì)80年代以后，加拿大、日本等國在研究磁懸浮列車的同時(shí)成功地開發(fā)出直線電機(jī)驅(qū)動的城市輪軌車輛交通系統(tǒng)并付諸實(shí)用。這種新型交通系統(tǒng)伴生的優(yōu)點(diǎn)還有：車輛斷面小、噪音低，可以采用徑向轉(zhuǎn)向架，等等。

直線電機(jī)是如何驅(qū)動的

直線電機(jī)是一種特殊的電機(jī)結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，直線電機(jī)可以提供直線運(yùn)動，因此廣泛應(yīng)用于需要精準(zhǔn)直線運(yùn)動和快速響應(yīng)的領(lǐng)域，如空間推進(jìn)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床、磁懸浮列車等。

直線電機(jī)的驅(qū)動方式與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動方式存在一定的差異。直線電機(jī)的驅(qū)動方式一般可以采用以下兩種方式：

1.交流驅(qū)動：直線電機(jī)的交流驅(qū)動采用類似于三相交流電機(jī)的驅(qū)動方式，將三相(或多相)交流電源的電流按照一定規(guī)律依次輸入到直線電機(jī)的三個(gè)(或多個(gè))電磁線圈中，從而形成旋轉(zhuǎn)磁場。當(dāng)直線電機(jī)運(yùn)動時(shí)，磁場的方向不斷變化，從而產(chǎn)生與方向相同的推力，實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動。

2.直流驅(qū)動：直線電機(jī)的直流驅(qū)動采用類似于直流電機(jī)的驅(qū)動方式，將直流電壓輸入到直線電機(jī)的線圈中，從而形成磁場。同時(shí)，在線圈上安裝位置傳感器或編碼器，測量直線電機(jī)的位置、速度和加速度等參數(shù)，并將其反饋給控制器?？刂破鞲鶕?jù)反饋信號和設(shè)定信號，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓的大小和方向，控制直線電機(jī)的運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動。

無論是交流驅(qū)動還是直流驅(qū)動，直線電機(jī)的控制都需要采用高精度的驅(qū)動電路和控制器，以實(shí)現(xiàn)對直線電機(jī)運(yùn)動軌跡的高效控制。同時(shí)，直線電機(jī)的驅(qū)動過程還需要綜合考慮電磁主體的結(jié)構(gòu)、材料、電學(xué)參數(shù)等因素，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能優(yōu)越。

直線電機(jī)與磁浮驅(qū)動

直線電機(jī)是一種直線式電動機(jī)，與旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同，直線電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子是直接線性排列的，它的運(yùn)動方向與磁場方向也一致，因此具有高效率、高加速度、高精度和自鎖保持等優(yōu)點(diǎn)。直線電機(jī)廣泛應(yīng)用于高速列車、工廠自動化、自動化倉庫等領(lǐng)域，能夠提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、降低成本。

磁懸浮驅(qū)動技術(shù)則是一種以磁懸浮原理為基礎(chǔ)的運(yùn)動控制技術(shù)，這種技術(shù)的最大特點(diǎn)是直接利用磁場來對運(yùn)動進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)高速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確和無接觸的運(yùn)動。磁懸浮驅(qū)動技術(shù)廣泛應(yīng)用于高速列車、磁懸浮列車、高精度測試設(shè)備、高速機(jī)床和機(jī)器人等領(lǐng)域。

直線電機(jī)和磁浮驅(qū)動技術(shù)可以結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)更加高效、高速、準(zhǔn)確和省能的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。例如，在高速列車上，直線電機(jī)可以提供強(qiáng)勁的牽引力和準(zhǔn)確的定位控制，而磁懸浮驅(qū)動技術(shù)可以提供更加平穩(wěn)、無聲、無接觸的行駛體驗(yàn)。

此外，直線電機(jī)和磁浮驅(qū)動技術(shù)也可以在工廠自動化和自動化倉庫等應(yīng)用中發(fā)揮作用，通過快速準(zhǔn)確的定位，實(shí)現(xiàn)更高效的物流和生產(chǎn)流程。同時(shí)，磁浮驅(qū)動技術(shù)也可以提供更加平穩(wěn)、無接觸的運(yùn)動，從而減少機(jī)械零部件的磨損和維護(hù)成本。

與傳統(tǒng)傳動機(jī)構(gòu)對比

傳統(tǒng)伺服+絲杠機(jī)床結(jié)構(gòu)

?傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件數(shù)量多

?安裝精度要求高，安裝時(shí)間更長生產(chǎn)效率低

?傳動環(huán)節(jié)多，精度誤差高

?機(jī)械傳動摩擦環(huán)節(jié)多

直驅(qū)電機(jī)機(jī)床結(jié)構(gòu)

?結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)量少

?直線電機(jī)安裝精度要求僅有氣隙數(shù)值和基本對稱要求，安裝時(shí)間短

?無中間傳動環(huán)節(jié)

?無接觸，無摩擦

直線電機(jī)特點(diǎn)

當(dāng)談到直線電機(jī)時(shí)，首先想到的是它的運(yùn)行精度和速度，以及直線電機(jī)的負(fù)載和推力。有人會問，直線電機(jī)那么貴，它的核心價(jià)值是什么?它的優(yōu)點(diǎn)是什么?

在性能強(qiáng)勁、價(jià)格實(shí)惠的直線電機(jī)出現(xiàn)之前，直線運(yùn)動是根據(jù)滾珠絲杠由旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)換而來的。與傳統(tǒng)的直線運(yùn)動方式相比，直線電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)比如針對高速、高加速度、零護(hù)、高精度的要求，直線電機(jī)在沒有齒輪、聯(lián)軸器、滑輪的情況下，有著無可比擬的優(yōu)勢。直線電機(jī)有其獨(dú)特的特點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)電機(jī)無法替代的。

直線電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn):

Part1結(jié)構(gòu)簡單:由于直線電機(jī)無需經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)直接產(chǎn)生直線運(yùn)動，系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)大大簡化，重量和體積也大大減小，降低了運(yùn)動慣量，提高了動態(tài)響應(yīng)性能和定位精度。它結(jié)構(gòu)簡單、配備齊全，其結(jié)構(gòu)相比直線電機(jī)模組更為空間緊湊化，配件更少，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，一體化成型，體積小、推力大，理論上可以無限拼接長度，是標(biāo)準(zhǔn)品，而且價(jià)格低、交期快!

Part2定位精度高:當(dāng)需要直線運(yùn)動時(shí)，直線電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)直接傳動，消除中間環(huán)節(jié)引起的各種定位誤差。因此，定位精度高。達(dá)到+3um重復(fù)定位精度的同時(shí)，傳動速度還能達(dá)到4m/s

Part3反應(yīng)速度快，靈敏度高，跟蹤效果好。直線電機(jī)易于磁懸浮支撐，使轉(zhuǎn)子與定子之間始終存在一定的氣而無接觸，消除了定子與定子之間的接觸摩擦阻力，大大提高了系統(tǒng)的靈敏度、快速性和何服性能。它是一種直線電機(jī)驅(qū)動，明顯優(yōu)于其他絲桿、同步帶和齒輪齒條驅(qū)動。

Part4安全可靠，使用壽命長。直線電機(jī)無接觸傳動力，機(jī)械摩擦損耗幾乎為零，故障率低，免維護(hù)，運(yùn)行安全可靠，使用壽命長。直線電機(jī)適用于高速直線運(yùn)動。如果沒有離心力的約束，普通材料可以達(dá)到更高的速度，傳動部件沒有磨損，可以減少機(jī)械損耗，噪音小，從而提高整體效率

Part5節(jié)省成本。由于直線電機(jī)提高了可靠性，能節(jié)省成本，使生產(chǎn)和維護(hù)保養(yǎng)更加容易。它的起始水平可以直接成為組織的一部分，這種沖特的組合進(jìn)步證明了這一優(yōu)勢。在不增加成本的情況下，整合了導(dǎo)軌和滑塊相結(jié)合，而它的價(jià)格僅是同類直線電機(jī)模組的一半。

Part6易于調(diào)節(jié)和控制。通過調(diào)節(jié)電壓或頻率，或改變次級材料，可獲得不同速度、電磁推力，適合低速往復(fù)運(yùn)行場合。

直線電機(jī)主要應(yīng)用于三個(gè)方面:

1、適用于自動化控制系統(tǒng)，使用頻率較高

2、驅(qū)動電機(jī)長期連續(xù)運(yùn)行;

3、它適用于需要在短時(shí)間和短距離內(nèi)提供巨大的直線運(yùn)動能量的設(shè)備。

永磁直線電機(jī)的齒槽分析

直線電機(jī)因其高響應(yīng)能力、定位準(zhǔn)確，已廣泛應(yīng)用于機(jī)床的載體裝置和驅(qū)動單元。而想要提高直線電機(jī)的響應(yīng)能力，我們需要獲得比較大的推力以增強(qiáng)響應(yīng)性；并且另一方面也需要權(quán)衡減少推力變化和吸引力的關(guān)系。

為了獲得較大的推力，需要考慮材料的非線性磁性能和磁鐵的退磁特性，為了評估推力的變化，需要在建模出詳細(xì)的幾何圖形后進(jìn)行分析。這就是為什么需要用基于有限元法(FEM)的磁場分析仿真來研究它們的原因。

分析假設(shè)

電機(jī)由定子和動子組成

定子由定子鐵芯和線圈組成

動子由動子鐵下心和磁鐵組成

動子的運(yùn)動是純平移的

流過線圈的激勵(lì)為三相正弦交流電

組件

分析目標(biāo)的幾何形狀和各部件的名稱如圖2.1所示，各部件的規(guī)格如表2.1所示。

圖2.1永磁電刷電機(jī)

表2.1電機(jī)規(guī)格

材料

各部件的材料如表2.2所示，磁體的充磁方向如圖2.3所示。

表2.2材料特性

圖2.2BH曲線(定子鐵芯、動子鐵芯)

圖2.3磁鋼充磁方向

繞組

繞組設(shè)置如表2.3所示，分布式繞組接線方式如圖2.4所示。

表2.3繞組規(guī)格

圖2.4繞線方式

驅(qū)動條件

驅(qū)動條件設(shè)定見表2.4。

表2.4驅(qū)動器條件設(shè)定

分析結(jié)果

齒槽力

圖4.1為齒槽力波形；為了找出齒槽力產(chǎn)生的原因，本案例分析了圖4.1中藍(lán)色圈出的位置的磁通密度分布如圖4.2所示。圖4.2顯示，動子末端的磁通密度分布不均勻。且這種磁路的不平衡是造成較大齒槽波紋的關(guān)鍵因素。

圖4.1齒槽力波形

圖4.2磁通量密度分布(動子位置:50mm)

推力和吸引力

運(yùn)行位置和推力的關(guān)系如圖4.3所示，運(yùn)行位置和引力如圖4.4所示。從圖中可以看出，推力和引力的周期與齒槽力的周期。因此齒槽紋波會影響推力的變化，因此為了減小推力的變化，需要將齒槽紋波做得更小。引力也與旋轉(zhuǎn)機(jī)器中的徑向力相同，也就是說它受到間隙中磁通量流動的影響，因此可以通過改變槽的幾何形狀來減小垂直于間隙流動的磁通量來減小引力。

圖4.3位置與推力

圖4.4位置與引力

直線電機(jī)應(yīng)用

直線電機(jī)亦是短跑能手，可在短行程（≤4mm）運(yùn)動條件下每秒超過十五個(gè)往返，也很適用于長行程應(yīng)用（1000-＞5000mm），并且可以在同一軸上安裝數(shù)個(gè)動子，增加非標(biāo)自動化機(jī)臺設(shè)計(jì)的靈活性。

直線電動機(jī)的應(yīng)用

直線電動機(jī)由于特殊的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動方式，其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，既可作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件，也可以用于較大功率的電力拖動自動控制系統(tǒng)，下面列舉若干實(shí)際應(yīng)用的例子。

1.作為直線運(yùn)動的執(zhí)行元件

(1)機(jī)械手

圖9.18所示為電機(jī)制造中傳遞硅鋼片沖片的機(jī)械手示意圖。直線感應(yīng)電動機(jī)的次級端頭裝有電磁鐵，沖片沖好后，直線電機(jī)通電，電磁鐵隨同次級進(jìn)入沖床，電磁鐵通電把沖好的沖片吸上后，直線電機(jī)反向通電，把沖片從沖床內(nèi)帶出，電磁鐵斷電，沖片靠自重落下，集聚在預(yù)置的框內(nèi)。

(2)電動門

圖9.19所示為一扇直線電機(jī)電動門示意圖直線感應(yīng)電動機(jī)的次級鋼板作為電動門的構(gòu)件初級通電后，次級鋼板中感應(yīng)產(chǎn)生電流，并產(chǎn)生推力，驅(qū)動電動門做直線運(yùn)動。

2.用于機(jī)械加工產(chǎn)品

(1)電磁錘

圖9.20所示為用于機(jī)械加工的電磁錘示意圖，電磁錘的錘桿用兩根角鋼焊接成空心的鋼桿在其兩側(cè)各裝一個(gè)直線感應(yīng)電動機(jī)的初級。初級通電，錘桿上升;初級斷電，錘桿自由落下打擊工件

(2)電磁打箔機(jī)

圖9.21所示為電磁打箔機(jī)示意圖，電磁打箔機(jī)采用圓筒型直線感應(yīng)電動機(jī)作為動力源。初級通電后，錘桿向上運(yùn)動，當(dāng)錘桿上升到一定高度時(shí)斷電，由于慣性的作用，錘桿繼續(xù)上升，撞擊頂部的彈簧，然后依靠彈簧的儲能和錘桿、錘頭的重力勢能打擊工件。電動機(jī)間歇通電，錘桿即能做上下往復(fù)運(yùn)動。工件為韌性較大的紙包，其中包有金箔。在錘頭頻繁的鍛打下，金箔可被打制成很薄的箔片，其厚度可達(dá)0.2um。

3.用于信息自動化產(chǎn)品

(1)筆式記錄儀

筆式記錄儀主要由動圈型永磁直線直流電動機(jī)、運(yùn)算放大器和平衡電橋組成，如圖9.22所示電橋平衡時(shí)，沒有電壓輸出，這時(shí)直線電動機(jī)所帶的記錄筆處在儀表的指零位置。當(dāng)外來信號EWV不等于零時(shí)，電橋失去平衡，運(yùn)算放大器產(chǎn)生一定的輸出電壓，推動直線電動機(jī)的可動線圈做直線運(yùn)動，從而帶動記錄筆在記錄紙上把信號記錄下來。同時(shí)，直線電動機(jī)還帶動反饋電位器滑動使電橋重新趨向平衡。

(2)平面電機(jī)與平面繪圖儀

由雙軸組合的直線步進(jìn)電動機(jī)可以構(gòu)成平面式步進(jìn)電動機(jī)。圖9.23所示平面電機(jī)示意圖，它是將兩臺直線步進(jìn)電動機(jī)組合在一起，其中一臺電動機(jī)產(chǎn)生X軸方向的運(yùn)動，另一臺電動機(jī)產(chǎn)生Y軸方向的運(yùn)動。這樣，平面式步進(jìn)電動機(jī)不需要任何機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置，就能夠直接產(chǎn)生平面形式的運(yùn)動。由于直線步進(jìn)電動機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)和工作原理，使得兩臺直線步進(jìn)電動機(jī)的組合變得一分簡便。實(shí)際上，采用三臺直線步進(jìn)電動機(jī)還可以做成二軸向的三維電動機(jī)。

圖9.24所示為基于雙軸直線步進(jìn)電動機(jī)的平面繪圖儀示意圖，兩個(gè)電動機(jī)的初級相互垂直，次級臺板上開有相互垂直的齒槽，電動機(jī)利用氣墊形成初、次級之間的氣隙，在計(jì)算機(jī)的控制下帶動繪圖筆運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)繪圖功能

(3)硬盤的磁頭驅(qū)動機(jī)構(gòu)

硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由盤頭組件構(gòu)成的核心，封裝在硬盤的凈化腔體內(nèi)，包括浮動磁頭組件、磁頭驅(qū)動機(jī)構(gòu)、磁碟及主軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)、前置讀寫控制電路等

硬盤的磁頭驅(qū)動機(jī)構(gòu)由音圈電機(jī)和磁頭驅(qū)動小車組成，新型大容量硬盤還具有高效的防震動機(jī)構(gòu)。高精度的輕型磁頭驅(qū)動機(jī)構(gòu)能夠?qū)Υ蓬^進(jìn)行正確的驅(qū)動和定位，并在很短的時(shí)間內(nèi)精確定位到系統(tǒng)指令指定的磁道上，保證數(shù)據(jù)讀寫的可靠性。

硬盤驅(qū)動器加電正常工作后，利用控制電路中的單機(jī)初始化模塊進(jìn)行初始化工作，此時(shí)磁頭置于磁碟中心位置，初始化完成后主軸電機(jī)將啟動并以高速旋轉(zhuǎn)，裝載磁頭的小車機(jī)構(gòu)移動，將浮動磁頭置于磁碟表面的00道，處于等待指令的啟動狀態(tài)

4.用于長距離的直線傳輸裝置

(1)運(yùn)煤車

圖9.27所示為直線電機(jī)運(yùn)煤車示意圖。礦井運(yùn)煤軌道一般很長，每隔一段距離，在軌道中間安置一臺直線感應(yīng)電動機(jī)的初級。一列運(yùn)煤車由若干礦車組成，每臺的車的底部裝有鋁鋼復(fù)合次級。直線電機(jī)的初級依次通電，便可把運(yùn)煤車向前推進(jìn)。

(2)新型電梯

圖9.16所示的永磁式直線同步電動機(jī)礦井提升系統(tǒng)同樣可以應(yīng)用于電梯這種垂直運(yùn)輸系統(tǒng)。同傳統(tǒng)的繩索電梯和液壓電梯相比，基于直線電機(jī)的新型電梯具有如下優(yōu)點(diǎn):

（1)節(jié)約場地。

因?yàn)橹本€電機(jī)電梯的軌道即是直線電機(jī)的定子，沒有必要專門鋪設(shè)垂直軌道，具有增加有效面積的優(yōu)點(diǎn)。

（2）節(jié)省電力。

新型直線電機(jī)電梯的最高速度可達(dá)1.75m/s，這樣的速度，繩索電梯的曳引機(jī)必須采用齒輪減速器變速，電梯升降系統(tǒng)的傳動效率會明顯降低。而直線電機(jī)因其是非接觸的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，所以沒有傳動效率降低的情況。和液壓電梯相比，電力消耗的差別更大，它比液壓電梯可節(jié)約60%以上的能量。

（3）可靠性高。

繩索電梯的曳引機(jī)由齒輪減速器旋轉(zhuǎn)由機(jī)曳引輪、防振機(jī)構(gòu)等組成，液壓電梯的動力部分是由旋轉(zhuǎn)電機(jī)、液壓油泵控制閥油箱和油冷卻器組成，都比較復(fù)雜。而直線電機(jī)電梯的驅(qū)動機(jī)構(gòu)一分簡單，而且由于自動保持定的氣隙，沒有零件的摩擦，因而也就不會產(chǎn)生磨損，這樣就可以使電梯運(yùn)行的可靠性大天提高維修保養(yǎng)也十分方便

（4）噪聲低。

直線電機(jī)電梯沒有減速器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)及液壓油泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的噪音，也沒有鋼絲繩和曳引輪之間摩擦所產(chǎn)生的噪聲，而且鋼絲繩的壽命也會大大提高

5.用于高速磁懸浮列車

磁懸浮列車是21世紀(jì)理想的超級特別快車世界各國都十分重視發(fā)展磁懸浮列車。目前，我國和日本、德國、英、美等國都在積極研究這種車。

（1）常導(dǎo)電磁懸浮技術(shù)

圖9.28所示為常導(dǎo)高速磁懸浮列車模型。該列車采用“異性相吸”原理設(shè)計(jì)，是“常導(dǎo)磁吸”(簡稱“常導(dǎo)型)直線感應(yīng)電動機(jī)磁懸浮型列車

利用安裝在列車兩側(cè)轉(zhuǎn)向架上的懸浮電磁鐵和鋪設(shè)在軌道上的磁鐵，在磁場作用下產(chǎn)生的吸力是車輛浮起來

懸浮列車的驅(qū)動和同步直線電動機(jī)原理一模樣。通俗說，在位于軌道兩側(cè)的線圈里流動的交流電，能將線圈變成電磁體，由于它于列車上的電磁體的相互作用，使列車開動。列車頭部的電磁體N極被安裝在靠前一點(diǎn)的軌道上的電磁體S極所吸引，同時(shí)又被安裝在軌道上稍后一點(diǎn)的電磁體N極所排斥。

列車前進(jìn)時(shí)，線圈里流動的電流方向就反過來，即原來的S極變成N極，N極變成S極。循環(huán)交替，列車就向前奔馳

（2）超導(dǎo)電動磁懸浮

圖9.29所示為超導(dǎo)電動磁懸浮列車，基于直線同步電動機(jī)原理設(shè)計(jì)。直線同步電動機(jī)電樞繞組埋在路基中間，勵(lì)磁繞組采用超導(dǎo)線圈，安裝在車廂底部

由于超導(dǎo)線圈能提供極強(qiáng)的磁場，因此這種電機(jī)不需要鐵心。車廂底部兩側(cè)還裝有供磁懸浮用的超導(dǎo)磁浮線圈，在其下方的地基中鋪有導(dǎo)鋁板，磁浮線圈產(chǎn)生的磁場在鋁板中感生電流，它們相互作用產(chǎn)生推斥力，使列車懸浮。這是一種超導(dǎo)斥浮型高速列車。日本的超導(dǎo)磁懸浮列車已經(jīng)過載人試驗(yàn)，即將進(jìn)入實(shí)用階段，運(yùn)行時(shí)速可達(dá)500千米以上

（3）永磁懸浮技術(shù)

上述兩種方案各有利弊。超導(dǎo)斥浮型直線同步電動機(jī)初、次級之間的氣隙可以設(shè)計(jì)得比較大易于控制，但由于采用超導(dǎo)，且全程都必須設(shè)置電樞繞組，因此總體成本高，常導(dǎo)吸浮型直線感應(yīng)電動機(jī)的氣隙不能做得過大，否則電動機(jī)的效率和功率因數(shù)都偏低，所以它對控制系統(tǒng)的要求較高，但成本要低不少

永磁懸浮技術(shù)是中國自己擁有核心及相關(guān)技術(shù)發(fā)明專利的原始創(chuàng)新技術(shù)。日本和德國的磁懸浮列車在不通電的情況下，車體與槽軌是接觸在一起的，而利用永磁懸浮技術(shù)制造出的磁懸浮列車在任何情況下，車體和軌道之間都是不接觸的

驅(qū)動系統(tǒng)采用自主研發(fā)的磁動機(jī)技術(shù)。磁動機(jī)由永磁轉(zhuǎn)子輪和直線定子鐵靴構(gòu)成，定子與轉(zhuǎn)子之間不接觸，依靠永磁場產(chǎn)生吸力或拉力，而驅(qū)動磁懸浮列車運(yùn)行或制動，它均布在列車動力艙內(nèi)，屬分散動力裝置，是永磁懸浮列車的核心技術(shù)之一。

磁動機(jī)已經(jīng)在輕型吊軌磁懸浮技術(shù)驗(yàn)證車的專用裝置上成功試用，并在專用模擬圓周軌道上運(yùn)行成功。大連正在建設(shè)目前世界最先進(jìn)的三公里永磁懸浮試驗(yàn)線，運(yùn)行槽軌磁懸浮列車，最高速度可達(dá)每小時(shí)320公里

永磁懸浮技術(shù)裝備的列車具有六個(gè)領(lǐng)先優(yōu)勢一是節(jié)能、環(huán)保，懸浮耗能少，列車在運(yùn)行過程中噪音低:二是超強(qiáng)的運(yùn)載能力，運(yùn)輸能力相當(dāng)于現(xiàn)行火車，三是安全，由于永磁懸浮采用車路一體化結(jié)構(gòu)與控制設(shè)計(jì)，杜絕發(fā)生追尾、撞車脫軌和翻車可能;四是路車綜合造價(jià)最低，綜合造價(jià)遠(yuǎn)低于國外;五是運(yùn)行成本最低，國外磁懸浮運(yùn)行成本略低于飛機(jī)，而永磁懸浮運(yùn)行成本低于現(xiàn)行火車。

直線電機(jī)怎么選

1直線電機(jī)分幾種？

從本質(zhì)上分，直線電機(jī)分為有鐵芯直線電機(jī)和無鐵芯直線電機(jī)。

有鐵芯直線電機(jī)：定子上磁鋼固定在底部基座上，上部是由鐵芯和銅線組成的動子。在有鐵芯切割磁感線和定子磁鋼的雙重作用下，推力及轉(zhuǎn)動慣量偏大，速度和加速度較低。適用于低速、重載、高推力情況下使用。

無鐵芯直線電機(jī)：又稱U型槽電機(jī)，由定子高密度磁鋼，和定子內(nèi)線圈組成，其磁鋼排列均勻，磁通量大，沒有鐵損、響應(yīng)快、速度高、加速度高。適用于軸承摩擦力小、對較輕負(fù)載具有高加速度，以及在超低速條件下依然可以確保最高恒速的應(yīng)用。

2有鐵芯/無鐵芯直線電機(jī)應(yīng)用行業(yè)？

有鐵芯直線電機(jī)：電子半導(dǎo)體、光伏片及鋰電池、精密車床加工、工業(yè)印刷機(jī)、激光加工等。

無鐵芯直線電機(jī)：玻璃及液晶面板、生物醫(yī)療設(shè)備、晶圓搬運(yùn)及檢測，高速度高精定位、軌道跟隨或速度控制苛刻的各類檢測需求。

3直線電機(jī)質(zhì)量怎么判定？

定子磁鋼動子

定子的平面度和粗糙度；

定子平面度是平臺的基石，平面度直接影響平臺的絕對定位精度，以及運(yùn)動加速度曲線的平滑度，定子越平整，表面越光滑，電機(jī)性能越好。

單個(gè)磁鋼寬度與磁鋼顏色以及所有磁鋼水平度是否一致；

單個(gè)磁鋼寬度越窄，電機(jī)性能越好，越窄磁鋼覆蓋越密集，重疊磁場強(qiáng)度越均勻，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性就越強(qiáng)。磁鋼顏色影響磁鋼本身的材質(zhì)，磁鋼顏色越銀亮，色澤越飽滿，電機(jī)性能越好。

動子厚度；

動子越薄，其內(nèi)部線圈的排列越均勻，電機(jī)運(yùn)行時(shí)越穩(wěn)定，電機(jī)性能越好。

鐵芯直線電機(jī)，工業(yè)機(jī)械自動化首選！

直線電機(jī)選型推力計(jì)算

方式Way

1、看直線電機(jī)的推力（包含持續(xù)推力和峰值推力）；

2、看直線電機(jī)的最大速度。

這兩者要同時(shí)滿足。其中最大速度可以通過提高供電電壓來適當(dāng)提升。而直線電機(jī)的推力作為直線電機(jī)的最重要參數(shù)之一，我們一般會清晰直觀地標(biāo)注在電機(jī)的性能參數(shù)表上。

那如何來計(jì)算我們的應(yīng)用中需要多大的推力呢？

今天線馬科技和大家

分享一下直線電機(jī)選型中的推力計(jì)算。

最大推力的計(jì)算Calculationofmaximumthrust

直線電機(jī)的峰值推力要滿足最大推力要求。

最大推力一般是在加速過程中需要用到的推力，由移動物體的質(zhì)量（包括直線電機(jī)的動子質(zhì)量）和最大加速度決定。

最大推力計(jì)算方式如下：

Fmax=Fa=m總×amax＋f摩擦力+f其他外部力

Fmax：最大推力

m總：移動物總質(zhì)量

amax：最大加速度

f摩擦力：運(yùn)動時(shí)的摩擦力

f其他外部力：其他外部力，如拖鏈阻力等

有時(shí)我們不能明確具體的速度加速度大小是多少，但是我們可以根據(jù)時(shí)間節(jié)拍（即多長時(shí)間需要走完多少行程）來規(guī)劃預(yù)設(shè)速度和加速度。

長行程時(shí)，通過梯形V-T模式。短行程時(shí)，通過三角形V-T模式。一般是預(yù)設(shè)相同的加減速大小。

通過預(yù)設(shè)出加減速大小，可以按照如上最大推力計(jì)算方式算出加減速時(shí)的推力。

持續(xù)推力的計(jì)算Calculationofsustainedthrust

直線電機(jī)的持續(xù)推力要滿足該持續(xù)推力。

直線電機(jī)在維持勻速運(yùn)動狀態(tài)和上使能后的靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，需要克服摩擦力和和外部力做功。計(jì)算持續(xù)推力時(shí)需要加入此過程。

持續(xù)推力計(jì)算方式：

Fa：加速時(shí)推力Ta：加速時(shí)間

Fc：勻速推力Tc：勻速時(shí)間

Fd：減速推力Td：減速時(shí)間

Fw：靜止時(shí)推力Tw：靜止時(shí)間

注意Note

為了更加安全起見，以上推力計(jì)算完成之后，需要設(shè)定一個(gè)安全系數(shù)。一般是1.3，即最終推力為計(jì)算推力*1.3。

計(jì)算案例展示Calculationcasepresentation

現(xiàn)在，我們以一個(gè)平躺安裝的直線電機(jī)為例。

要求如下：

總共25kg的負(fù)載，2m的行程，需要在1.2s走完，重復(fù)的折返走。在兩端的停留時(shí)間都是1s。

首先，預(yù)設(shè)一個(gè)V/T曲線，如下。加速度和最大速度分配不同，加速推力也會有差異。以下分配已是較優(yōu)分配。

加速度為0.64g，速度為2.5m/s。

然后，根據(jù)如上數(shù)值計(jì)算。

最大推力：Fmax=Fa=m總×amax＋f摩擦力+f其他外部力，為計(jì)算方便，所計(jì)算出推力數(shù)值都取整數(shù)。

m總×amax=(25+1.2)*0.64*9.8=164N

其中：1.2為動子本體重量；9.8為重力加速度數(shù)值。

f摩擦力=（（25+1.2）*9.8+0.89*1000）*0.02=23N

其中：0.89為動定子間的吸引力，單位為KN；0.02為摩擦系數(shù)，該值可根據(jù)實(shí)際裝配情況做調(diào)整，一般為0.01-0.02。

f外部力=20N

該值為一些其他阻力，比如拖鏈阻力等，可根據(jù)實(shí)際情況做調(diào)整。

以上可得：Fmax=Fa=164+23+20=207N

加速時(shí)間：Ta=0.4s

同理可得，減速推力Fd=m總×amax-f摩擦力-f外部力=164-23-20=121N

減速時(shí)間：Td=0.4s

勻速推力：Fc=f摩擦力+F外部力=43N

勻速時(shí)間：Tc=0.4s

靜止時(shí)推力:Fw=0N

靜止時(shí)間：Tw=1s

代入公式可得持續(xù)推力：

最后，算上安全系數(shù)1.3后：

峰值推力：Fmax=207*1.3=269N

持續(xù)推力:RMSForce=104*1.3=135N

為方便計(jì)算，也可使用計(jì)算工具進(jìn)行計(jì)算。

由以上計(jì)算推力推薦可選線馬科技電機(jī):MIC98-070-S1

再將所選電機(jī)的動子重量和吸引力代入計(jì)算公式中進(jìn)行驗(yàn)證，看計(jì)算推力是否超出電機(jī)的推力，這便是最后的計(jì)算步驟了。在直線電機(jī)領(lǐng)域，線馬科技的直線電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度的直線運(yùn)動，具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。