直線電機(jī)是一種直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)技術(shù)，采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子概念，并將其展開為線性配置。雖然這不是一項(xiàng)新技術(shù)，但過去幾十年的進(jìn)步 - 包括提高效率，更高功率密度和更先進(jìn)的控制 - 使這種驅(qū)動(dòng)類型成為高精度運(yùn)動(dòng)控制解決方案的理想選擇。在需要精確運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用中日益普及和使用也引起了該技術(shù)成本的降低，并使得線性電動(dòng)機(jī)成為許多應(yīng)用的更經(jīng)濟(jì)的選擇。
隨著技術(shù)的發(fā)展，選件和配置的數(shù)量也在增加，每種類型的線性電機(jī)都具有完全不同的性能特征。雖然這擴(kuò)大了直線電機(jī)可滿足的要求數(shù)量，但也可能使指定最合適的產(chǎn)品更具挑戰(zhàn)性。
為了簡化這一過程，我們首先解釋直接驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并將其與更傳統(tǒng)的間接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。在此基礎(chǔ)上，我們將研究不同類型的直線電機(jī)，突出其優(yōu)點(diǎn)，幫助確定各種適用的應(yīng)用類型。最后，我們將介紹Zaber直接驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)設(shè)備提供的一些獨(dú)特優(yōu)勢。圖1是帶有集成控制器和驅(qū)動(dòng)器的直線模組的示例。
圖1：帶有內(nèi)置控制器，驅(qū)動(dòng)器和線性編碼器的直線模組
直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)
為了解釋直線電機(jī)，首先簡要介紹一下電機(jī)。電動(dòng)機(jī)通過產(chǎn)生與另一磁場相互作用的電磁場產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，該磁場通常由永磁體產(chǎn)生。通過控制線圈（也稱為繞組）中的電流來改變電磁場，以便控制運(yùn)動(dòng)。
電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分稱為“轉(zhuǎn)子”，靜止部分稱為“定子”。Zaber使用無刷電機(jī)，其中永磁體是轉(zhuǎn)子的一部分，繞組構(gòu)成定子，如圖2a所示。永久電動(dòng)機(jī)可以具有少至兩個(gè)極（即北極和南極），但通常具有兩個(gè)極中的一些。隨著到線圈的電流變化，磁場循環(huán)通過其吸引磁極，引起旋轉(zhuǎn)。
對(duì)于線性電動(dòng)機(jī)，定子和轉(zhuǎn)子都是相互在線的。想象一下未軋制的電機(jī)，如圖2b所示，產(chǎn)生一個(gè)扁平的線性電機(jī)，如圖2c所示。它們究竟是如何布置的，以及哪些部件移動(dòng)而不是固定的，決定了直線電機(jī)的類型。電流通過的線圈通常稱為線性電機(jī)的“強(qiáng)制器”。不是產(chǎn)生扭矩，而是隨著電流變化到壓力機(jī)而產(chǎn)生沿平臺(tái)行程長度的線性力。
直接驅(qū)動(dòng)與間接驅(qū)動(dòng)
當(dāng)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)用于運(yùn)動(dòng)控制裝置時(shí)，通常旋轉(zhuǎn)不是實(shí)際需要的那種運(yùn)動(dòng); 任何或所有方向，速度和力可能需要不同。為了改變運(yùn)動(dòng)方向，使用機(jī)械部件，例如齒輪，導(dǎo)螺桿或滾珠絲杠，連接器，皮帶和皮帶輪。這些組件中的每一個(gè)都會(huì)在系統(tǒng)中引入摩擦或不準(zhǔn)確，從而降低效率并限制精度。我們可以稱之為“間接驅(qū)動(dòng)”系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以使用位置反饋來提高精度，但可以使用各種不同的編碼器和電機(jī)類型，并且可以在沒有位置反饋的情況下運(yùn)行。
相比之下，使用直線電機(jī)的設(shè)備稱為“直接驅(qū)動(dòng)”，因?yàn)樗鼈冊陔姍C(jī)力和所需行程之間沒有機(jī)械轉(zhuǎn)換。這確保了最大的效率和精度，但也意味著必須選擇具有適當(dāng)規(guī)格的合適的電動(dòng)機(jī)，因?yàn)闆]有機(jī)構(gòu)來放大力或延長電動(dòng)機(jī)的行程范圍。此外，雖然線性電機(jī)能夠產(chǎn)生精確和精確的運(yùn)動(dòng)，但它們需要同樣精確的位置反饋（使用線性編碼器）和帶伺服控制回路的高級(jí)驅(qū)動(dòng)器，以便從驅(qū)動(dòng)器中獲得最佳性能。
通過消除線性級(jí)中的機(jī)械轉(zhuǎn)換組件，直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備通常能夠提供：
較小的最小增量移動(dòng)
由于效率更高，加速度更高，速度更快
零反彈
精度更高
由于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的零摩擦，使用壽命更長
雖然這些特性使直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備成為許多定位和運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的理想選擇，但有些考慮因素是間接驅(qū)動(dòng)選項(xiàng)可能更合適，因?yàn)橹苯域?qū)動(dòng)設(shè)備：
缺乏“斷電”穩(wěn)定性
可以在負(fù)載處產(chǎn)生大量熱量并需要溫度管理（例如限制占空比）
有更高的價(jià)格
可能比具有類似推力的間接驅(qū)動(dòng)裝置大
不同種類的直線電機(jī)
存在不同類型的線性電動(dòng)機(jī)，因?yàn)槊總€(gè)線性電動(dòng)機(jī)都會(huì)損害性能的一個(gè)方面以便在另一個(gè)方面表現(xiàn)優(yōu)異。有四個(gè)主要屬性，其中存在性能折衷：磁通密度，磁通泄漏，移動(dòng)質(zhì)量和齒槽轉(zhuǎn)矩。
通量密度是可以在特定空間內(nèi)產(chǎn)生的磁場的大小。高通量密度裝置提供優(yōu)越的力或在更緊湊的尺寸中允許類似的力。
磁通泄漏是電機(jī)內(nèi)電場容量的指標(biāo)。低通量泄漏通常是優(yōu)選的，以防止磁場影響系統(tǒng)的其他部件。磁通泄漏還表明電動(dòng)機(jī)的電效率較低。
移動(dòng)質(zhì)量是電機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量。較高的移動(dòng)質(zhì)量意味著兩個(gè)電機(jī)的加速度較低，每個(gè)電機(jī)具有相同的力輸出。
齒槽力（也稱為制動(dòng)力）存在于使用鐵的任何線性馬達(dá)中，并且是鐵對(duì)永磁體的吸引力。當(dāng)電動(dòng)機(jī)通電并移動(dòng)時(shí)，會(huì)在行程范圍內(nèi)產(chǎn)生周期性的力波動(dòng)。
除了這四個(gè)主要屬性之外，尺寸和成本也因可用的不同解決方案而異。
在短篇文章中涵蓋所有類型或配置的線性電機(jī)具有挑戰(zhàn)性，因此以下部分將重點(diǎn)介紹與高精度定位系統(tǒng)相關(guān)的三個(gè)區(qū)別特征：
（1）平面與U形電機(jī)軌道，
（2）動(dòng)圈與動(dòng)磁鐵軌道，以及
（3）鐵芯與無鐵靴。請(qǐng)記住，大多數(shù)（但不是全部）直線電機(jī)由相同的主要部件組成：內(nèi)襯永久磁鐵的磁鐵軌道，壓力機(jī)和高分辨率線性編碼器。
平面與U形
扁平線性電動(dòng)機(jī)，如圖3a所示，具有單個(gè)磁軌。它們通常具有較低的輪廓和較低的成本，因?yàn)樗鼈儍H需要一個(gè)磁軌。扁平線性電動(dòng)機(jī)通常具有較高的磁通泄漏和較低的力重比。如圖3b所示，U形電動(dòng)機(jī)具有與第一磁軌相對(duì)的附加磁軌，其中壓頭在軌道之間移動(dòng)。
圖3a：扁平直線電機(jī)。 圖3b：U形線性馬達(dá)。
移動(dòng)線圈與移動(dòng)磁鐵軌道
在無刷旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)中，繞組通常是定子，因?yàn)槿绻鼈兪且苿?dòng)轉(zhuǎn)子的一部分，則到達(dá)它的導(dǎo)線將卷起。在直線電機(jī)中，這不是一個(gè)考慮因素; 行程是有限的和線性的，所以到強(qiáng)迫器的電線不能卷起來。雖然壓力機(jī)可以是固定的“定子”，但也可以在壓力機(jī)移動(dòng)的位置設(shè)置直線電機(jī)。通常，這兩種系統(tǒng)稱為動(dòng)圈或動(dòng)磁軌道電動(dòng)機(jī)。
如圖4a所示，動(dòng)圈式線性馬達(dá)通常用于較長的行走裝置，以保持較低的移動(dòng)質(zhì)量。任何線性電機(jī)級(jí)的行程都限于其磁道的長度。對(duì)于短行程階段，磁軌也很短，這使其保持相對(duì)較輕并適合于移動(dòng)的磁軌平臺(tái)。對(duì)于長行程階段，磁軌很長并且變得非常重，并且移動(dòng)線圈更有意義。動(dòng)圈式線性馬達(dá)的缺點(diǎn)是，到壓頭的電纜也總是在移動(dòng)，因此需要進(jìn)行電纜管理。通常，動(dòng)圈式線性馬達(dá)具有較低的移動(dòng)質(zhì)量以獲得更大的加速度。
圖4a：移動(dòng)線圈。
對(duì)于行程范圍有限的要求，移動(dòng)磁道系統(tǒng)（如圖4b所示）可能更好，因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)崿F(xiàn)更高的精度。這是可能的，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的移動(dòng)部分是電和熱解耦的，這意味著它更熱穩(wěn)定并且具有更少的電噪聲。固定式壓腳在電流流過時(shí)會(huì)加熱，安裝在系統(tǒng)的底座上，作為散熱器，確保整個(gè)系統(tǒng)具有更好的熱穩(wěn)定性。
圖4b：移動(dòng)磁道。
鐵心vs無鐵
典型的鐵芯電機(jī)有一個(gè)安裝在壓頭上的鐵背板，線圈纏繞在鐵疊片上，如圖5a和圖5b所示。在壓頭上加鐵可以減少漏磁，增加磁通密度和力輸出。向電動(dòng)機(jī)添加鐵還會(huì)引入齒槽力，以及由于對(duì)永磁體的吸引力而對(duì)軸承的負(fù)載。鐵芯配置的變型稱為無槽鐵芯，其中壓頭的線圈不纏繞鐵疊片。這有助于減輕齒槽力，但也會(huì)降低磁通密度。沒有鐵芯的電動(dòng)機(jī)被稱為無鐵心直線電動(dòng)機(jī)，如圖5c和圖5d所示，當(dāng)速度穩(wěn)定性比高力更重要時(shí)可以使用。無鐵芯直線電機(jī)還可在整個(gè)行程中實(shí)現(xiàn)更均勻的力分布。對(duì)于動(dòng)圈式直線電機(jī)，鐵芯可能很重，因此無鐵制的推進(jìn)器可提供較低的移動(dòng)質(zhì)量。
圖5a：扁平鐵芯線性電動(dòng)機(jī)的側(cè)視圖。 圖5b：觀察扁平的鐵芯直線電機(jī)。
圖5c：U形無鐵芯線性馬達(dá)的側(cè)視圖。 圖5d：觀察U形無鐵芯直線電機(jī)。
為什么選擇杭州摩森機(jī)電直線電機(jī)
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無鐵芯直線電機(jī)更輕，在運(yùn)動(dòng)過程中提供更好的精度和速度穩(wěn)定性。
可用于動(dòng)圈或移動(dòng)磁軌配置。
有內(nèi)置控制器，驅(qū)動(dòng)程序和高分辨率編碼器。
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結(jié)論
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