直线电机的工作原理

在各种工程技术中需要直线运动时，往往是用旋转电机和滚珠丝杆来获得。

但这种传动形式往往会带来结构复杂，重量重，体积大，啮合精度差且工作不可靠等缺点，采用直线电机则无这些缺点。

直线电机源自于劳伦兹法则(Lorentz)，即利用电流(I)与磁场(B)的相互作用而产生推力(F)， 加上本身磁铁排列与多动子的运用，可实现行程不受限制与单轴多动子的独立运动，藉由搭配精密伺服回馈可轻易实现奈米定位精度的控制。

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。

它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。

由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。

在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。

直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。

直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。

以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。

如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动，此称为动次级;反之，则初级做直线运动，称为动初级。

直线电机的驱动控制技术一个直线电机应用 系统不仅要有性能良好的直线电机，还必须具有能在安全可靠的条件下实现技术与经济要求的控制系统。

直线电机常用技术用语

直线电机的分类

直线电机按照结构型式分为平板式和管式。

（1）平板式直线电机

平板型电机可以看作是由普通的旋转异步电动机直接演变而来的。

图1表示一台旋转的感应电动机，设想将它沿径向剖开，并将定、转子圆周展成直线，如图2，这就得到了最简单的平板型直线感应电机。

在旋转电机中转子是绕轴做旋转运动的，见绿色箭头线；在直线电机中动子是做直线移动的，见绿色箭头线。

初级与次级长度相同是不能正常运行的，实际平板型直线感应电动机初级长度和滑子长度并不相等，在图3上图是短初级长次级结构；图3下图是长初级短次级结构。

单边平板型

为了抵消定子磁场对动子的单边磁吸力，平板型直线感应电动机通常采用双边结构，即用两个定子将动子夹在中间的结构型式。

双边平板型

根据动初级直线电动机的初级采用有无铁芯结构，直线电机分有铁芯和无铁芯直线电机。

无铁芯的是指定子只有胶膜塑封好了的铜线圈，转子用永磁铁。

有铁芯的是指定子和转子都有铁芯或者其中一个有铁芯。

有铁芯直线电机推力大适用于点对点定位作业，无铁芯运动平滑适用于轨迹作业，它们的应用场合不一样，价格方面来讲有铁芯直线电机相对来讲比较实惠。

圆筒型直线电机

圆筒型直线电机也称为管型直线电机，把平板型直线电动机沿着直线运动相垂直的的方向卷成筒形，就形成了圆筒型直线电动机，见图4。

直线感应电动机的动子一般是低碳钢板敷铜板或镶铜条，也可以用导电良好的金属板（铜板或铝板）；圆筒型直线电机动子多采用厚壁钢管，在管外壁覆盖1至mm厚的铜管或铝管。

直线电机和传统的旋转电机+滚珠丝杠运动系统的比较

在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为“零传动”。

正是由于这种“零传动”方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。

1.高速响应由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠等），使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。

2. 精度直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。

3. 动刚度高由于“直接驱动”，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。

4. 速度快、加减速过程短由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车（时速可达500Km/h），所以用在机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进个速度（要求达60～100M/min或更高）当然是没有问题的。

也由于上述“零传动”的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。

以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。

可获得较高的加速度，一般可达2～10g（g=9.8m/s2），而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1～0.5g。

5. 行程长度不受限制在导轨上通过串联直线电动机，就可以无限延长其行程长度。

6. 运动动安静、噪音低由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。

7. 效率高由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高。

直线电机的缺点

1. 效率和功率因数较低

管型直线电机的效率和功率因数比同容量的旋转电机要低，特别在低速时。

这是由以下原因引起的：它的电磁气隙与极距的比值通常较大，所需的磁化电流也较大，使损耗增加；初级铁芯两端开断，产生纵向边缘效应，从而引起波形畸变等问题，其结果也导致损耗增加。

2. 起动推力易受到电压波动的影响

在低速高滑差情况下，往往要求有比较恒定的起动推力，但当电源电压有波动时，起动推力变化很大，因此需要电源电压比较稳定。

3. 运行速度范围受到电机极距的限制

当电源频率一定时，电机的运行速度在很大程度上取决于电机的极距，一般极距不能太大，也不能太小，所以它的速度也被限制在某一合适的范围内。

在要求低速的传动系统中，就往往需要增加变频设备。

4. 馈电比较复杂

对于动初级的直线电机，在速度较高或行程较长时，馈电比较复杂。

5. 散热较困难

管型直线电机的散热条件要比扁平型直线电机差，这就限制了电机所允许的电参数，从而限制了电机的推力，因而圆筒型直线电机不适合大功率电机。

直线电机技术在各个领域的应用

1.直线电机技术在物流输送系统中的应用

我国目前邮政系统的邮包、印刷品的物流分拣、输送线绝大部分通过旋转电机采用链传动或连杆等方式。

国外一些发达国家则逐步采用了直线电机驱动的,由计算机控制的新型邮政物流分拣输送系统。

与传统的链传动或连杆方式相比,直线电机驱动的物流系统具有高效、低噪、安全可靠、维护方便等优点而获得应用者青睐。

在一些新颖的立体化仓库的搬运系统和新型的自动化车库,也开始采用了直线电机,其中采用直线电机的自动化车库是在库地上安装一系列纵向和横向的直线电机初级, 而载车板为次级。

通过计算机, 利用直线电机初次级作用移动汽车进或出。效率和利用率都很高。

2. 直线电机技术在工业设备中的应用

直线电机在工业设备中的应用,主要在机床业方面比较突出,近几年,国际上对数控机床采用直线电机显得特别热,究其原因是,传统机床的驱动装置依赖丝杆驱动,丝杆驱动本身具有一系列不利因素。

3. 直线电机技术在信息与自动化方面的应用

直线电机在信息设备方面的应用主要在计算机设备以及它的输入输出设备方面,在计算机主机上,在硬盘装置方面,直线伺服电动机首先在IBM2314 主光驱上使用,后来又在IBM333 上采用。

日本松下公司则将直线伺服电动机用于驱动数字扫描仪,使扫描仪总重减轻,启动推力提高,图象波动减少,扫描速度提高近5倍。

至于国内外现有高精度的平面绘图仪,几乎均采用了平面直线步进电动机, 它实现了绘图机的高速、高精度、高可靠性及耐久性。

这种绘图机,中科院电工所和上海21所早在20世纪80年代就已试制成功。

直线电机在自动化设备方面的应用有如新型的笔式记录仪、自动绕线机、照相机电磁快门、条形码自动读出器等。

4. 直线电机技术在交通与民用方面的应用

磁悬浮列车改变了传统轨道车辆靠轮轨摩擦力推进的方式,采用磁力悬浮车体、直线电机驱动技术,使列车在轨道上浮起滑行,在交通技术发展史上是一个重大的突破,被誉为21世纪一种理想的交通工具。

磁浮车与现有常规车相比,主要优点是:速度快(500km/h);安全,无翻车;无噪声振动;占地小;爬坡强;结构简单;节能。

在交通应用方面,直线电机还被应用于驱动地铁车、驱动高速公路车等。

5. 直线电机技术在军事及其它方面的应用

直线电机在军事上也得到了一些应用,如前面所述的直线电机驱动的潜艇,还有直线电机驱动的电磁炮。

此外在一些军事设施上,如*用军**靶场、*用军**仿真系统、*用军**战斗*器武**如导弹的发射等等。

此外, 直线电机还可用于天文观测系统中驱动摆镜和反观镜;直线电机驱动人工心脏;直线电机驱动的盲人触觉摸拟器; 直线电机在医院设备、电动工具、玩具以及建筑用打桩机等方面得到应用。