直线电机的现状及发展趋势

直线电机的特点及发展趋势

（谭铭志 湖南大学、湖南、长沙）

概 要：概述了直线电机的发展史及特点，相对传统旋转电机的优势，以及直线电机的原理及控制的概述，最后还介绍了直线电机的发展趋势。

关键词：直线电机、现状、发展趋势

一、 引言

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动的机械能而不需要任何中间转换机构的传动装置。由于采用了“零传动”，从而较传统传动方式有明显的优势，如结构简单、无接触、无磨损、噪声低、速度快、精度高等。近年，随着工业加工质量和运动定位精度等要求的不断提高，直线电机受到了广泛的关注。在国外，直线电机驱动技术已进入工业化阶段，但国内尚处于起步阶段。

二、 直线电机的发展历程

直线电机的历史，最早可追溯到1840年惠斯登(Wheatstone)提出和制作雏形但不成功的直线电机，从那时至今已有160多年。在这个发展历程中，大致可分为以下三个阶段：探索实验阶段（1840—1955）、开发应用阶段（1956—1970）和实用商品化阶段(1971至今) 。

第一阶段是直线电机探索实验和部分实验应用阶段，由于当时直线电机的理论还只是雏形、设计不够完善、且受到材料的性能、制造技术的限制，使得直线电机效率较低，可靠性不高，所以直线电机在这一时期始终未能得到真正的应用。

第二阶段是直线电机的全面开发阶段。由于自动控制技术、制造技术及材料技术的突飞猛进给直线电机的研究应用奠定的坚实的基础。这时期主要以英国莱恩苇特（E ·Laithwaiter ）教授为首的一些人在强调直线电动机基础研究的情况下，取得了不少研究成果，公开发表了直线电机理论分析的文章，并出版了比较系统的介绍直线电机的专著《Induction Machines for Special Purpose》，这给直线电机领域作出了开创性贡献，也鼓励着世界各地的科学家继续努力。

第三阶段是直线电机的独立应用时代，在这个阶段直线电机找到一条适合自身发展的道路，在旋转电机无能为力的领域大展身手。从此直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置与产品，如运用直线电机驱动的磁悬浮列车时速达到了500Km/h，接近了航空飞行速度，电子缝纫机、磁头定位装置以及应用音圈直线电机加工活塞的中凸变椭圆的数控车床等。

三、 简述直线电机的结构、原理及优缺点

直线电机在结构上可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展开成直线，如图一所示：

图一 旋转电机和直线电机示意图 图二 旋转电机演变为直线电机的过程 a) 旋转电机 b) 直线电机 a) 沿径向剖开 b) 把圆周展成直线

这样就得到了由旋转电机演变而来的最原始的直线电机。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。图二所示为演变而来的直线电机，后在结构上作了优化与改进，一般为双边型短初级长次级直线电机，这是扁平直线电机的一种，是目前应用最广泛的结构形式，除此以外，直线电机还可以做圆筒型（也称管型），圆弧型和圆盘型。

直线电机不仅结构上由旋转电机演变而来，而且工作原理也与旋转电机非常类似。如下图三所示为旋转电机的基本工作原理，图中线圈AX 、BY 、CZ 为定子A 、B 、C 三相绕组。当在其中通往三相对称正弦电流后，便在气隙中产生旋转磁场，这个磁场可看成沿气隙圆周呈正弦分布。电流变化一个周期，旋转磁场转过一对磁极，它的旋转速度称为同步转速n s (r/min)表示，它与电流的频率f (Hz)成正比，而与电极对数p 成反比，如下所示：n s =60f

p 。用v s =n s 2p τ=2f τ(m/s)(τ60为极距) 表示定子内圆表

面上磁场运动的线速度。为简便起见，图中笼型转子只画出了两根导条。当气隙中旋转磁场以同步速度旋转时，磁场就会切割转子导条，而在其中感应出电动势，由于导条是通过端环短接的，因此在感应电动势的作用下，便在转子导条中产生电流，这个电流与气隙磁场相互作用便产生切向电磁力F 。由于转子是圆柱，故转子上每根导条的切向电磁力乘上转子半径，全部加起来即为促使旋转的电磁转矩。

图三 旋转电机的基本工作原理 图四 直线电机的基本工作原理

1－定子 2－转子 3－磁场方向 1－初级 2－次级 3－行波磁场

将图三的旋转电机在顶上沿径向剖开，并将圆周拉直，便成了图四的直线电机。当通往三相对称正弦电流后，也会产生气隙磁场。当不考虑横向、纵向的端部效应时，这个气隙磁场也和旋转电机非常相似，也可看成是沿展开的直线方向呈正弦分布。当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A 、B 、C 相序沿直线移动。在原理上与旋转电机类似，不同之处在于：这个磁场是平移的，而不是旋转的，因此称为行波磁场。显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场的的线速度是一样的，即为v s =2f τ(m/s)，也称为同步速度。在次级中为简便起见，图中只画出一根导条，次级导条在行波磁场的切割下，将产生感应电动势并产生电流。而所有导条上的电流和气隙磁场的相互作用便产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，次级就顺差行波磁场运动的方向作直线运动。次级移动速度用v 表示，转差率用s 表示，则有：

s =v s −v v s v s −v =sv s v =(1−s ) v s

在直线电机运行状态下，s 在0与1之间。这就是直线电机的工作原理。

直线电机与传统的旋转电机相比有如下的优势：1、结构简单：不需要一套把旋转运动转换成直线运动的的中间转换机构。2、反应速度快，灵敏度高，随动性好。3、容易密封，不怕污染，适应性强。4、工作稳定可靠，寿命长。5、推力大，额定值高。6、定位精度高。但是直线电机由于结构上的原因

，有

着如下一些不足：1、直线电机初级铁芯沿磁场移动的方向是开断的，长度是有限的，不连续的，因而对移动磁场来说出现了一个“进入端”和一个“出口端”，这就产生的直线电机所特有的“边端效应”，使得电机的损耗增加，出力减小。2、直线电机初级、次级之间的间隙，由于机械结构的限制和工艺水平的影响，一般要比旋转电机的气隙大2至3倍，因而使直线电机的功率因数和效率大大降低。3、发热量大，需要较好的冷却系统。

四、 直线电机的控制技术

直线电机的控制技术主要可从两部分来研究：驱动电路部分与控制器部分。

驱动电路要求能够提供大电压、大电流的大功率驱动系统。80年代以前主要以大功率三极管串（并）联的方式进行功率放大，由于各个功率管性能、参数等不一致，比较难以匹配与调试。再加上要自已搭配比较多的外围电路，如保护电路（短路、过流、过热、熔丝、缺相、过压、限幅）、吸收电路等使电路过于庞大，从而出错率增加。近年随着微电子技术的高速发展，大功率开关管IGBT ，以及智能型大功率开关功率模块IPM 已经非常成熟，在普遍的交流伺服系统、以及变频器等装置中都已经成熟的应用。使用IPM 的优点如下：驱动电路内置，保证的IGBT 间连线最短，使驱动回路阻抗变低，使系统在最佳状态下驱动IGBT 。并且IPM 还内置了几乎所有的保护电路（短路、过流、过热、缺相、过压），简化了用户电路，缩短了用户开发时间，如三凌的PM30CSJ060。

控制器的控制方法可分为开环控制与闭环控制，一般对精度要求不高（如定位精度在0.05mm 以上），可采用开环控制，这种控制方式简单可靠。闭环控制时一般在要求定位精度在μｍ级时使用，一般需要位置检测装置作为反馈信号进行闭环控制，一般使用高速高精度光栅尺作为位置检测装置。控制方法还可以分为模拟控制器、数字控制器与模拟数字混合控制器。现代控制策略大部分是针对数字控制器而言的，以下针对数字控制器阐述一下控制策略，大致可以分为以下三类：传统控制策略、现在控制策略、智能控制策略。在对象模型确定、不变化且为线性，以及操作条件、运行环境确定不变的条件下，采取传统控制策略是简单有效的。但在高精度微进给的高性能场合，就必须考虑对象的结构与参数变化以及各种不确定因素，才能得到满意的控制效果，这时就必须采用现代控制策略与智能控制策略。

传统控制策略有PID 反馈控制、解耦控制等，在交流伺服系统中被广泛应用。PID 控制算法蕴涵了动态控制过程中的过去、现在和将来的信息，而且配置几乎为最优，具有较强的鲁棒性，是交流伺服电动机 最基本的控制形式，其应用广泛，并与其它新型控制思想相结合，形成了许多有价值的控制策略。而在速度与电流回路中都具有耦合作用，在动态过程中，可以采用解耦控制算法加以解决，使各变量的耦合减小到最低限度，以使各变量都能得到单独的控制。

现代控制策略： 1>、自适应控制：对于直线伺服电动机特性参数的缓慢变化这一类扰动及其它外界干扰对系统伺服性能的影响，可以采用自适应控制策略加以降低或者消除。自适应控制一般分为模型参考自适应控制和自校正控制。2＞、变结构控制：它在本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不连续性。由于滑动模态可以进行设计、且与控制对象参数及扰动无关，这就便于变结构控制具有快速响应、对参数及扰动变化不敏感、无需在线辨识与设计等优点，因此在伺服系统中得到了成功的应用。但振动问题限制了它在某些场合的应用。3＞、鲁棒控制：针对控制对象模型的不确定性（包括模型的不确定性、非线性的线性化、参数与特性时变、漂移、工作环境与外界扰动），设法保持系统的稳定性和品质鲁棒性。主要有代数方法与频域方法。频域方法是从系统的传递函数矩阵出发设计系统，H 控制是其比较成熟的方法，其实质是通过使系统由扰动至偏差的传递函数矩阵的H 范数取极小或小于某一给定值，据此来设计控制器，对抑制扰动具有良好的效果。4＞、预见控制：是指对目标值的过去、现在、未来和干扰信号的未来情况完全知道的情况下，使目标值与被控量间的偏差整体达到最小，所以就自然地把其归为在全控制过程期间的某一评价函数取最小值的最优控制理论框架之中。

智能控制策略：对控制对象、环境与任务复杂的系统宜采用智能控制方法。模糊逻辑控制、神经网络和专家控制是当前三种比较典型的智能控制策略。现在神经网络与专家控制还不是很成熟，还需要世界各∞∞

地科学家继续努力探索。模糊控制器专用芯片已经商品化，因其实时性好、控制精度高，在伺服控制系统中已广泛应用。

五、 直线电机的应用及发展趋势

现在直线电机被世界各国、各个行业广泛应用，主要体现在以下几个方面：

1、在物流运输系统中的应用：邮政系统的邮包、印刷品的物流分拣、输送线, 如日本东京多摩邮局的大型邮政分拣机, 深圳海关也采用了由浙江大学提供直线电机驱动的物流分拣线。目前许多行业如电工、电子、机械、化工、医药等生产流水线和装配线也有部分使用直线电机驱动的传输线。

2、在数控机床中的应用：传统机床的驱动装置依赖丝杆驱动，丝杆驱动本身具有一系列不利因素，如：长度限制、机械间隙、磨擦、扭曲、螺距周期误差等，而直线电机不仅无此缺陷，且结构简单、精度可以是丝杆的10 倍甚至100 倍，加速度可以是传统机床的20 倍以上，高速、超高速、高加速度、高精度数控机床只有使用直线电机驱动才能够达到要求。自1993年德国Ex-Cell-O 公司研发出世界上第一台直线电机驱动工作台的加工中心以来，直线电机已在不同种类的机床上得到应用。德国、日本、美国等国家均有几十家公司的展品采用直线电机驱动系统。美国Gincin －nati 公司的HYPCR MACH高速加工中心，X 轴长达46m ，采用直线电机驱动后，加工大型薄壁飞机零件，用传统方法加工一件要8小时，而用该机床只需30分钟。北京机电院高技术股份有限公司承担的“十五”攻关项目《直线电机驱动的高速立式加工中心》，于2003年研制成功国内第一台直线电机驱动的加工中心，并在2003年北京国际机床展览会展出。长沙一派自主研制成功的短行程高频响高刚度音圈式直线电机（频响300Hz 以上，刚度达到10Kg/μm ），驱动的数控机床成功应用于内燃机关键零部件活塞的中凸变椭圆加工，得到行业好评，我国60%以上活塞中凸变椭圆是长沙一派数控机床加工的。

3、直线电机在IT 行业中的应用：PCB 板定位、打孔机, 计算机硬盘、软盘、光驱的磁头定位装置，打印机，扫描仪等。如日本松下公司则将直线伺服电动机用于驱动数字扫描仪，使扫描仪总重减轻，启动推力提高，图象波动减少，扫描速度提高近5 倍。

4、直线电机在交通与民用方面的应用：直线电机应用于交通方面最典型的就是磁悬浮列车，它改变了传统轨道车辆靠轮轨摩擦力推进的方式，采用磁力悬浮车体、直线电机驱动技术，使列车在轨道上浮起滑行，在交通技术发展史上是一个重大的突破，被誉为21 世纪一种理想的交通工具。磁浮车与现有常规车相比，主要优点是：速度快（500km/h）；安全，无翻车；无噪声振动；占地小；爬坡强；结构简单；节能。国内外许多国家如德、日、美、法、英、俄、加拿大、韩国、瑞士、瑞典及中国都已投入了这方面的研制，其中尤以德、日最为突出。中国目前除上海的磁浮列车外，还有北京、四川等地也正在进行这方面的工作。直线电机在民用方面发展也非常迅速，有直线电机驱动的门、窗、窗帘，盘形直线电机驱动的洗衣机，空调、冰箱用直线电机压缩机，还有用直线电机驱动的家用针织机和缝纫机、炒茶机等。特别是用直线电机驱动的电梯，它具有的结构简单、省材、省空间、高速、低噪声、节能的优点。

5、直线电机在军事上的应用：直线电机在军事上也得到了一些应用，如前面所述的直线电机驱动的潜艇，还有直线电机驱动的电磁炮，美国曾在1995 年宣布已完成。此外在一些军事设施上，如军用靶场、军用仿真系统、军用战斗武器如导弹的发射等等。

随着工厂自动化、精细化及机械制造行业的高速发展，对移动机构的定位精度、移动速度、以及启动、

停止的平稳性，执行元件的性能及控制技术提出了日益严格的要求，用传统的旋转电机已无法满足要求，而直线电机在这些重要场合弥补了旋转电机的不足。在新的需求和新材料新技术的推动下，直线电机将获得更大的发展。如智能型驱动器、智能型控制器的发展对直线电机的性能与精度提供了更高可靠性。为了扩大直线电机的应用领域，人们根据新的原理开发专用直线电机。如用复合弹性材料CFRP 的新型超声直线电机。

六、 结 语

直线电机具有结构简单、无接触、无磨损、低噪声、速度快、精度高、推力大等优点，但由于直线电机本身所具有的磁路开断所引起的边端效应以及安装气隙较大等问题，故在选择直线电机的时候要根据需求，权衡利弊人，选择能够充分发挥直线电机优势的地方应用。相信在不久的将来，随着新材料、新技术、以及控制理论的飞速发展，能够克服直线电机的缺点，完善直线电机的优点，更广泛的被人民应用到生活中的各个领域，相信直线电机完全取代传统式的旋转电机是社会发展的必然趋势。

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