淺談直線電機的應用
2019-05-10梁嵩
（武漢城市職業學院，湖北武漢，430064）
（武漢城市職業學院，湖北武漢，430064）
摘 要：簡要介紹直線電機在軌道交通運輸、機械設備、物料搬運等多領域的實際應用情況，分析各方面應用的優勢和成果，指出直線電機的應用前景，將是未來的發展方向。
關鍵詞：直線電機；磁懸浮；直接傳動
1 概述
直線電機也稱線性電機，線性馬達，直線馬達。常用的直線電機有平板式、U型槽式和管式等。直線電機可以認為是旋轉電機在結構上沿徑向展開，平鋪而成。因為直線電機無需把圓周運動轉化成直線運動，所以省去了大量的傳動機構，大大簡化系統的結構，體積和重量大大降低，同時傳動功耗也得到減少，效率也得到提高。
由于自動化控制技術以及微型計算機技術的快速發展，直線電機的應用效果在很多方面得到完善，如定位精度方面、響應速度等等。為此，近年來許多國家都在積極研究直線電機的應用，這讓直線電機的應用推廣越來越豐富。
2 直線電機應用
2.1軌道交通方面
直線電機應用首當其沖的是磁懸浮列車方面，而磁懸浮列車的承載結構主要分為常導吸浮型和超導斥浮型兩類。
常導吸浮：是指直線電機導體線圈在常溫下工作，磁場極性相異產生吸力為原理使列車懸浮，通常稱為常導吸浮型，主要代表為德國的磁懸浮。
超導斥浮：是指直線電機線圈在低溫時的超導效果，形成抗磁性磁極斥力作用為原理，通常稱為超導斥浮型，主要代表為日本的磁懸浮。
傳統軌道交通的造價上漲、運營提速，使得磁懸浮的應用前景一片光明。加上電力技術和控制技術的不斷發展，使其與傳統軌道交通有著巨大的競爭力。
2.2機械設備方面
由于直線電機的線性運動的特點，在機械設備和機電設備上都有廣泛的應用。直線電機驅動的各種數控機床，在機械加工方面多用于往復運動的動力源，替代了傳統機械絲桿傳動。
在冶金設備中，電磁泵、金屬攪拌器；紡織設備中，電梭子、割麻裝置；自動化儀表設備中，電動執行機構。
傳統的傳動過程中，電動機需要利用皮帶、絲杠副、齒輪、蝸輪蝸桿、聯軸器、離合器等中間環節。在這些環節中都具有較大的轉動慣量、彈性變形、運動滯后、摩擦、反向間隙、振動、噪聲甚至磨損。直線電機能從根本上解決這些問題，即取消這些中間環節。這無疑是工業設備的又一次階段性提升。
國內的直線電機研究從1995年就已經開始，如清華大學的長行程永磁直線伺服系統，國防科技大學的活塞非圓切削刀具等。還有一些企業也進行直線電機應用如平面磨床、激光切割機、加工中心等，取得了豐富的實際應用效果，積累了大量的應用經驗。
2.3物料搬運方面
直線電機在各種物料搬運方面具有很多獨特的優勢，如：直線電機的電梯垂直升降應用；直線電機的快遞包裹、行李、原材料等的水平運輸分揀；直線電機在各種流水線上的加工、生產、裝配、檢測工序轉換；甚至在立體車庫的儲藏和調度方面。
這些物料搬運設備采用直線電機作為驅動系統，能適應多批量的靈活安排需求。與傳統的傳輸設備相比，直線電機驅動的傳送帶安全性、穩定性、維修效率、耗能方面都具有很高的價值和意義，甚至還有用于核廢料的搬運的直線電機設備。
2.4其他方面
民用行業方面直線電機應用也有很多推廣，如：門窗、桌椅等。還有用直線電機驅動的洗衣機、打磨機、烘干機、切割工具等。
電腦光驅設備，外圍接口設備，電子儀器儀表中也有很多直線電機的存在，如掃描儀、打印機。辦公自動化設備中如繪圖儀、記錄儀等有所應用。
軍事上的應用更是不少，電磁炮、航空母艦的電磁彈射裝置等等；航空航天方面，衛星和航天飛船上也應用了直線電機。
3 發展方向
高精度方面，通過不斷的伺服驅動技術研究，配合磁路電路的制造工藝，提高直線伺服系統的適應性和設備應用的集成度。選擇和研發優良的傳感器，一同構建高效閉環伺服系統，讓直線電機的應用精度突破傳統層次。
大載荷方面，新材料的研究和發現，以及常溫超導的技術的突破，能為直線電機的重載應用，奠定堅實的基礎。常溫超導的發展也為電機的發展提供了新的可能性。降低諧波畸變率，能使過載能力得到極大提高。
成本控制方面，不斷進行工藝改造，利用先進生產技術，為直線電機的制造拓寬道路。在尋求高性能直線電機伺服控制策略方面通過大量的研究和實踐，提出了新思路，新方案。隨著被控對象的復雜化及控制要求的不斷提高，可采用多種控制策略相結合的方法，把不同的控制策略進行匯總形成復合控制方案，這也是為應用發展的一大趨勢。
高可靠性方面，為了解決直線電機在數控機床進給系統中的應用存在的問題，利用位置反饋、控制技術的有效應用配合，使各功能部件（電機、編碼器、軸承、接線器、電纜、導軌等）集成化、小型化、模塊化，以提高穩定性和可靠性。減小電機尺寸所產生的散熱問題，可以從結構設計上進行不斷嘗試。
隔磁與防護也是直線電機在的發展要求，比如機床很難過切削液、鐵屑、灰塵等會對電機污染腐蝕，有的甚至堵塞，必須封閉電機。永磁對鐵磁物質的強吸引力存在，為了可靠隔磁，可采用不銹鋼罩進行封閉。直線電機還需要有緩沖裝置和限位開關，防止動子失控碰撞。電纜線也要加保護，信號線也要加屏蔽措施。
雖然直線電機在某些應用方面無法與旋轉電機相比，但是在旋轉電機應用瓶頸的那些領域，直線電機有著無限廣闊的前景。
4 結束語
直線電機優點很多，如結構簡單、無磨差、噪聲低、高速度、高精度、大載荷等，但是缺點也仍然存在，由于磁路開斷、安裝氣隙等。權衡利弊才是選擇和應用直線電機的關鍵，選擇能夠充分發揮優勢的直線電機應用方向，才能夠克服直線電機的缺點，完善直線電機的優點，將它的高效和便利發揮出來。直線電機不僅需要新材料、新工藝，還需要新技術的應用和新標準的建立。積極開發直線電機的新產品，不僅能促進我國電機行業的發展，而且還可把我國電機行業的科學技術提高到一個新水平。
參考文獻
[1]葉云岳.直線電機在現代機床加工業中的應用[R].中國機械工程學會報告，2007，11.
[2]王偉進.直線電機的發展及應用概況[J].微電機，2004，37.
[3]張伯霖.直線電機及其在超高速機床上的應用[J].中國機械工程，1997，8.
[4]張偉.線電機驅動技術在高速機床上的應用[J].機械工程師，2012.
[5]柯紅金.數控機床用直線電動機控制技術[J].機械制造與自動化，2012.
關鍵詞：直線電機；磁懸浮；直接傳動
1 概述
直線電機也稱線性電機，線性馬達，直線馬達。常用的直線電機有平板式、U型槽式和管式等。直線電機可以認為是旋轉電機在結構上沿徑向展開，平鋪而成。因為直線電機無需把圓周運動轉化成直線運動，所以省去了大量的傳動機構，大大簡化系統的結構，體積和重量大大降低，同時傳動功耗也得到減少，效率也得到提高。
由于自動化控制技術以及微型計算機技術的快速發展，直線電機的應用效果在很多方面得到完善，如定位精度方面、響應速度等等。為此，近年來許多國家都在積極研究直線電機的應用，這讓直線電機的應用推廣越來越豐富。
2 直線電機應用
2.1軌道交通方面
直線電機應用首當其沖的是磁懸浮列車方面，而磁懸浮列車的承載結構主要分為常導吸浮型和超導斥浮型兩類。
常導吸浮：是指直線電機導體線圈在常溫下工作，磁場極性相異產生吸力為原理使列車懸浮，通常稱為常導吸浮型，主要代表為德國的磁懸浮。
超導斥浮：是指直線電機線圈在低溫時的超導效果，形成抗磁性磁極斥力作用為原理，通常稱為超導斥浮型，主要代表為日本的磁懸浮。
傳統軌道交通的造價上漲、運營提速，使得磁懸浮的應用前景一片光明。加上電力技術和控制技術的不斷發展，使其與傳統軌道交通有著巨大的競爭力。
2.2機械設備方面
由于直線電機的線性運動的特點，在機械設備和機電設備上都有廣泛的應用。直線電機驅動的各種數控機床，在機械加工方面多用于往復運動的動力源，替代了傳統機械絲桿傳動。
在冶金設備中，電磁泵、金屬攪拌器；紡織設備中，電梭子、割麻裝置；自動化儀表設備中，電動執行機構。
傳統的傳動過程中，電動機需要利用皮帶、絲杠副、齒輪、蝸輪蝸桿、聯軸器、離合器等中間環節。在這些環節中都具有較大的轉動慣量、彈性變形、運動滯后、摩擦、反向間隙、振動、噪聲甚至磨損。直線電機能從根本上解決這些問題，即取消這些中間環節。這無疑是工業設備的又一次階段性提升。
國內的直線電機研究從1995年就已經開始，如清華大學的長行程永磁直線伺服系統，國防科技大學的活塞非圓切削刀具等。還有一些企業也進行直線電機應用如平面磨床、激光切割機、加工中心等，取得了豐富的實際應用效果，積累了大量的應用經驗。
2.3物料搬運方面
直線電機在各種物料搬運方面具有很多獨特的優勢，如：直線電機的電梯垂直升降應用；直線電機的快遞包裹、行李、原材料等的水平運輸分揀；直線電機在各種流水線上的加工、生產、裝配、檢測工序轉換；甚至在立體車庫的儲藏和調度方面。
這些物料搬運設備采用直線電機作為驅動系統，能適應多批量的靈活安排需求。與傳統的傳輸設備相比，直線電機驅動的傳送帶安全性、穩定性、維修效率、耗能方面都具有很高的價值和意義，甚至還有用于核廢料的搬運的直線電機設備。
2.4其他方面
民用行業方面直線電機應用也有很多推廣，如：門窗、桌椅等。還有用直線電機驅動的洗衣機、打磨機、烘干機、切割工具等。
電腦光驅設備，外圍接口設備，電子儀器儀表中也有很多直線電機的存在，如掃描儀、打印機。辦公自動化設備中如繪圖儀、記錄儀等有所應用。
軍事上的應用更是不少，電磁炮、航空母艦的電磁彈射裝置等等；航空航天方面，衛星和航天飛船上也應用了直線電機。
3 發展方向
高精度方面，通過不斷的伺服驅動技術研究，配合磁路電路的制造工藝，提高直線伺服系統的適應性和設備應用的集成度。選擇和研發優良的傳感器，一同構建高效閉環伺服系統，讓直線電機的應用精度突破傳統層次。
大載荷方面，新材料的研究和發現，以及常溫超導的技術的突破，能為直線電機的重載應用，奠定堅實的基礎。常溫超導的發展也為電機的發展提供了新的可能性。降低諧波畸變率，能使過載能力得到極大提高。
成本控制方面，不斷進行工藝改造，利用先進生產技術，為直線電機的制造拓寬道路。在尋求高性能直線電機伺服控制策略方面通過大量的研究和實踐，提出了新思路，新方案。隨著被控對象的復雜化及控制要求的不斷提高，可采用多種控制策略相結合的方法，把不同的控制策略進行匯總形成復合控制方案，這也是為應用發展的一大趨勢。
高可靠性方面，為了解決直線電機在數控機床進給系統中的應用存在的問題，利用位置反饋、控制技術的有效應用配合，使各功能部件（電機、編碼器、軸承、接線器、電纜、導軌等）集成化、小型化、模塊化，以提高穩定性和可靠性。減小電機尺寸所產生的散熱問題，可以從結構設計上進行不斷嘗試。
隔磁與防護也是直線電機在的發展要求，比如機床很難過切削液、鐵屑、灰塵等會對電機污染腐蝕，有的甚至堵塞，必須封閉電機。永磁對鐵磁物質的強吸引力存在，為了可靠隔磁，可采用不銹鋼罩進行封閉。直線電機還需要有緩沖裝置和限位開關，防止動子失控碰撞。電纜線也要加保護，信號線也要加屏蔽措施。
雖然直線電機在某些應用方面無法與旋轉電機相比，但是在旋轉電機應用瓶頸的那些領域，直線電機有著無限廣闊的前景。
4 結束語
直線電機優點很多，如結構簡單、無磨差、噪聲低、高速度、高精度、大載荷等，但是缺點也仍然存在，由于磁路開斷、安裝氣隙等。權衡利弊才是選擇和應用直線電機的關鍵，選擇能夠充分發揮優勢的直線電機應用方向，才能夠克服直線電機的缺點，完善直線電機的優點，將它的高效和便利發揮出來。直線電機不僅需要新材料、新工藝，還需要新技術的應用和新標準的建立。積極開發直線電機的新產品，不僅能促進我國電機行業的發展，而且還可把我國電機行業的科學技術提高到一個新水平。
參考文獻
[1]葉云岳.直線電機在現代機床加工業中的應用[R].中國機械工程學會報告，2007，11.
[2]王偉進.直線電機的發展及應用概況[J].微電機，2004，37.
[3]張伯霖.直線電機及其在超高速機床上的應用[J].中國機械工程，1997，8.
[4]張偉.線電機驅動技術在高速機床上的應用[J].機械工程師，2012.
[5]柯紅金.數控機床用直線電動機控制技術[J].機械制造與自動化，2012.
來源：《科技創新與應用》2016年36期
