線性電機

該圖直線電機明確顯示動子（forcer,rotor)的內部繞組。磁鉄和磁軌。動子是用環氧材料把線圈壓成的。而且，磁軌是把磁鐵固定在鋼上。

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) 是用環氧材料把線圈壓縮在一起製成的；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，電熱調節器（溫度感測器監控溫度）和電子介面。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，直線電機系統可以是磁軌動或推力線圈動（大部分定位系統應用是磁軌固定，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。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。

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。哪種構造最適合要看實際應用的規格要求和工作環境。

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，將初級和次級製造成不同的長度，以保證在所需行程範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。考慮到製造成本、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，將感應出電動勢併產生電流，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。隨著自動控制技術與微計算機技術的發展，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：一是傳統控制技術，二是現代控制技術，三是智能控制技術。傳統的控制技術如PID反饋控制、解耦控制等在交流伺服系統中得到了廣泛的應用。其中PID控制蘊涵動態控制過程中的信息，具有較強的魯棒性，是交流伺服電機驅動系統中最基本的控制方式。為了提高控制效果，往往採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、運行環境是確定不變的條件下，採用傳統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，運行環境的改變及環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、神經網路與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。

直線電機可以認為是旋轉電機在結構方面的一種變形，它可以看作是一台旋轉電機沿其徑向剖開，然後拉平演變而成。隨著自動控制技術和微型計算機的高速發展，對各類自動控制系統的定位精度提出了更高的要求，在這種情況下，傳統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的要求，為此，世界許多國家都在研究、發展和應用直線電機，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，由於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節所帶來的各種定位誤差，故定位精度高，如採用微機控制，則還可以大大地提高整個系統的定位精度；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。

直線電機主要應用於三個方面：一是應用於自動控制系統，這類應用場合比較多；其次是作為長期連續運行的驅動電機；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、加拿大等國都在研製直線懸浮列車，其中日本進展最快。

直線電機驅動的電梯 世界上第一台使用直線電機驅動的電梯是1990年4月安裝於日本東京都豐島區萬世大樓，該電梯載重600kg,速度為105m/min,提升高度為22.9m。由於直線電機驅動的電梯沒有曳引機組，因而建築物頂的機房可省略。如果建築物的高度增至1000米左右，就必須使用無鋼絲繩電梯，這種電梯採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，採用無線電波或光控技術控制。

超高速電動機 在旋轉超過某一極限時，採用滾動軸承的電動機就會產生燒結、損壞現象，國外研製了一種直線懸浮電動機（電磁軸承），採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製的多工序自動數控車床用5軸可控式電磁高速主軸採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。

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。這種電機是最初發現的商業應用但是不能使用於要求節省空間的平板式和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行器相似。區別在於線圈可以複製以增加行程。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，由於電機是完全圓柱的而且沿著磁棒上下運動，唯一的支撐點在兩端。保證磁棒的徑向偏差不至於導致磁體接觸推力線圈的長度總會有限制。

U 型槽式直線電機有兩個介於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。可以用空氣冷卻法冷卻電機來獲得性能的增強。也有採用水冷方式的。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，只局限於線纜管理系統可操作的長度，編碼器的長度，和機械構造的大而平的結構的能力。

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。

無槽無鐵芯平板電機是一系列coils安裝在一個鋁板上。由於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於延長軸承壽命。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最低。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後再安裝到鋁背板上，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的預載入荷。這些力會增加軸承的磨損，磁鐵的相位差可減少接頭力。

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。這些方法仍然是最好的。然而，直線電機比機械系統比有很多獨特的優勢，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。

（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，動態響應性能和定位精度大大提高；同時也提高了可靠性，節約了成本，使製造和維護更加簡便。它的初次級可以直接成為機構的一部分，這種獨特的結合使得這種優勢進一步體現出來。

（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雜訊。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雜訊，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。橫向效應是指由於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佈。

（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）易於調節和控制。通過調節電壓或頻率，或更換次級材料，可以得到不同的速度、電磁推力，適用於低速往複運行場合。

（7）適應性強。直線電機的初級鐵芯可以用環氧樹脂封成整體，具有較好的防腐、防潮性能，便於在潮濕、粉塵和有害氣體的環境中使用；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勢。

直線電機選擇規格主要是對於推力的選擇，通常情況下有軟體作為輔助工具。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、最大速度和最大加速度。輔助於選型軟體，即可選擇合適推力的電機。