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江蘇邱成機電有限公司

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直線電機經常簡單描述為旋轉電機被展平，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。電機的動子包括線圈繞組，霍爾元件電路板，電熱調節(jié)器（溫度傳感器監(jiān)控溫度）和電子接口。在旋轉電機中，動子和定子需要旋轉軸承支撐動子以保證相對運動部分的氣隙（air gap）。同樣的，直線電機需要直線導軌來保持動子在磁軌產生的磁場中的位置。和旋轉伺服電機的編碼器安裝在軸上反饋位置一樣，直線電機需要反饋直線位置的反饋裝置--直線編碼器，它可以直接測量負載的位置從而提高負載的位置精度。

直線電機的控制和旋轉電機一樣。像無刷旋轉電機，動子和定子無機械連接（無刷），不像旋轉電機的方面，動子旋轉和定子位置保持固定，直線電機系統(tǒng)可以是磁軌動或推力線圈動（大部分定位系統(tǒng)應用是磁軌固定，推力線圈動）。用推力線圈運動的電機，推力線圈的重量和負載比很小。然而，需要高柔性線纜及其管理系統(tǒng)。用磁軌運動的電機，不僅要承受負載，還要承受磁軌質量，但無需線纜管理系統(tǒng)。

相似的機電原理用在直線和旋轉電機上。相同的電磁力在旋轉電機上產生力矩在直線電機產生直線推力作用。因此，直線電機使用和旋轉電機相同的控制和可編程配置。直線電機的形狀可以是平板式和U 型槽式，和管式.哪種構造適合要看實際應用的規(guī)格要求和工作環(huán)境。

原理編輯 語音

由定子演變而來的一側稱為初級，由轉子演變而來的一側稱為次級。在實際應用時，將初級和次級制造成不同的長度，以保證在所需行程范圍內初級與次級之間的耦合保持不變。直線電機可以是短初級長次級，也可以是長初級短次級。考慮到制造成本、運行費用，以直線感應電動機為例：當初級繞組通入交流電源時，便在氣隙中產生行波磁場，次級在行波磁場切割下，將感應出電動勢并產生電流，該電流與氣隙中的磁場相作用就產生電磁推力。如果初級固定，則次級在推力作用下做直線運動；反之，則初級做直線運動。直線電機的驅動控制技術一個直線電機應用系統(tǒng)不僅要有性能良好的直線電機，還必須具有能在安全可靠的條件下實現技術與經濟要求的控制系統(tǒng)。隨著自動控制技術與微計算機技術的發(fā)展，直線電機的控制方法越來越多。

對直線電機控制技術的研究基本上可以分為三個方面：一是傳統(tǒng)控制技術，二是現代控制技術，三是智能控制技術。傳統(tǒng)的控制技術如PID反饋控制、解耦控制等在交流伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。其中PID控制蘊涵動態(tài)控制過程中的信息，具有較強的魯棒性，是交流伺服電機驅動系統(tǒng)中最基本的控制方式。為了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技術。在對象模型確定、不變化且是線性的以及操作條件、運行環(huán)境是確定不變的條件下，采用傳統(tǒng)控制技術是簡單有效的。但是在高精度微進給的高性能場合，就必須考慮對象結構與參數的變化。各種非線性的影響，運行環(huán)境的改變及環(huán)境干擾等時變和不確定因素，才能得到滿意的控制效果。因此，現代控制技術在直線伺服電機控制的研究中引起了很大的重視。常用控制方法有：自適應控制、滑模變結構控制、魯棒控制及智能控制。主要是將模糊邏輯、神經網絡與PID、H∞控制等現有的成熟的控制方法相結合，取長補短，以獲得更好的控制性能。

應用編輯 語音

直線電機可以認為是旋轉電機在結構方面的一種變形，它可以看作是一臺旋轉電機沿其徑向剖開，然后拉平演變而成。隨著自動控制技術和微型計算機的高速發(fā)展，對各類自動控制系統(tǒng)的定位精度提出了更高的要求，在這種情況下，傳統(tǒng)的旋轉電機再加上一套變換機構組成的直線運動驅動裝置，已經遠不能滿足現代控制系統(tǒng)的要求，為此，世界許多國家都在研究、發(fā)展和應用直線電機，使得直線電機的應用領域越來越廣。

直線電機與旋轉電機相比，主要有如下幾個特點：一是結構簡單，由于直線電機不需要把旋轉運動變成直線運動的附加裝置，因而使得系統(tǒng)本身的結構大為簡化，重量和體積大大地下降；二是定位精度高，在需要直線運動的地方，直線電機可以實現直接傳動，因而可以消除中間環(huán)節(jié)所帶來的各種定位誤差，故定位精度高，如采用微機控制，則還可以大大地提高整個系統(tǒng)的定位精度；三是反應速度快、靈敏度高，隨動性好。直線電機容易做到其動子用磁懸浮支撐，因而使得動子和定子之間始終保持一定的氣隙而不接觸，這就消除了定、動子間的接觸摩擦阻力，因而大大地提高了系統(tǒng)的靈敏度、快速性和隨動性；四是工作安全可靠、壽命長。直線電機可以實現無接觸傳遞力，機械摩擦損耗幾乎為零，所以故障少，免維修，因而工作安全可靠、壽命長。

直線電機主要應用于三個方面：一是應用于自動控制系統(tǒng)，這類應用場合比較多；其次是作為長期連續(xù)運行的驅動電機；三是應用在需要短時間、短距離內提供巨大的直線運動能的裝置中。

高速磁懸浮列車 磁懸浮列車是直線電機實際應用的最典型的例子，美、英、日、法、德、加拿大等國都在研制直線懸浮列車，其中日本進展最快。

直線電機驅動的電梯 一臺使用直線電機驅動的電梯是1990年4月安裝于日本東京都豐島區(qū)萬世大樓，該電梯載重600kg,速度為105m/min,提升高度為22.9m。由于直線電機驅動的電梯沒有曳引機組，因而建筑物頂的機房可省略。如果建筑物的高度增至1000米左右，就必須使用無鋼絲繩電梯，這種電梯采用高溫超導技術的直線電機驅動，線圈裝在井道中，轎廂外裝有高性能永磁材料，就如磁懸浮列車一樣，采用無線電波或光控技術控制。

超高速電動機 在旋轉超過某一極*，采用滾動軸承的電動機就會產生燒結、損壞現象，國外研制了一種直線懸浮電動機（電磁軸承），采用懸浮技術使電機的動子懸浮在空中，消除了動子和定子之間的機械接觸和摩擦阻力，其轉速可達25000～100000r/min以上，因而在高速電動機和高速主軸部件上得到廣泛的應用。如日本安川公司新近研制的多工序自動數控車床用5軸可控式電磁高速主軸采用兩個徑向電磁軸承和一個軸向推力電磁軸承，可在任意方向上承受機床的負載。在軸的中間，除配有高速電動機以外，還配有與多工序自動數控車床相適應的工具自動交換機構。

分類編輯 語音

圓柱形

圓柱形動磁體直線電機動子是圓柱形結構。沿固定著磁場的圓柱體運動。這種電機是最初發(fā)現的商業(yè)應用但是不能使用于要求節(jié)省空間的平板式和U 型槽式直線電機的場合。圓柱形動磁體直線電機的磁路與動磁執(zhí)行器相似。區(qū)別在于線圈可以復制以增加行程。典型的線圈繞組是三相組成的，使用霍爾裝置實現無刷換相。推力線圈是圓柱形的，沿磁棒上下運動。這種結構不適合對磁通泄漏敏感的應用。必須小心操作保證手指不卡在磁棒和有吸引力的側面之間。

管狀直線電機設計的一個潛在的問題出現在，當行程增加，由于電機是*圓柱的而且沿著磁棒上下運動，一的支撐點在兩端。保證磁棒的徑向偏差不至于導致磁體接觸推力線圈的長度總會有限制。

U型槽式

U 型槽式直線電機有兩個介于金屬板之間且都對著線圈動子的平行磁軌。動子由導軌系統(tǒng)支撐在兩磁軌中間。動子是非鋼的，意味著無吸力且在磁軌和推力線圈之間無干擾力產生。非鋼線圈裝配具有慣量小，允許非常高的加速度。線圈一般是三相的，無刷換相?？梢杂每諝饫鋮s法冷卻電機來獲得性能的增強。也有采用水冷方式的。這種設計可以較好地減少磁通泄露因為磁體面對面安裝在U形導槽里。這種設計也最小化了強大的磁力吸引帶來的傷害。

這種設計的磁軌允許組合以增加行程長度，只局限于線纜管理系統(tǒng)可操作的長度，編碼器的長度，和機械構造的大而平的結構的能力。

平板

有三種類型的平板式直線電機（均為無刷）：無槽無鐵芯，無槽有鐵芯和有槽有鐵芯。選擇時需要根據對應用要求的理解。步進電動機和步進電動機驅動器構成步進電機驅動系統(tǒng)。步進電動機驅動系統(tǒng)的性能，不但取決于步進電動機自身的性能，也取決于步進電動機驅動器的優(yōu)劣。對步進電動機驅動器的研究幾乎是與步進電動機的研究同步進行的。

分類編輯 語音

步進電機按結構分類：步進電動機也叫脈沖電機，包括反應式步進電動機（VR）、永磁式步進電動機（PM）、混合式步進電動機（HB）等。

（1）反應式步進電動機：也叫感應式、磁滯式或磁阻式步進電動機。其定子和轉子均由軟磁材料制成，定子上均勻分布的大磁極上裝有多相勵磁繞組，定、轉子周邊均勻分布小齒和槽，通電后利用磁導的變化產生轉矩。一般為三、四、五、六相；可實現大轉矩輸出（消耗功率較大，電流可達20A，驅動電壓較高）；步距角小（最小可做到10’）；斷電時無定位轉矩；電機內阻尼較小，單步運行（指脈沖頻率很低時）震蕩時間較長；啟動和運行頻率較高。

（2）永磁式步進電動機：通常電機轉子由永磁材料制成，軟磁材料制成的定子上有多相勵磁繞組，定、轉子周邊沒有小齒和槽，通電后利用永磁體與定子電流磁場相互作用產生轉矩。一般為兩相或四相；輸出轉矩?。ㄏ墓β瘦^小，電流一般小于2A，驅動電壓12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；斷電時具有一定的保持轉矩；啟動和運行頻率較低。

（3）混合式步進電動機：也叫永磁反應式、永磁感應式步進電動機，混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。其定子和四相反應式步進電動機沒有區(qū)別（但同一相的兩個磁極相對，且兩個磁極上繞組產生的N、S極性必須相同），轉子結構較為復雜（轉子內部為圓柱形永磁鐵，兩端外套軟磁材料，周邊有小齒和槽）。一般為兩相或四相；須供給正負脈沖信號；輸出轉矩較永磁式大（消耗功率相對較?。徊骄嘟禽^永磁式?。ㄒ话銥?.8度）；斷電時無定位轉矩；啟動和運行頻率較高；發(fā)展較快的一種步進電動機。 [1] 

系統(tǒng)控制編輯 語音

圖1 

圖1

步進電動機不能直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅動電源（步進電動機驅動器）?？刂破鳎}沖信號發(fā)生器）可以通過控制脈沖的個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。如圖1所示。

基本原理編輯 語音

步進電機驅動器的原理，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉動。圖2是該四相反應式步進電機工作原理示意圖。

圖2

圖2

四相步進電機步進示意圖 開始時，開關SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉子0、3號齒對齊，同時，轉子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產生錯齒。 當開關SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉子轉動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉子會沿著A、B、C、D方向轉動。

四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉動力矩又可以提高控制精度。

圖3

圖3

單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖3.a、b、c所示。

驅動器相當于開關的組合單元。通過上位機的脈沖信號有順序給電機相序通電使電機轉動。

組成結構編輯 語音

步進電機驅動器主要結構主要有以下部分

環(huán)行分配器

根據輸入信號的要求產生電機在不同狀態(tài)下的開關波形信號處理

對環(huán)行分配器產生的開關信號波形進行PWM調制以及對相關的波形進行濾波整形處理3：推動級：對開關信號的電壓，電流進行放大提升主開關電路

用功率元器件直接控制電機的各相繞組

保護電路

當繞組電流過大時產生關斷信號對主回路進行關斷，以保護電機驅動器和電機繞組

傳感器

對電機的位置和角度進行實時監(jiān)控，傳回信號的產生裝置

驅動方式編輯 語音

圖4

圖4

步進電機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的驅動器，如圖4所示，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅動單元、保護單元等組成。圖4中點劃線所包圍的二個單元可以用微機控制來實現。驅動單元必須與驅動器直接耦合（防電磁干擾），也可理解成微機控制器的功率接口，這里予以簡單介紹。

1.單電壓功率驅動

圖5

圖5

實用單電壓功率驅動接口及單步響應曲線

電路如圖5所示。在電機繞組回路中串有電阻Rs，使電機回路 雙電壓功率驅動接口

時間常數減小，高頻時電機能產生較大的電磁轉矩，還能緩解電機的低頻共振現象，但它引起附加的損耗。一般情況下，簡單單電壓驅動線路中，Rs是*的。Rs步進電機單步響應的改善如圖5(b)。

2.雙電壓功率驅動

雙電壓驅動的功率接口如圖5所示。雙電壓驅動的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓UL驅動，而在高速（高頻段）時用較高的電壓UH驅動。這種功率接口需要兩個控制信號，Uh為高壓有效控制信號，U為脈沖調寬驅動控制信號。圖5中，功率管TH和二極管DL構成電源轉換電路。當Uh低電平，TH關斷，DL正偏置，低電壓UL對繞組供電。反之Uh高電平，TH導通，DL反偏，高電壓UH對繞組供電。這種電路可使電機在高頻段也有較大出力，而靜止鎖定時功耗減小。

3.高低壓功率驅動

高低壓功率驅動接口如圖6所示。高低壓驅動的設計思想是，不論電機 高低壓功率驅動接口

無槽無鐵芯平板電機是一系列coils安裝在一個鋁板上。由于FOCER 沒有鐵芯，電機沒有吸力和接頭效應（與U形槽電機同）。該設計在一定某些應用中有助于延長軸承壽命。動子可以從上面或側面安裝以適合大多數應用。這種電機對要求控制速度平穩(wěn)的應用是理想的。如掃描應用，但是平板磁軌設計產生的推力輸出低。通常，平板磁軌具有高的磁通泄露。所以需要謹慎操作以防操作者受他們之間和其他被吸材料之間的磁力吸引而受到傷害。

無槽有鐵芯：無槽有鐵芯平板電機結構上和無槽無鐵芯電機相似。除了鐵芯安裝在鋼疊片結構然后再安裝到鋁背板上，鐵疊片結構用在指引磁場和增加推力。磁軌和動子之間產生的吸力和電機產生的推力成正比，疊片結構導致接頭力產生。把動子安裝到磁軌上時必須小心以免他們之間的吸力造成傷害。無槽有鐵芯比無槽無鐵芯電機有更大的推力。

有槽有鐵芯：這種類型的直線電機，鐵心線圈被放進一個鋼結構里以產生鐵芯線圈單元。鐵芯有效增強電機的推力輸出通過聚焦線圈產生的磁場。鐵芯電樞和磁軌之間強大的吸引力可以被預先用作氣浮軸承系統(tǒng)的預加載荷。這些力會增加軸承的磨損，磁鐵的相位差可減少接頭力。

特點編輯 語音

在實用的和買得起的直線電機出現以前，所有直線運動不得不從旋轉機械通過使用滾珠或滾柱絲杠或帶或滑輪轉換而來。對許多應用，如遇到大負載而且驅動軸是豎直面的。這些方法仍然是好的。然而，直線電機比機械系統(tǒng)比有很多*的優(yōu)勢，如非常高速和非常低速，高加速度，幾乎零維護（無接觸零件），高精度，無空回。完成直線運動只需電機無需齒輪，聯(lián)軸器或滑輪，對很多應用來說很有意義的，把那些不必要的，減低性能和縮短機械壽命的零件去掉了。

優(yōu)點編輯 語音

（1）結構簡單。管型直線電機不需要經過中間轉換機構而直接產生直線運動，使結構大大簡化，運動慣量減少，動態(tài)響應性能和定位精度大大提高；同時也提高了可靠性，節(jié)約了成本，使制造和維護更加簡便。它的初次級可以直接成為機構的一部分，這種*的結合使得這種優(yōu)勢進一步體現出來。

（2）適合高速直線運動。因為不存在離心力的約束，普通材料亦可以達到較高的速度。而且如果初、次級間用氣墊或磁墊保存間隙，運動時無機械接觸，因而運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。在管型直線感應電機中，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。橫向效應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）易于調節(jié)和控制。通過調節(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，適用于低速往復運行場合。

（7）適應性強。直線電機的初級鐵

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；而且可以設計成多種結構，滿足不同情況的需要。

（8）高加速度。這是直線電機驅動，相比其他絲杠、同步帶和齒輪齒條驅動的一個顯著優(yōu)勢。 [1] 

選型依據及軟件編輯 語音

直線電機選擇規(guī)格主要是對于推力的選擇，通常情況下有軟件作為輔助工具。為了準確選擇直線電機的推力，需要知道負載重量、有效行程、速度和加速度。輔助于選型軟件，即可選擇合適推力的電機。

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