直線電機(jī)工作原理及選型深度分析

一、直線電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

直線電機(jī)是展平了的旋轉(zhuǎn)電機(jī)

1.1 直線電機(jī)的幾種常見(jiàn)機(jī)構(gòu)

幾種常見(jiàn)的旋轉(zhuǎn)型電機(jī)

每一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)，都有相應(yīng)的直線電機(jī)與之對(duì)應(yīng)

有鐵芯直線電機(jī)

優(yōu)點(diǎn)： 推力大，低成本，散熱好

缺點(diǎn)： 有吸力，相當(dāng)于推力的10倍齒槽、或挫頓力

無(wú)鐵芯直線電機(jī)

優(yōu)點(diǎn)：無(wú)吸力，無(wú)齒槽， 動(dòng)子質(zhì)量輕

缺點(diǎn)： 散熱差，剛性差，推力較小

無(wú)槽直線電機(jī)

是有鐵芯和無(wú)鐵芯的結(jié) 合體

磁軸式直線電機(jī)

優(yōu)點(diǎn)：無(wú)磁槽，磁力線全部利用，體積小，散熱 好，工藝簡(jiǎn)單

缺點(diǎn)：推力小，剛性差，長(zhǎng)度受限制

二、直線電機(jī)區(qū)別于傳統(tǒng)傳動(dòng)方式

?高剛度，無(wú)傳動(dòng)間隙和柔度

?寬調(diào)速范圍（1um/s—5m/s，絲杠<1m/s）

?高動(dòng)態(tài)性能高加速度，可達(dá)10g

?極高的運(yùn)動(dòng)分辨率和定位精度

?無(wú)限行程

?無(wú)磨損免維護(hù)

?集成機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)整簡(jiǎn)單

大行程高精度的終極解決方案

當(dāng)一個(gè)平臺(tái)的精度要求很高時(shí)，比如微米級(jí)或者納米級(jí)的精度時(shí)，這時(shí)直線 電機(jī)是一個(gè)很好的選擇，比如當(dāng)直線電機(jī)和氣浮導(dǎo)軌配合使用時(shí)，平臺(tái)的定 位精度可達(dá)幾十納米，這是其他形式的平臺(tái)所達(dá)不到的。

三、直線電機(jī)工作基本原理

直線電機(jī)不僅從結(jié)構(gòu)上是從旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變 而來(lái)的，其工作原理也與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，遵 循電機(jī)學(xué)的一些基本電磁原理。這里直流永 磁直線電機(jī)為例子，說(shuō)明一下直線電機(jī)的基 本工作原理。

VLP0020-0160是一款音圈電機(jī)，和直線 電機(jī)在某種程度上是一致的。區(qū)別在于，音 圈電機(jī)只有一個(gè)線圈，磁極一般不超過(guò)2對(duì)， 只被要求在一對(duì)磁極的范圍里運(yùn)動(dòng)，也就不 需要換相了。當(dāng)需要突破這種行程限制，就 必需要有更多的磁極，和更多的線圈來(lái)接力， 這就是直線電機(jī)。所以音圈電機(jī)也叫做無(wú)換 向直線電機(jī)。

下圖表示的是典型的平板直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)。圖中的灰色的部分是底板， 黃色的方塊為一塊塊的永磁體，黃色和灰色部分組成了直線電機(jī)的定子。相 鄰兩個(gè)永磁體的極性是相反的，所以磁力線的分布如圖中所示。黃色的點(diǎn)表 示次級(jí)線圈中導(dǎo)線的橫截面。

可以看到導(dǎo)線的方向基本垂直于磁力線的方向，當(dāng)導(dǎo)線中通過(guò)電流時(shí)， 會(huì)產(chǎn)生安培力。由左手定則可以得知，根據(jù)導(dǎo)線中電流方向的不同，可以使 線圈產(chǎn)生向左或者向右的力。這個(gè)力就是使直線電機(jī)直接做直線運(yùn)動(dòng)的推力。

直線電機(jī)絕大部分為直流永磁同步直線電機(jī)。其他種類(lèi) 的直線電機(jī)，如交流永磁同步直線電機(jī)、交流感應(yīng)直線電機(jī)、步進(jìn)直線電機(jī)。 這些電機(jī)工作的基本原理都是類(lèi)似的：

位于磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體，該導(dǎo)體受到力的作用，力的方向可按左手定則確 定。力的大小由下面公式確定：

繞組形式

交叉覆蓋方式，三個(gè)線圈組合占一個(gè)極 距，空間利用率高，動(dòng)子較短。線圈無(wú) 效的兩邊可排列在磁場(chǎng)外，可以增加散 熱效果

非覆蓋平鋪方式，三個(gè)線圈占2個(gè)極距， 一般用于大推力電機(jī)，線圈的成型工藝 簡(jiǎn)單，但線圈中央必須留空，磁場(chǎng)利用 率較低

對(duì)于帶鐵芯直線電機(jī)通常需要采用消齒槽的工藝，斜槽一個(gè)方法，還有就是采用分?jǐn)?shù) 槽，錯(cuò)開(kāi)磁極和鐵芯的整倍數(shù)關(guān)系

四、直線電機(jī)

?小推力款型采用小極距設(shè)計(jì)（30mm），相同驅(qū)動(dòng)下提高電流分辨率， 負(fù)面的影響是電機(jī)較寬

?線圈的有效長(zhǎng)度比例增加，用于循環(huán)的無(wú)效長(zhǎng)度比例減少，單位重量 的推力有所增大

?采用線圈定型工藝，最終線圈排布精確，控制精度高

?大推力款型X系列高于大部分競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，如 kollmorgen 1600N，Hiwin1900N，Baldor 2300N，Accel 3000N

?Hall 傳感器采用分體可脫卸設(shè)計(jì)，增加可維護(hù)性

?高導(dǎo)熱樹(shù)脂

五、直線電機(jī)參數(shù)

?極距（Electrical Cycle Length）

——一對(duì)磁極所占的長(zhǎng)度，通常是N-N的距離，一般地推力大的電機(jī)， 極距也大，這和一對(duì)磁極間所能容納的導(dǎo)線匝數(shù)和長(zhǎng)度有關(guān)

?推力常數(shù)（Force Constant）

——每一安培電流所能產(chǎn)生的推力

?反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)（Back EMF Constant）

——每1米/秒速度產(chǎn)生的反電勢(shì)電壓

?電機(jī)常數(shù)（Motor Constant）

——線圈產(chǎn)生的推力與消耗功率的比值

?持續(xù)電流（Continuous Current）

——線圈可以承受的連續(xù)通過(guò)的電流，持續(xù)通過(guò)這個(gè)電流時(shí)，線圈不會(huì)因?yàn)槌^(guò)一定的 溫度而有被損壞的危險(xiǎn)

?持續(xù)推力（Continuous Force）

——當(dāng)線圈通過(guò)100%負(fù)載率的持續(xù)電流時(shí)產(chǎn)生的推力

?峰值電流（Peak Current）

——線圈短時(shí)間內(nèi)可以通過(guò)的最大電流，一般峰值電流通過(guò)的時(shí)間不超過(guò)1秒

?峰值推力（Peak Force）

——線圈的通過(guò)峰值電流時(shí)產(chǎn)生的推力

?線圈最高溫度（Maximum Winding Temperature）

——線圈可以承受的最高溫度

?電機(jī)電阻（Resistance 25°C, phase to phase）

——線圈在25°C時(shí)的相間電阻

?電機(jī)電感（Inductance, phase to phase）

——線圈的相間電感

Hall位置反饋

光柵位置反饋

霍爾效應(yīng)傳感器設(shè)在馬達(dá)里被激活 的磁體的面上。在這些信號(hào)放大器 轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)南嚯娏?。正弦換相是 使用線性編碼器信號(hào)回到控制器。 一個(gè)共同的技術(shù)是利用霍爾效應(yīng)同 步磁場(chǎng)位置，然后切換到正弦換相。 在任何情況下，換相的速度并非是 限制因素。

六、直線電機(jī)的選型

6.1 直線電機(jī)選型的重要性

直線電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有所不同。旋轉(zhuǎn)電機(jī)往往通過(guò)絲杠、皮帶輪等轉(zhuǎn) 動(dòng)部件轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。而直線電機(jī)采用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，直線電機(jī)的性能起到了決定性的作用。 直線電機(jī)用戶往往對(duì)負(fù)載的運(yùn)動(dòng)有一系列的要求。這樣就需要我們?yōu)榭蛻暨x擇一款合適的電機(jī)。 如果選擇不當(dāng)，則可能達(dá)不到客戶的要求，或者給客戶造成成本不必要的上漲。并不是所有的傳 統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都能被直線電機(jī)替代，如果工作狀態(tài)不能發(fā)揮直線電機(jī)的高速性能，這種替代可能是 不合理的。

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)可以通過(guò)減速機(jī)構(gòu)保證功率的正常發(fā)揮，而直線電機(jī)系統(tǒng)的持續(xù)推力和最大推 力是有限制的，且卻不能通過(guò)減速等方式產(chǎn)生更大的力。所以當(dāng)速度很低時(shí)，力也不能變大，所 以正常的功率不能被發(fā)揮出來(lái)。

另外對(duì)于成本問(wèn)題，直線電機(jī)的前期成本雖然高于絲桿，但對(duì)于高精度的應(yīng)用時(shí)，高等級(jí)的絲 桿的采購(gòu)成本也會(huì)比較高，并且此時(shí)絲桿系統(tǒng)也需要考慮安裝線性編碼器，這樣直線電機(jī)和絲桿 之間的成本差距就會(huì)變得很??；并且絲桿傳動(dòng)的平臺(tái)還存在著使用中的維護(hù)和磨損問(wèn)題，由此帶 來(lái)的人工成本和維護(hù)成本也不容小視，最后，隨著直線電機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)的提高以及量產(chǎn)化的不斷 擴(kuò)大，其采購(gòu)成本也在不斷降低。

6.2 根據(jù)客戶的要求選擇電機(jī)

直線電機(jī)的使用目前還沒(méi)有旋轉(zhuǎn)電機(jī)廣泛，了解直線電機(jī)的用戶還不是很多。用 戶在想使用直線電機(jī)時(shí)，沒(méi)有自行選擇直線電機(jī)的能力。這樣就需要我們根據(jù)用戶的 要求來(lái)幫用戶選擇。

由于用戶沒(méi)有選擇的能力，所以用戶只會(huì)提供他們的要求。根據(jù)直線電機(jī)應(yīng)用場(chǎng) 合，這些要求往往是：行程、加速度、最高速度等。實(shí)際上，我們的客戶都不會(huì)給我 們這些數(shù)據(jù)。因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)時(shí)需要計(jì)算出來(lái)的，用戶往往不會(huì)去計(jì)算，或者計(jì)算出來(lái) 的數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確。這時(shí)候就需要我們想客戶了解，直線電機(jī)需要帶動(dòng)什么樣的負(fù)載， 這個(gè)負(fù)載要做什么樣的運(yùn)動(dòng)。

6.2.1 確定運(yùn)動(dòng)曲線

在確定負(fù)載的運(yùn)動(dòng)曲線之前，我們先要了解客戶的負(fù)載是什么樣的。很多客戶的 負(fù)載都是加工件或者其他物料，直線電機(jī)除了驅(qū)動(dòng)物料以外，還需要驅(qū)動(dòng)放置或者固 定這些物料的置具或抓具。這些置具或抓具往往比物料更大、更重。我們需要了解的 是直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量。

這是我們選型時(shí)用到的真正負(fù)載：M1

直線電機(jī)選型的基本原則是根據(jù)馬達(dá)的自身參數(shù)，利用數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算出運(yùn)動(dòng)曲線 中所需要的最大推力和RMS力。當(dāng)直線電機(jī)的最大推力和持續(xù)推力滿足這些要求時(shí)才可 以選擇。

我們以最常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)曲線為例，要求從負(fù)載在 t 時(shí)間內(nèi)從該軸的A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)， 距離為 s 。當(dāng)負(fù)載加速到某一速度 v 以后做勻速運(yùn)動(dòng)，到達(dá)B點(diǎn)時(shí)速度為0，停頓一段 時(shí)間后，再?gòu)腂點(diǎn)返回A點(diǎn)，返回時(shí)的要求與之前一樣，就這樣做來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，直到 加工完成。

這樣，我們可以根據(jù)客戶的要求把t分為三部分： 加速時(shí)間：t1

勻速時(shí)間：t2 減速時(shí)間：t3

我們把停頓時(shí)間命名為t4。根據(jù)行程s，我們可以計(jì)算出t1、t2、t3，以及加速度a、減 速度‐a。這樣我們就可以繪出運(yùn)動(dòng)曲線（v‐t），如下圖

6.2.2 計(jì)算和選擇

運(yùn)動(dòng)曲線圖上每個(gè)部分的力都可以計(jì)算出來(lái)，具體的計(jì)算方法如下： 加速階段的力：

F1=(M1+M2)*a+Fc

勻速階段的力：

F2=Fc

減速階段的力： F3=(M1+M2)*（‐a）+Fc 停頓時(shí)電機(jī)不出力：

F4=0

其中：

a是加速階段和減速階段的加、減速度

M1是總的運(yùn)動(dòng)負(fù)載的質(zhì)量 M2是電機(jī)線圈的質(zhì)量

Fc是克服摩擦力的需求力，精密直線導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)一般為0.01，所以一般設(shè) Fc=0.01(M1+M2)

這樣，我們就可以算出整個(gè)過(guò)程中的RMS力和最大力

RMS力可由以下公式算出

而最大推力Fmax=Max（F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4） 算出RMS力和最大推力以后，可以按照一定的流程來(lái)選擇一款合適的直線電機(jī)

以上的計(jì)算只是在相對(duì)理想的條件下，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，系統(tǒng)往往對(duì)力有更高的需求，所 以我們?cè)趯?shí)際選型時(shí)，需要在計(jì)算中加入適當(dāng)?shù)挠嗔俊?/p>