直線電機(jī)的原理及特點(diǎn)

2025-03-22

一、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(dòng)機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。它可以看成是一臺(tái)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(jiǎn)單描述為旋轉(zhuǎn)電機(jī)被展平，而工作原理相同。

動(dòng)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(dòng)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(dòng)子和定子需要旋轉(zhuǎn)軸承支撐動(dòng)子以保證相對(duì)運(yùn)動(dòng)部分的氣隙（air gap）。同樣的，直線電機(jī)需要直線導(dǎo)軌來保持動(dòng)子在磁軌產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(cè)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(dòng)子和定子無機(jī)械連接（無刷），不像旋轉(zhuǎn)電機(jī)的方面，動(dòng)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(dòng)或推力線圈動(dòng)（大部分定位系統(tǒng)應(yīng)用是磁軌固定，推力線圈動(dòng)）。用推力線圈運(yùn)動(dòng)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(dòng)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。

二、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(dòng)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(duì)許多應(yīng)用，如遇到大負(fù)載而且驅(qū)動(dòng)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(shì)，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(dòng)只需電機(jī)無需齒輪，聯(lián)軸器或滑輪，對(duì)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(jiǎn)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(dòng)，使結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，運(yùn)動(dòng)慣量減少，動(dòng)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(jiǎn)便。它的初次級(jí)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(shì)進(jìn)一步體現(xiàn)出來。

（2）適合高速直線運(yùn)動(dòng)。

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(jí)間用氣墊或磁墊保存間隙，運(yùn)動(dòng)時(shí)無機(jī)械接觸，因而運(yùn)動(dòng)部分也就無摩擦和噪聲。這樣，傳動(dòng)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(jí)繞組利用率高。

在管型直線感應(yīng)電機(jī)中，初級(jí)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(chǎng)的削弱，而圓筒型直線電機(jī)橫向無開斷，所以磁場(chǎng)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(jí)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(chǎng)合。

（7）適應(yīng)性強(qiáng)。

直線電機(jī)的初級(jí)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(dòng)，相比其他絲杠、同步帶和齒輪齒條驅(qū)動(dòng)的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。