直线电机工作原理及选型技巧

一、直线电机的基本结构与工作原理

直线电机是展平了的旋转电机

1.1 直线电机的几种常见机构

几种常见的旋转型电机
每一种旋转电机，都有相应的直线电机与之对应

有铁芯直线电机

优点：推力大，低成本，散热好
缺点：有吸力，相当于推力的10倍齿槽、或挫顿力

无铁芯直线电机

优点：无吸力，无齿槽，动子质量轻
缺点：散热差，刚性差，推力较小

无槽直线电机

是有铁芯和无铁芯的结合体

磁轴式直线电机

优点：无磁槽，磁力线全部利用，体积小，散热好，工艺简单
缺点：推力小，刚性差，长度受限制

二、直线电机区别于传统传动方式

•高刚度，无传动间隙和柔度
•宽调速范围（1um/s—5m/s，丝杠<1m/s）
•高动态性能高加速度，可达10g
•极高的运动分辨率和定位精度
•无限行程
•无磨损免维护
•集成机械系统设计调整简单

大行程高精度的终极解决方案

当一个平台的精度要求很高时，比如微米级或者纳米级的精度时，这时直线电机是一个很好的选择，比如当直线电机和气浮导轨配合使用时，平台的定位精度可达几十纳米，这是其他形式的平台所达不到的。

三、直线电机工作基本原理

直线电机不仅从结构上是从旋转电机演变而来的，其工作原理也与旋转电机相似，遵循电机学的一些基本电磁原理。这里直流永磁直线电机为例子，说明一下直线电机的基本工作原理。

VLP0020-0160是一款音圈电机，和直线电机在某种程度上是一致的。区别在于，音圈电机只有一个线圈，磁极一般不超过2对，只被要求在一对磁极的范围里运动，也就不需要换相了。当需要突破这种行程限制，就必需要有更多的磁极，和更多的线圈来接力，这就是直线电机。所以音圈电机也叫做无换向直线电机。

下图表示的是典型的平板直线电机的结构。图中的灰色的部分是底板，黄色的方块为一块块的永磁体，黄色和灰色部分组成了直线电机的定子。相邻两个永磁体的极性是相反的，所以磁力线的分布如图中所示。黄色的点表示次级线圈中导线的横截面。

可以看到导线的方向基本垂直于磁力线的方向，当导线中通过电流时，会产生安培力。由左手定则可以得知，根据导线中电流方向的不同，可以使线圈产生向左或者向右的力。这个力就是使直线电机直接做直线运动的推力。

直线电机绝大部分为直流永磁同步直线电机。其他种类的直线电机，如交流永磁同步直线电机、交流感应直线电机、步进直线电机。这些电机工作的基本原理都是类似的：

位于磁场中的载流导体，该导体受到力的作用，力的方向可按左手定则确定。力的大小由下面公式确定：

绕组形式

交叉覆盖方式，三个线圈组合占一个极距，空间利用率高，动子较短。线圈无效的两边可排列在磁场外，可以增加散热效果

非覆盖平铺方式，三个线圈占2个极距，一般用于大推力电机，线圈的成型工艺简单，但线圈中央必须留空，磁场利用率较低

对于带铁芯直线电机通常需要采用消齿槽的工艺，斜槽一个方法，还有就是采用分数槽，错开磁极和铁芯的整倍数关系

四、直线电机

•小推力款型采用小极距设计（30mm），相同驱动下提高电流分辨率，负面的影响是电机较宽
•线圈的有效长度比例增加，用于循环的无效长度比例减少，单位重量的推力有所增大
•采用线圈定型工艺，最终线圈排布精确，控制精度高
•大推力款型X系列高于大部分竞争对手，如 kollmorgen 1600N，Hiwin1900N，Baldor 2300N，Accel 3000N
•Hall 传感器采用分体可脱卸设计，增加可维护性
•高导热树脂

五、直线电机参数

•极距（Electrical Cycle Length）
——一对磁极所占的长度，通常是N-N的距离，一般地推力大的电机，极距也大，这和一对磁极间所能容纳的导线匝数和长度有关
•推力常数（Force Constant）
——每一安培电流所能产生的推力
•反电动势常数（Back EMF Constant）
——每1米/秒速度产生的反电势电压
•电机常数（Motor Constant）
——线圈产生的推力与消耗功率的比值
•持续电流（Continuous Current）
——线圈可以承受的连续通过的电流，持续通过这个电流时，线圈不会因为超过一定的温度而有被损坏的危险
•持续推力（Continuous Force）
——当线圈通过100%负载率的持续电流时产生的推力
•峰值电流（Peak Current）
——线圈短时间内可以通过的最大电流，一般峰值电流通过的时间不超过1秒
•峰值推力（Peak Force）
——线圈的通过峰值电流时产生的推力
•线圈最高温度（Maximum Winding Temperature）
——线圈可以承受的最高温度
•电机电阻（Resistance 25°C, phase to phase）
——线圈在25°C时的相间电阻
•电机电感（Inductance, phase to phase）
——线圈的相间电感

Hall位置反馈
光栅位置反馈

霍尔效应传感器设在马达里被激活的磁体的面上。在这些信号放大器转换成适当的相电流。正弦换相是使用线性编码器信号回到控制器。一个共同的技术是利用霍尔效应同步磁场位置，然后切换到正弦换相。在任何情况下，换相的速度并非是限制因素。

六、直线电机的选型

6.1 直线电机选型的重要性

直线电机系统的结构与旋转电机系统的结构有所不同。旋转电机往往通过丝杠、皮带轮等转动部件转化为直线运动。而直线电机采用直接驱动技术，直线电机的性能起到了决定性的作用。直线电机用户往往对负载的运动有一系列的要求。这样就需要我们为客户选择一款合适的电机。如果选择不当，则可能达不到客户的要求，或者给客户造成成本不必要的上涨。并不是所有的传统传动机构都能被直线电机替代，如果工作状态不能发挥直线电机的高速性能，这种替代可能是不合理的。

传统的旋转电机可以通过减速机构保证功率的正常发挥，而直线电机系统的持续推力和最大推力是有限制的，且却不能通过减速等方式产生更大的力。所以当速度很低时，力也不能变大，所以正常的功率不能被发挥出来。

另外对于成本问题，直线电机的前期成本虽然高于丝杆，但对于高精度的应用时，高等级的丝杆的采购成本也会比较高，并且此时丝杆系统也需要考虑安装线性编码器，这样直线电机和丝杆之间的成本差距就会变得很小；并且丝杆传动的平台还存在着使用中的维护和磨损问题，由此带来的人工成本和维护成本也不容小视，最后，随着直线电机的生产技术的提高以及量产化的不断扩大，其采购成本也在不断降低。

6.2 根据客户的要求选择电机

直线电机的使用目前还没有旋转电机广泛，了解直线电机的用户还不是很多。用户在想使用直线电机时，没有自行选择直线电机的能力。这样就需要我们根据用户的要求来帮用户选择。

由于用户没有选择的能力，所以用户只会提供他们的要求。根据直线电机应用场合，这些要求往往是：行程、加速度、最高速度等。实际上，我们的客户都不会给我们这些数据。因为这些数据时需要计算出来的，用户往往不会去计算，或者计算出来的数据并不准确。这时候就需要我们想客户了解，直线电机需要带动什么样的负载，这个负载要做什么样的运动。

6.2.1 确定运动曲线

在确定负载的运动曲线之前，我们先要了解客户的负载是什么样的。很多客户的负载都是加工件或者其他物料，直线电机除了驱动物料以外，还需要驱动放置或者固定这些物料的置具或抓具。这些置具或抓具往往比物料更大、更重。我们需要了解的是直线电机驱动的整个运动部分的质量。
这是我们选型时用到的真正负载：M1

直线电机选型的基本原则是根据马达的自身参数，利用数学关系计算出运动曲线中所需要的最大推力和RMS力。当直线电机的最大推力和持续推力满足这些要求时才可以选择。

我们以最常见的运动曲线为例，要求从负载在 t 时间内从该轴的A点运动到B点，距离为 s 。当负载加速到某一速度 v 以后做匀速运动，到达B点时速度为0，停顿一段时间后，再从B点返回A点，返回时的要求与之前一样，就这样做来回往复运动，直到加工完成。
这样，我们可以根据客户的要求把t分为三部分：加速时间：t1
匀速时间：t2 减速时间：t3
我们把停顿时间命名为t4。根据行程s，我们可以计算出t1、t2、t3，以及加速度a、减速度‐a。这样我们就可以绘出运动曲线（v‐t），如下图

6.2.2 计算和选择
运动曲线图上每个部分的力都可以计算出来，具体的计算方法如下：加速阶段的力：
F1=(M1+M2)*a+Fc
匀速阶段的力：

F2=Fc
减速阶段的力： F3=(M1+M2)*（‐a）+Fc 停顿时电机不出力：
F4=0
其中：
a是加速阶段和减速阶段的加、减速度
M1是总的运动负载的质量 M2是电机线圈的质量
Fc是克服摩擦力的需求力，精密直线导轨的摩擦系数一般为0.01，所以一般设 Fc=0.01(M1+M2)
这样，我们就可以算出整个过程中的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来选择一款合适的直线电机

以上的计算只是在相对理想的条件下，实际应用时，系统往往对力有更高的需求，所以我们在实际选型时，需要在计算中加入适当的余量。

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