芻議直線電機的發展和應用

張筱杰+趙方

摘 要：直線電機驅動系統結構較為簡單，具備速度快、響應快、精度高以及振動噪聲小等特點，被廣泛應用到超高速、緊密化儀器等領域。直線電機的直接驅動模式正在逐步取代傳統驅動模式，被逐步應用到各行各業。本文通過闡述直線電機的優劣勢，在此基礎上分析直線電機發展及應用情況。

關鍵詞：直線電機；發展；應用

早在19世紀末科學家就開始研究直線電機，但是并沒有取得研究性的突破，直到20世紀中葉，直線電機的研究才取得一定的成果，特別是材料技術、控制技術的廣泛應用和逐步推廣，使得直線電機的研究和應用實現質的突破。經過一個多世紀的改進和完善，直線電機以直線驅動的方式彌補了傳統驅動的不足，其優勢和特色逐漸被顯現出來，成為研究領域的研究熱點。因此，研究直線電機的發展和應用，對于直線電機的進一步改進和完善來講，顯得非常有必要。

1 直線電機的優劣勢概述

從結構層面來講，直線電機與旋轉電機的運行原理十分相似，省略了中間重復和復雜環節，產生直線運行軌跡，改變了傳統“旋轉電機+機械變換環節”傳動的不足和缺陷。直線電機的種類較多，我們常見的直線電機大致有直線直流式直線電機、感應式和永磁式交流直線伺服電動機、直線步進電動機和直線式開關磁阻同步電動機等。筆者通過對直線電機的優劣勢進行系統分析，認為其優劣勢主要表現在以下方面：

第一，直線電機的優勢。一是直線電機省略了中間部分環節工作，減少了能耗和磨損，能夠通過高速運轉和高精度定位的方式參與工作，結構簡單、可靠性和安全性較強；二是與傳統旋轉電機相比，直線電機的加速度更大，速度更快，其速度基本不會受到外界因素影響；三是直線電機行程長度較長，基本不受限制；四是直線電機相對安靜，運行過程噪音較小，能夠創造出安靜的作業環境[1]。

第二，直線電機的劣勢。一是氣隙相對較大，運行功率小、效率低，特別是在低速運行過程中，其缺陷較為明顯；二是端部效應較為明顯，高速運行過程中，初級鐵心兩端開斷，整體運行效率不高。

2 直線電機的發展

近年來，隨著辦公自動化、生產機械化水平的不斷提升，需要更多高質量、高效率、高性能以及安全可靠程度較高的定位元件，直線電機以其突出的優勢和特色在各行各業、各個領域中的應用程度進一步提高。同時，隨著新材料、新技術的大量出現，驅動要求和標準的不斷提高，直線電機得以快速發展和廣泛應用。直線電機運行過程中，需要通過計算機程序進行有效控制，主要進行啟動、加速、定速、停比等，這些都是直線電機運行過程中的關鍵環節。為了讓直線電機發揮更大的作用，人們開始研究多CUP處理系統，用數字控制技術來替代傳統的模擬控制技術，使得控制精度更高、速度更快和更加靈敏。研究表明，經過一系列不斷的改進和完善，直線電機控制理論、控制算法等得到了長足進步和快速發展[2]。

隨著直線電機被廣泛應用到更多領域和各行各業，直線電機被不斷的改進和完善，為了讓直線電機的性能更加穩定、運行效率更高、應用范圍更廣，研究人員開始探索新原理，將直線電機作為一個研究和研發重點對象。比如：新型超聲直線電機研發過程中，人們采取了符合彈性較強的材料CFRP，在PZT的激勵下，CFRP形成傾斜振動，讓導軌表面形成較大的反作用力，進而來驅動電機移動，由于新型超聲直線電機的結構和原理非常簡單，所以在研制過程中基本不會出現太多問題。作為一種特殊的直線電機，直線振蕩電機的應用更為廣泛，是國內外學術界、研究學者的研究重點，不僅研究直線振蕩電機的運行原理，而且對直線振蕩電機的性能優化進行了一系列研究，這些研究的最終目的是為了提高振幅和負載能力。可以看出，直線電機在國內外的研究從未停滯，一直處于不斷改進、完善和深入的狀態[3]。能夠預測，今后關于直線電機的研究將會更進一步，直線電機的應用范疇也將進一步擴大，其未來將步入高速發展軌道。

3 直線電機的應用

筆者通過對直線電機當前的應用現狀進行研究，發現直線電機被廣泛應用到以下幾個方面：

第一，應用到交通運輸行業。我們日常所見到和乘坐的地鐵、磁懸浮列車都應用到直線電機的驅動方式，具備高速、安全、舒適、環保等特點。磁懸浮列車采取電磁懸浮、直線電機驅動的方式，其時速可達到500km以上，是當今地面速度最快、安全性最高、最經濟環保的列車。2001年，我國第一列磁懸浮列車建成并投入使用。因此，直線電機將被廣泛應用到交通運輸系統當中[4]。

第二，應用到工業當中。工業中的物料運輸、直線傳動等均能夠應用到直線電機，如：升降機、分揀輸送線等。同時，工業機床中的旋轉電機逐步被直線電機所替代，利用直線電機的速度快、精度高等優勢，提高工業機床的運行效率。直線電機還被應用到工業領域中的物流系統當中，與傳統連桿電機相比，直線電機應用下的物流系統更為安全、高效和便捷。另外，直線電機還被廣泛應用到自動化車庫當中，具體運行過程為：在車庫上縱橫布局無線電機，用計算機程序進行精確控制，利用直線電機的初次級作用來移動汽車進出庫，從而大幅提高了車輛出入庫效率，節約了大量的時間和資金成本。

第三，應用到軍事建設方面。如前文內容所述，直線電機具備速度快、加速度大、經濟環保等特點，被經常應用到軍事領域，特別是導彈、火箭、高射炮、潛艇等的研發制造中，不僅能夠起到精準打擊目標的作用，而且加快了出擊速度，提高了軍事武器運行效率[5]。同時，直線電機還被應用到一些常見的軍事設備上，如：戰斗機、仿真系統、練靶場等。

第四，應用到日常生活方面。我們常用的電冰箱、空調等一些家用、辦公設備都使用了直線電機，如：IBM公司生產的打印機、平面儀等均使用直線電機；美國奧基電氣公司將直線電機應用到軟盤驅動；日本松下公司將直線電機應用到驅動數字掃描儀，這些設備上使用直線電機，不僅能夠減輕重量、優化性能，而且加速了響應速度，提高了設備的安全可靠性。

除此之外，直線電機還被廣泛應用于天文地理觀測系統、醫療衛生系統、建筑行業等領域當中，如：天文望遠鏡、觸摸模擬器、打樁機等。可以看到，直線電機的發展潛力和空間巨大，應用范圍將會進一步擴大。

4 結語

綜上所述，直線電機具備結構簡單、綠色環保、速度快、加速度大、精準度高以及噪音小等諸多優勢和特色，被廣泛應用到各行各業、多個領域，對傳統驅動模式進行了有效替代。直線電機是國內外學術界研究和探索的熱點課題，也是經濟社會高速發展的必然產物，將會在今后得到系統研究、全面應用和長遠發展。

參考文獻

[1]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，2016，49（09）：86-89+92.

[2]謝俠飛，張麗榮. 直線電機的發展與應用概述[J].科技視界，2013，（15）：102+83.

[3]王會永，滿忠雷，李向男，江守和，董有利，王彬.直線電機在制造業中的應用及發展趨勢[J]. 電機與控制應用，2013，40（03）：1-4.

[4]宋彤菊. 直線電機的應用與發展方向[J].山西煤炭管理干部學院學報，2008，（04）：141-142.

[5]宋書中，胡業發，周祖德. 直線電機的發展及應用概況[J].控制工程，2006，（03）：199-201+277.

作者簡介

張筱杰（1988-），男，漢族，河南許昌人，大專，河南萬里路橋集團股份有限公司助工，研究方向：電機與電器；

趙方（1991-），男，漢族，河南南陽人，大專，河南萬里路橋集團股份有限公司助工，研究方向：電力拖動與自動化控制。endprint