原理 直线电机原理详解

发布时间：2024-02-22 04:11:04   来源：博亿堂娱乐官方网站

  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，这是别的形式的平台所达不到的。

  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 电机在某一些程度上是一致的。不同之处在于，音 圈电机只有一个线对， 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，黄色和灰色部分所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。这些电机工作的基础原理都是类似的。

  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：

  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，能增加散热效果。

  非覆盖平铺方式，三个线个极距， 通常用于大推力电机，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常常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。

  ·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

  ——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

  ——线圈能承受的连续通过的电流，持续通过这一个电流时，线圈不会因为超过一定的 温度而有被损坏的危险

  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。

  直线电机系统的结构与旋转电机系统的结构不一样。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。这样就要求我们为客户选择一款合适的电机。若选择不当，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。

  传统的旋转电机能够最终靠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仔细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 来的人力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。

  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。这样就要求我们按照每个用户的 要求来帮用户选择。

  由于用户没选的能力，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 们这一些数据。因为这一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。这时候就要求我们想客户了解，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。

  在确定负载的运动曲线之前，我们先要了解客户的负载是怎样的。很多客户的 负载都是加工件或者别的物料，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。我们应该了解的 是直线电机驱动的整个运动部分的质量。

  直线电机选型的根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。

  根据行程s，我们大家可以计算出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

  运动曲线图上每个部分的力都可以计算出来，具体的计算方式如下：加速阶段的力：

  而最大推力Fmax=Max（F1，F2，F3，F4） 算出RMS力和最大推力以后，可根据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。