直線(xiàn)電機工作原理及選型深度分析
一、直線(xiàn)電機的基本結構與工作原理
直線(xiàn)電機是展平了的旋轉電機
1.1 直線(xiàn)電機的幾種常見(jiàn)機構
幾種常見(jiàn)的旋轉型電機
每一種旋轉電機，都有相應的直線(xiàn)電機與之對應
有鐵芯直線(xiàn)電機
優(yōu)點(diǎn)： 推力大，低成本，散熱好
缺點(diǎn)： 有吸力，相當于推力的10倍齒槽、或挫頓力
無(wú)鐵芯直線(xiàn)電機
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(xiàn)電機
是有鐵芯和無(wú)鐵芯的結 合體
磁軸式直線(xiàn)電機
優(yōu)點(diǎn)：無(wú)磁槽，磁力線(xiàn)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(cháng)度受限制
二、直線(xiàn)電機區別于傳統傳動(dòng)方式
?高剛度，無(wú)傳動(dòng)間隙和柔度
?寬調速范圍（1um/s—5m/s，絲杠<1m/s）
?高動(dòng)態(tài)性能高加速度，可達10g
?極高的運動(dòng)分辨率和定位精度
?無(wú)限行程
?無(wú)磨損免維護
?集成機械系統設計調整簡(jiǎn)單
大行程高精度的終極解決方案
當一個(gè)平臺的精度要求很高時(shí)，比如微米級或者納米級的精度時(shí)，這時(shí)直線(xiàn) 電機是一個(gè)很好的選擇，比如當直線(xiàn)電機和氣浮導軌配合使用時(shí)，平臺的定 位精度可達幾十納米，這是其他形式的平臺所達不到的。
三、直線(xiàn)電機工作基本原理
直線(xiàn)電機不僅從結構上是從旋轉電機演變 而來(lái)的，其工作原理也與旋轉電機相似，遵 循電機學(xué)的一些基本電磁原理。這里直流永 磁直線(xiàn)電機為例子，說(shuō)明一下直線(xiàn)電機的基 本工作原理。
VLP0020-0160是一款音圈電機，和直線(xiàn) 電機在某種程度上是一致的。區別在于，音 圈電機只有一個(gè)線(xiàn)圈，磁極一般不超過(guò)2對， 只被要求在一對磁極的范圍里運動(dòng)，也就不 需要換相了。當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(xiàn)圈來(lái)接力， 這就是直線(xiàn)電機。所以音圈電機也叫做無(wú)換 向直線(xiàn)電機。
下圖表示的是典型的平板直線(xiàn)電機的結構。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(xiàn)電機的定子。相 鄰兩個(gè)永磁體的極性是相反的，所以磁力線(xiàn)的分布如圖中所示。黃色的點(diǎn)表 示次級線(xiàn)圈中導線(xiàn)的橫截面。
可以看到導線(xiàn)的方向基本垂直于磁力線(xiàn)的方向，當導線(xiàn)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，根據導線(xiàn)中電流方向的不同，可以使 線(xiàn)圈產(chǎn)生向左或者向右的力。這個(gè)力就是使直線(xiàn)電機直接做直線(xiàn)運動(dòng)的推力。
直線(xiàn)電機絕大部分為直流永磁同步直線(xiàn)電機。其他種類(lèi) 的直線(xiàn)電機，如交流永磁同步直線(xiàn)電機、交流感應直線(xiàn)電機、步進(jìn)直線(xiàn)電機。 這些電機工作的基本原理都是類(lèi)似的：
位于磁場(chǎng)中的載流導體，該導體受到力的作用，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(xiàn)圈組合占一個(gè)極 距，空間利用率高，動(dòng)子較短。線(xiàn)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(xiàn)圈占2個(gè)極距， 一般用于大推力電機，線(xiàn)圈的成型工藝 簡(jiǎn)單，但線(xiàn)圈中央必須留空，磁場(chǎng)利用 率較低
對于帶鐵芯直線(xiàn)電機通常需要采用消齒槽的工藝，斜槽一個(gè)方法，還有就是采用分數 槽，錯開(kāi)磁極和鐵芯的整倍數關(guān)系
四、直線(xiàn)電機
?小推力款型采用小極距設計（30mm），相同驅動(dòng)下提高電流分辨率， 負面的影響是電機較寬
?線(xiàn)圈的有效長(cháng)度比例增加，用于循環(huán)的無(wú)效長(cháng)度比例減少，單位重量 的推力有所增大
?采用線(xiàn)圈定型工藝，最終線(xiàn)圈排布精確，控制精度高
?大推力款型X系列高于大部分競爭對手，如 kollmorgen 1600N，Hiwin1900N，Baldor 2300N，Accel 3000N
?Hall 傳感器采用分體可脫卸設計，增加可維護性
?高導熱樹(shù)脂
五、直線(xiàn)電機參數
?極距（Electrical Cycle Length）
——一對磁極所占的長(cháng)度，通常是N-N的距離，一般地推力大的電機， 極距也大，這和一對磁極間所能容納的導線(xiàn)匝數和長(cháng)度有關(guān)
?推力常數（Force Constant）
——每一安培電流所能產(chǎn)生的推力
?反電動(dòng)勢常數（Back EMF Constant）
——每1米/秒速度產(chǎn)生的反電勢電壓
?電機常數（Motor Constant）
——線(xiàn)圈產(chǎn)生的推力與消耗功率的比值
?持續電流（Continuous Current）
——線(xiàn)圈可以承受的連續通過(guò)的電流，持續通過(guò)這個(gè)電流時(shí)，線(xiàn)圈不會(huì )因為超過(guò)一定的 溫度而有被損壞的危險
?持續推力（Continuous Force）
——當線(xiàn)圈通過(guò)100%負載率的持續電流時(shí)產(chǎn)生的推力
?峰值電流（Peak Current）
——線(xiàn)圈短時(shí)間內可以通過(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(xiàn)圈的通過(guò)峰值電流時(shí)產(chǎn)生的推力
?線(xiàn)圈最高溫度（Maximum Winding Temperature）
——線(xiàn)圈可以承受的最高溫度
?電機電阻（Resistance 25°C, phase to phase）
——線(xiàn)圈在25°C時(shí)的相間電阻
?電機電感（Inductance, phase to phase）
——線(xiàn)圈的相間電感
Hall位置反饋
光柵位置反饋
霍爾效應傳感器設在馬達里被激活 的磁體的面上。在這些信號放大器 轉換成適當的相電流。正弦換相是 使用線(xiàn)性編碼器信號回到控制器。 一個(gè)共同的技術(shù)是利用霍爾效應同 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(xiàn)電機的選型
6.1 直線(xiàn)電機選型的重要性
直線(xiàn)電機系統的結構與旋轉電機系統的結構有所不同。旋轉電機往往通過(guò)絲杠、皮帶輪等轉 動(dòng)部件轉化為直線(xiàn)運動(dòng)。而直線(xiàn)電機采用直接驅動(dòng)技術(shù)，直線(xiàn)電機的性能起到了決定性的作用。 直線(xiàn)電機用戶(hù)往往對負載的運動(dòng)有一系列的要求。這樣就需要我們?yōu)榭蛻?hù)選擇一款合適的電機。 如果選擇不當，則可能達不到客戶(hù)的要求，或者給客戶(hù)造成成本不必要的上漲。并不是所有的傳 統傳動(dòng)機構都能被直線(xiàn)電機替代，如果工作狀態(tài)不能發(fā)揮直線(xiàn)電機的高速性能，這種替代可能是 不合理的。
傳統的旋轉電機可以通過(guò)減速機構保證功率的正常發(fā)揮，而直線(xiàn)電機系統的持續推力和最大推 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)。
另外對于成本問(wèn)題，直線(xiàn)電機的前期成本雖然高于絲桿，但對于高精度的應用時(shí)，高等級的絲 桿的采購成本也會(huì )比較高，并且此時(shí)絲桿系統也需要考慮安裝線(xiàn)性編碼器，這樣直線(xiàn)電機和絲桿 之間的成本差距就會(huì )變得很??；并且絲桿傳動(dòng)的平臺還存在著(zhù)使用中的維護和磨損問(wèn)題，由此帶 來(lái)的人工成本和維護成本也不容小視，最后，隨著(zhù)直線(xiàn)電機的生產(chǎn)技術(shù)的提高以及量產(chǎn)化的不斷 擴大，其采購成本也在不斷降低。
6.2 根據客戶(hù)的要求選擇電機
直線(xiàn)電機的使用目前還沒(méi)有旋轉電機廣泛，了解直線(xiàn)電機的用戶(hù)還不是很多。用 戶(hù)在想使用直線(xiàn)電機時(shí)，沒(méi)有自行選擇直線(xiàn)電機的能力。這樣就需要我們根據用戶(hù)的 要求來(lái)幫用戶(hù)選擇。
由于用戶(hù)沒(méi)有選擇的能力，所以用戶(hù)只會(huì )提供他們的要求。根據直線(xiàn)電機應用場(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(hù)都不會(huì )給我 們這些數據。因為這些數據時(shí)需要計算出來(lái)的，用戶(hù)往往不會(huì )去計算，或者計算出來(lái) 的數據并不準確。這時(shí)候就需要我們想客戶(hù)了解，直線(xiàn)電機需要帶動(dòng)什么樣的負載， 這個(gè)負載要做什么樣的運動(dòng)。
6.2.1 確定運動(dòng)曲線(xiàn)
在確定負載的運動(dòng)曲線(xiàn)之前，我們先要了解客戶(hù)的負載是什么樣的。很多客戶(hù)的 負載都是加工件或者其他物料，直線(xiàn)電機除了驅動(dòng)物料以外，還需要驅動(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(xiàn)電機驅動(dòng)的整個(gè)運動(dòng)部分的質(zhì)量。
這是我們選型時(shí)用到的真正負載：M1
直線(xiàn)電機選型的基本原則是根據馬達的自身參數，利用數學(xué)關(guān)系計算出運動(dòng)曲線(xiàn) 中所需要的最大推力和RMS力。當直線(xiàn)電機的最大推力和持續推力滿(mǎn)足這些要求時(shí)才可 以選擇。
我們以最常見(jiàn)的運動(dòng)曲線(xiàn)為例，要求從負載在 t 時(shí)間內從該軸的A點(diǎn)運動(dòng)到B點(diǎn)， 距離為 s 。當負載加速到某一速度 v 以后做勻速運動(dòng)，到達B點(diǎn)時(shí)速度為0，停頓一段 時(shí)間后，再從B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)回往復運動(dòng)，直到 加工完成。
這樣，我們可以根據客戶(hù)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。根據行程s，我們可以計算出t1、t2、t3，以及加速度a、減 速度‐a。這樣我們就可以繪出運動(dòng)曲線(xiàn)（v‐t），如下圖
6.2.2 計算和選擇
運動(dòng)曲線(xiàn)圖上每個(gè)部分的力都可以計算出來(lái)，具體的計算方法如下： 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是總的運動(dòng)負載的質(zhì)量 M2是電機線(xiàn)圈的質(zhì)量
Fc是克服摩擦力的需求力，精密直線(xiàn)導軌的摩擦系數一般為0.01，所以一般設 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，F2，F3，F4） 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(xiàn)電機
以上的計算只是在相對理想的條件下，實(shí)際應用時(shí)，系統往往對力有更高的需求，所 以我們在實(shí)際選型時(shí)，需要在計算中加入適當的余量。
