直线电动机

基本内容

    直线电动机（linear motor）

    直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的电力传动装置。它可以省去大量中间传动机构，加快系统反映速度，提高系统度，所以得到广泛的应用。直线电动机的种类按结构形式可分为；单边扁平型、双边扁平型、圆盘型、圆筒型（或称为管型）等；按工作原理可分为：直流、异步、同步和步进等。下面仅对结构简单，使用方便，运行可靠的直线异步电动机做简要介绍。

    直线异步电动机的结构主要包括定子、动子和直线运动的支撑轮三部分。为了保证在行程范围内定子和动子之间具有良好的电磁场耦合，定子和动子的铁心长度不等。定子可制成短定子和长定子两种形式。由于长定子结构成本高、运行费用高，所以很少采用。直线电动机与旋转磁场一样，定子铁心也是由硅钢片叠成，表面开有齿槽；槽中嵌有三相、两相或单相绕组；单相直线异步电动机可制成罩极式，也可通过电容移相。直线异步电动机的动子有三种形式：

    (1)磁性动子 动子是由导磁材料制成（钢板），既起磁路作用，又作为笼型动子起导电作用。

    (2)非磁性动子 ，动子是由非磁性材料（铜）制成，主要起导电作用，这种形式电动机的气隙较大，励磁电流及损耗大。

    (3)动子导磁材料表面覆盖一层导电材料，导磁材料只作为磁路导磁作用；覆盖导电材料作笼型绕组。

    因磁性动子的直线异步电动机结构简单，动子不仅作为导磁、导电体，甚至可以作为结构部件，其应用前景广阔。

    直线异步电动机的工作原理和旋转式异步电动机一样，定子绕组与交流电源相连接，通以多相交流电流后，则在气隙中产生一个平稳的行波磁场（当旋转磁场半径很大时，就成了直线运动的行波磁场）。该磁场沿气隙作直线运动，同时，在动子导体中感应出电动势，并产生电流，这个电流与行波磁场相互作用产生异步推动力，使动子沿行波方向作直线运动。若把直线异步电动机定子绕组中电源相序改变一下，则行波磁场移动方向也会反过来，根据这一原理，可使直线异步电动机作往复直线运动。

    直线异步电动机主要用于功率较大场合的直线运动机构，如门自动开闭装置，起吊、传递和升降的机械设备，驱动车辆，尤其是用于高速和超速运输等。由于牵引力或推动力可直接产生，不需要中间连动部分，没有摩擦，无噪声，无转子发热，不受离心力影响等问题。因此，其应用将越来越广。直线同步电动机由于性能，应用场合与直线异步电动机相同，有取代趋势。直线步进电动机应用于数控绘图仪、记录仪、数控制图机、数控裁剪机、磁盘存储器、精密定位机构等设备中。

工作原理

    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；反之，则初级做直线运动。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。随着自动控制技术与微计算机技术的发展，直线电机的控制方法越来越多。

    对直线电机控制技术的研究基本上可以分为三个方面：一是传统控制技术，二是现代控制技术，三是智能控制技术。传统的控制技术如PID反馈控制、解耦控制等在交流伺服系统中得到了广泛的应用。其中PID控制蕴涵动态控制过程中的过去、现在和未来的信息，而且配置几乎为优，具有较强的鲁棒性，是交流伺服电机驱动系统中基本的控制方式。为了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技术。在对象模型确定、不变化且是线性的以及操作条件、运行环境是确定不变的条件下，采用传统控制技术是简单有效的。但是在高精度微进给的高性能场合，就必须考虑对象结构与参数的变化。各种非线性的影响，运行环境的改变及环境干扰等时变和不确定因数，才能得到满意的控制效果。因此，现代控制技术在直线伺服电机控制的研究中引起了很大的重视。常用控制方法有：自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制及智能控制。近年来模糊逻辑控制、神经网络控制等智能控制方法也被引入直线电动机驱动系统的控制中。目前主要是将模糊逻辑、神经网络与PID、H∞控制等现有的成熟的控制方法相结合，取长补短，以获得更好的控制性能。