直線電機綜述

常淑英　李贊

摘 要：直線電動機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能的電力傳動裝置。它可以省去大量中間傳動機構，加快系統反映速度，提高系統精確度，所以得到廣泛的應用。直線電動機的種類按結構形式可分為;單邊扁平型、雙邊扁平型、圓盤型、圓筒型（或稱為管型）等;按工作原理可分為：直流、異步、同步和步進等。對近幾年來國內外直線電機運用進行了全面的綜述。

關鍵詞：直線電機;傳動裝置;結構

一、直線電機的結構：

直線電機的運動形式是沿直線運動， 不同于旋轉電機需要螺紋傳動裝置。直線電機由旋轉電機轉化而來， 將旋轉電機按其圓柱形徑向橫截面切開， 平鋪展成平面結構， 就形成了直線電機。旋轉電機結構是由動子和定子組成，線圈繞組一端的是定子，而中間自由旋轉的一端是動子，由旋轉電機定子展開的一側稱為直線電機初級，由旋轉電機動子展開的一側稱為直線電次級。可以看出線圈繞組在旋轉電機結構中是定子，固定不動，而在直線電機結構中是初級，可以相對運動[1]。

二、直線電機的工作原理

直線電機是在傳統電動機的基礎上演變而來，是將傳統電動機的轉子和定子展開成直線，從而實現將原來的旋轉運動變為往復運動，傳統電動機主要有支座、轉子、定子線圈、 主軸、接線盒五個主要部分組成，無論是對有刷電機還是無刷電機，內轉子還是外轉子結構，都由定子和轉子組成，供電時在電機線圈內產生旋轉磁場，并產生扭矩并驅動轉子進行旋轉運動[2]。

三、直線電機的發展：

1840年，Wheatstone開始提出和制作了最早的直線電機，直至20世紀50年代中期，控制技術及材料技術的飛速發展和新型控制元器件的不斷涌現，使直線電機的理論和應用獲得了迅速的發展。自20世紀90年代以來，由于高速、精密機床進給系統的需要，使直線電機的優越性充分體現出來，直線電機的研究成為熱點領域。目前，國外比較著名的直線電機制造商主要有美國的Anorad、ParkerHannifin、Aerotech Kollmorgen公司德國的Simens、Indramat公司和日本FANUC、Mitsubishi公司等。國外眾多研究機構和企業把直線電機作為更新換代的高新技術產品來研發，開發出了眾多直線電機驅動的產品。例如，美國 Xynetics 公司生產的自動繪圖儀、日本Sanyo公司生產的直線電機驅動的電唱機、英國 Herbert Morris 公司生產的橋式吊車、傳送帶和一般機械搬運設備、日本與加拿大的直線電機 驅動的輕軌等。 相對于國外，國內的直線電機研究起步較晚， 發展不穩定，上世紀七十年代比較熱，八十年代前期滯退，八十年代后期至今又有較大發展。到目前為止，國內許多高校、科研院所及企業開展了不同類型直線電機的理論及開發研究。例如，河南理工大學的汪旭東博士建立了永磁直線同步電機統一解析磁場模型，對永磁體勵磁場進行了合理等效， 并制作了樣機對建立的模型進行試驗驗證。西安交通大學的上官璇峰博士研究了單初級型永磁直線 同步電機的磁阻力及穩態性能。南京航天航空大學的王寅等設計了一種利用變截面桿縱振模態工作的直線超聲電機。我國在直線電機的應用上也取得了可喜的成果，例如浙江大學的遙控直線電機窗簾機、世界首創的新型電磁式直線電機沖床、圓盤，直線電機驅動并利用其電磁內熱的炒茶機、西安交通大學的新型電磁打泊機、上海工業大學的浮法玻璃生產用的直線電機、直線電機驅動的自動門等[3]。

四、直線電機的應用現狀：

直線電機應用研究作為直線電機研究中的重要內容，也是研究直線電機的最終目的。由于直線電機不需要任何傳動裝置，就能直接產生連續單向或往復的直線運動，因此具有廣闊的應用前景[3]。

直線電機在制造業中的應用傳統機床的驅動裝置依賴絲杠驅動，絲杠驅動 本身就具有磨擦、扭曲及較長的振動衰減時間等一系列不利因素，限制了傳統驅動裝置的效率和精度。直線電機驅動技術具有傳統驅動裝置無法比擬的高效率、高精度，并且結構簡單[3]。

直線電機在交通運輸業的應用與傳統旋轉電機驅動電力機車相比，直線電機 驅動的機車具有造價低、振動小、噪聲低、爬坡能 力強、牽引能力優越、通過曲線半徑小、能耗低、 污染小、安全性能好等諸多優點，直線電機在交通 運輸行業有廣泛的應用前景。 各國都在大力促進諸如高、低速磁浮直線電機以及非磁浮類型直線電機直驅技術的研究，多種多樣的智能交通運輸系統正在投入開發[3]。

直線電機在航天航空業的應用。直線電機在航天航空業的應用主要體現在軍事上。2003年，美國研制用于航空母艦上推動飛機起 飛的永磁直線同步電機可使飛機在極短時間內加速到起飛速度，增加了單位時間起飛飛機數量，具有重要的軍事意義。2005 年，美國南卡羅萊納州立大 學對航空母艦上運載的航空器發射平臺用永磁直線同步電機進行了初步設計，并采用虛擬試驗平臺對 電機設計方案進行了驗證。日本九州大學正在研究 直線電機驅動的火箭發射裝置，主要對火箭的動力 性能進行控制仿真的研究。 在航空動力系統中，調節閥是重要的流量調節 裝置之一，發動機的推力改變及精確控制的實現都 在很大程度上依賴于調節閥的特性。傳統的調節閥 體積大、效率低，且控制難度大。直線步進電機與閥本體相結合的新型調節閥可靠性高、定位精度高、 性能優越，具有極大的應用前景[3]。

直線電機在海洋發電中的應用。波浪能發電是直線電機作為發電機應用的典型代表。波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能，是海洋能源中能量最不穩定的一種的能源。直線電機式波浪能裝置不依賴機械或液壓轉換裝置，效率更高，多年來，國外相關機構在此方面進行了大量的研究[3]。

五、直線電機的優點

①沒有機械接觸，傳動力是在氣隙中產生的，除了直線電機導軌以外沒有任何其它的摩擦;②結構簡單，體積小，通過以最少的零部件數量來實現我們的直線驅動，而且這僅僅是只存在一個運動的部件;③運行的行程在理論上是不受任何限制的，而且其性能不會因為其行程的大小改變而受到影響;④其運轉可以提供很寬的轉速運行范圍，其涵蓋包括從每秒幾微米到數米，特別是在高速狀態下是其一個突出的優點;⑤加速度很大，最大可達10g;⑥運動平穩，這是因為除了起支撐作用的直線導軌或氣浮軸承外，沒有其它機械連接或轉換裝置的緣故;⑦精度和重復精度高，因為消除了影響精度的中間環節，系統的精度取決于位置檢測元件，有合適的反饋裝置可達亞微米級;⑧維護簡單，由于部件少，運動時無機械接觸，從而大大降低了零部件的磨損，只需很少甚至無需維護，使用壽命更長。直線電動機與“旋轉電動機，滾珠絲杠”傳動性能比較表性能旋轉電動機+滾珠絲杠直線電動機。

直線電機運用廣泛，具有良好的發展前景，是一種新型的驅動技術，隨著直線電機技術和現代控制技術的不斷發展和完善，直線電機直接驅動模式必將替代傳統驅動模式，在社會生活各個領域得到廣泛的應用。

參考文獻：

[1]張乾，譚立杰，程秀全，張永昌. 直線電機原理及其在精密工作臺中的應用[J]. 電子工業專用設備， 2017（12）：70-74.

[2]葉利洪，鄭水英，顧超華，等.新型直線步進電機驅動的活塞壓縮機理論設計[J].壓縮機技術，2002（6）：32-35.

[3]王會永，周保華;李向男，鄭海鵬，李秋誠，韓道平.直線電機的應用現狀及發展趨勢研究[J].微電機，2016（9）：86-89