*，裝備制造業(yè)，屬國中之重，然而，在裝備制造業(yè)中，除了數(shù)控機(jī)床外，很少有人知道直線電機(jī)是怎么一回事， 有人說，在未來10年，甚至在更短的時間內(nèi)，直線電機(jī)直接驅(qū)動將取代傳統(tǒng)的機(jī)床結(jié)構(gòu)。

 

        關(guān)于直線電機(jī)，目前有美國、德國、日本等有幾家生產(chǎn)研制企業(yè)，而我國僅有一家專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)。直線電機(jī)是20世紀(jì)末期，隨著電子技術(shù)突飛猛進(jìn)發(fā)展出現(xiàn)的新型驅(qū)動元件，從原理上說被稱為“直接傳動”或“無間隙傳動”。

 

        直線電機(jī)的歷史可以回溯到上世紀(jì)的1831年8月29日，當(dāng)時的英國電學(xué)之父法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，后來，這種電磁感應(yīng)成為目前各類電機(jī)和發(fā)電機(jī)工作的基礎(chǔ)原理，直線電機(jī)也就是利用了這一基本原理。

 

        然而，直線電機(jī)并沒有像其他旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，一經(jīng)發(fā)明就被工業(yè)界接受并得到廣泛應(yīng)用。而*臺得到商業(yè)應(yīng)用直線感應(yīng)電機(jī)，是由英國的電學(xué)工程師Eric Laithwaite教授在上世紀(jì)70年代發(fā)明的，而它僅僅被用于驅(qū)動高速織布機(jī)中的梭子。

 

        近年來，由于直線電機(jī)直接驅(qū)動技術(shù)的顯著優(yōu)點，才走上了精密運(yùn)動控制領(lǐng)域：如集成電路制造、硅片加工、精密和超精密加工、航空航天及軍事裝備制造與控制等。

 

        2007年10月12日，第九屆中國*成果交易會在深圳市會展中心舉行。此次展會盛況，共有國內(nèi)外的3000多家企業(yè)、26所名高校參加。重點展出了直線電機(jī)倒立擺、直線電機(jī)驅(qū)動與控制教學(xué)平臺及*的硬件在回路實時仿真系統(tǒng)等產(chǎn)品。

 

        揭開平板直線電機(jī)的神秘面紗

 

        直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的原理相同，概念上可以將旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿其徑向展開并根據(jù)運(yùn)動要求加長，即成為直線電機(jī)。其中定子相當(dāng)于直線電機(jī)的初級，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線電機(jī)的次級。當(dāng)在初級中通入三相正弦電流后，在次級之間的氣隙中就會產(chǎn)生磁場，由于這個磁場是平移的，不是旋轉(zhuǎn)的，故稱為行波磁場，在行波磁場與次級的作用下，產(chǎn)生電磁推力，從而使次級產(chǎn)生直線運(yùn)動。這種直線運(yùn)動可以直接帶動工作臺，結(jié)構(gòu)簡單、傳動環(huán)節(jié)少、不需要傳統(tǒng)的由旋轉(zhuǎn)電機(jī)經(jīng)絲杠來轉(zhuǎn)換，沒有傳動間隙（包括反向間隙），因此精度較高，被稱為“直接傳動”、“無間隙傳動”或“零傳動”，而且具有高速高加速的特點，行程不受限制。

 

        然而，直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同的是，直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)多種多樣，但仍可分為有鐵芯和無鐵芯兩大類。具體結(jié)構(gòu)則可以分為平板型、“U”型和圓筒型。除“U”型外，其他兩種都可以做成有鐵芯和無鐵芯結(jié)構(gòu)。

 

        平板型直線電機(jī)有三種設(shè)計類型：無槽無鐵心，無槽有鐵心和有槽有鐵心，這三種結(jié)構(gòu)定子形狀是相同的，僅僅是動子結(jié)構(gòu)有些變化。

 

        無槽無鐵心平板型直線電機(jī)是將動子線圈安裝在鋁制基座或非導(dǎo)磁材料上，因為動子里無鐵心故與電機(jī)電子磁體之間沒有吸引力。結(jié)構(gòu)設(shè)計與安裝都比較簡單，這種設(shè)計漏磁較大，輸出力??；但其優(yōu)點是動子安裝方便，運(yùn)動平穩(wěn)。

 

        無槽有鐵心平板型直線電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與無槽無鐵心的直線電機(jī)類似，但線圈是安裝在硅鋼片疊成的鐵心上，然后固定在鋁制基座上。硅鋼片疊成的鐵心用來引導(dǎo)磁場和增加輸出力。因為動子里有硅鋼片疊成的鐵心，故動子和磁體之間會出現(xiàn)吸引力，并且該吸引力正比于電機(jī)產(chǎn)生的力。這種電機(jī)能比上述無鐵心的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的推力，但運(yùn)動時有擾動力，穩(wěn)定性差。

 

        有槽有鐵心平板型直線電機(jī)，是將上面無槽結(jié)構(gòu)的鐵芯平板改造為有槽結(jié)構(gòu)，并將線圈繞組嵌入到槽中，便形成有槽有鐵心平板型直線電機(jī)結(jié)構(gòu)。有槽結(jié)構(gòu)，使磁力線更為集中，可以極大提高電機(jī)推力；但同時，在鐵心和磁軌之間有強(qiáng)大的吸引力，然而這些力同時會加劇導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的磨損。由于有邊緣效應(yīng)，這種結(jié)構(gòu)仍然有內(nèi)在擾動力，運(yùn)行穩(wěn)定性不好，需要通過斜放磁體或控制方法解決。

 

        由于直線電機(jī)是直接把電能轉(zhuǎn)化為直線的機(jī)械運(yùn)動，并直接與負(fù)載相連，故具備高速高加速等特性。今天直線電機(jī)在實際運(yùn)行中可以達(dá)到5m/s的速度和5g的高加速度。理論上電機(jī)能達(dá)到20g的加速度和40m/s的速度，但其他機(jī)械結(jié)構(gòu)如導(dǎo)軌和拖鏈等限制了電機(jī)特性的發(fā)揮。具體的優(yōu)點有：

 

        在速度方面，直線電機(jī)的zui大速度只受驅(qū)動電壓和控制器的限制。通常直線電機(jī)的速度在1微米的分辨率下是3m/s，分辨率為10微米時能達(dá)到5 m/s以上的速度。

 

        直線電機(jī)驅(qū)動的精度、分辨率和重復(fù)精度取決于反饋裝置。在直線反饋裝置的精度很寬的范圍下，分辨率和精度主要受控制系統(tǒng)的帶寬限制。它的優(yōu)點一是在高頻響上：直線電機(jī)驅(qū)動的頻響特性是傳統(tǒng)的通過機(jī)械傳動裝置獲得直線運(yùn)動的100倍，因此具備更快的加速度，從而在工業(yè)運(yùn)用中提高生產(chǎn)能力。二是剛度好：因為沒有機(jī)械傳動裝置，剛度的增加是可以通過調(diào)節(jié)驅(qū)動器增益和電流來增加，它比滾珠絲杠驅(qū)動的裝置好得多。當(dāng)然它受電機(jī)的峰值推力、驅(qū)動器zui大電流和反饋裝置的分辨率限制。三是零間隙：通過導(dǎo)軌支撐直接實現(xiàn)直線運(yùn)動，中間沒有其他機(jī)械傳動部件，故沒有間隙。而目前廣泛使用的滾珠絲杠等直線運(yùn)動結(jié)構(gòu)，都有不能解決的間隙問題。四是維護(hù)簡單：因為直線電機(jī)的初級和次級沒有接觸部分，故沒有磨損。

 

        隨著微電子、電力電子技術(shù)、永磁材料技術(shù)和驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)技術(shù)正逐步走向完善，并逐步被市場接受。國外電機(jī)（氣）公司相繼推出自己的直線電機(jī)產(chǎn)品，年銷量已超過30萬臺。主要應(yīng)用領(lǐng)域為：列車驅(qū)動、物料運(yùn)送、數(shù)控機(jī)床、食品和輕工機(jī)械、自動繪圖儀、液壓金屬泵、空氣壓縮機(jī)、電磁炮、家用電器以及半導(dǎo)體器件加工設(shè)備、噴繪機(jī)械等。它所具有的優(yōu)勢，越來越引起人們的重視，不久的將來，它將像微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)一樣，在人類的各個領(lǐng)域中得到廣泛的利用。

 

        在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動機(jī)直接驅(qū)動后取消了從電機(jī)到工作臺（拖板）之間的中間機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，因此是直接驅(qū)動，無間隙。直線電機(jī)直接驅(qū)動將是今后高速數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的基本傳動方式。

 

        磁懸浮列車結(jié)合了磁懸浮和直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)，列車和軌道之間無接觸、無機(jī)械磨損，直線電機(jī)直接驅(qū)動可使列車高速運(yùn)行。它具有速度高、運(yùn)量大、對環(huán)境影響（噪聲、振動等）小、能耗低、維護(hù)方便、運(yùn)行安全平穩(wěn)、無脫軌危險和很強(qiáng)的爬坡能力等一系列優(yōu)點。目前，世界上許多工業(yè)發(fā)達(dá)的國家為占領(lǐng)該技術(shù)的制高點，爭奪未來市場，分別投入了巨大的人力和物力。

        直線電機(jī)的高速特性可為各種物料輸送行業(yè)所利用。直線電機(jī)驅(qū)動可用于郵政分揀輸送線，行李分揀輸送線，鋼材生產(chǎn)輸送線，電氣、電子、機(jī)械加工生產(chǎn)線，食品加工線、制藥生產(chǎn)線，各種物料輸送及立體倉庫的調(diào)度等。直線電機(jī)亦可用于電梯、升降機(jī)等。

 

        直線電機(jī)可用于驅(qū)動各類門、窗，還有用直線電機(jī)驅(qū)動的洗衣機(jī)、干燥機(jī)、晾衣架、家用電動工具等。

 

        在計算機(jī)外設(shè)方面，主要是需要直線運(yùn)動的打印機(jī)、噴繪機(jī)、CD機(jī)和光驅(qū)等，同樣具有磨損小、快速和壽命長的特點。

 

        在軍事應(yīng)用方面，主要是把直線電機(jī)用于電磁炮、飛機(jī)彈射系統(tǒng)及仿真設(shè)施。例如，利用直線電機(jī)產(chǎn)生的巨大速度和加速度，模擬戰(zhàn)斗機(jī)飛行員逃生時坐椅的彈射系統(tǒng)。直線電機(jī)也可用于衛(wèi)星中的調(diào)節(jié)執(zhí)行器。

 

        在醫(yī)療儀器方面，直線電機(jī)目前用于醫(yī)療儀器中的直線運(yùn)動驅(qū)動，如CT機(jī)、X光掃描儀器等，也可用于驅(qū)動的人工心臟。