直線電機是如何工作的？
信息來源：本站 | 發(fā)布日期： 2021/3/1 | 瀏覽量：5970
直線電機是如何工作的？
在機械設(shè)計中，常用直線電機驅(qū)動運動軸。
常見的直線電機有3種形式：U形，扁平的，管狀的，也分別叫做空芯直線電機，鐵芯直線電機，和軸式直線電機（柱狀直線電機）。
扁平直線電機應(yīng)用于XYZ運動軸，其中Z軸的驅(qū)動需要重力平衡器。
扁平直線電機應(yīng)用于單軸運動平臺，磁鐵組件固定，線圈組件帶動上面的平板運動。
鐵芯及空芯直線電機結(jié)構(gòu)示意圖：鐵芯直線電機線圈包圍在鐵疊片上，鐵疊片用于導(dǎo)磁，增強電機出力性能，疊片設(shè)計可以減小渦流發(fā)生。而磁鐵排列在磁道上，通常為了減小齒槽效應(yīng)而傾斜放置?？招局本€電機線圈嵌套在環(huán)氧樹脂，例如G10中，而磁鐵排列在U型板兩側(cè)。
鐵芯及空芯直線電機示意圖：在非鐵芯直線電機中，線圈繞組纏繞在環(huán)氧樹脂中，而鐵芯直線電機的繞組則安裝在鐵疊片中，疊片包含齒或突起，這些齒或突起將磁通量聚焦，產(chǎn)生更大的力。
軸式直線電機示意圖：中間是包含環(huán)形磁鐵組件的軸，線圈呈圓柱狀，包圍在這根軸外面，兩者可以在軸向相對運動，有的軸式電機有導(dǎo)軌，有的沒有。這種設(shè)計為氣缸或絲杠等軸式驅(qū)動提供了替代方案。
軸式直線電機示意圖：可集成位移傳感器，例如霍爾傳感器，編碼器等，也可集成溫度傳感器，用于檢測線圈溫度。
那么，它們是如何工作的？
1. 通電導(dǎo)線在磁場中受洛倫茲力
其實，雖然形式上不同，但是這三種電機運動原理是一樣的。
本質(zhì)上來說，都是通電導(dǎo)線在磁場中受力而發(fā)生運動。
我們先看一張圖。
通電導(dǎo)線在磁場中受洛倫茲力：像把電流向量轉(zhuǎn)向磁場方向一樣卷曲四指，大拇指所指的方向，就是通電導(dǎo)線受力方向。在此圖中，先把四指順著電流，也就是向右的方向，然后卷曲四指，使得四指可以轉(zhuǎn)動到磁場方向，也就是垂直屏幕向里的方向，那么大拇指必然是朝上的，這就是此通電導(dǎo)線的受力方向。
其實在上圖中，用左手更好判斷力的方向，讓磁感線穿過手心，四指指向電流的方向，那么大拇指所指的方向就是導(dǎo)線受力方向。
想象一下，如果有多根導(dǎo)線組成線圈，那么線圈受力：F=k*B*L*I*N，其中F=合力（N），k=力常數(shù)，B=磁通密度（Tesla），L=導(dǎo)線長度（m），I=電流（A），N=導(dǎo)線數(shù)目。
這就是直線電機運動的最基本原理，其實永磁旋轉(zhuǎn)電機也是一樣。
記住這個，后面你會看到這個基本原理的不同表現(xiàn)形式。
那么，洛倫茲力是如何在電機中發(fā)揮效果的？
我們先來看看最常用的空芯直線電機（Air Core Linear Motor），也叫做U型直線電機。
2. U型直線電機
U型直線電機有兩個相對的平行磁道，線圈包裹在環(huán)氧樹脂中，充當(dāng)動力器，線圈組件是無鐵的，需要通過軸承支撐在磁道中，來回運動。
因為線圈組件無鐵，所以它和和磁軌之間不會產(chǎn)生吸引力，也不會產(chǎn)生干擾力，這種線圈組件的質(zhì)量很輕，可以實現(xiàn)很高的加速度。
傳統(tǒng)T型設(shè)計和工字設(shè)計，相比于T型設(shè)計，工字形線圈，外形小巧，熱效率更高，結(jié)構(gòu)剛度更高。
U型直線電機磁場方向，以及通電時線圈和磁道受力示意圖：上圖是一個含有8對磁鐵組件和三個線圈的直線電機，圖示位置，電流朝里或者朝外，磁場是豎直方向，向下或者向上，根據(jù)導(dǎo)線在磁場中受力分析可知，線圈受力在左右方向。再結(jié)合位移傳感器，實時監(jiān)測線圈或者磁鐵組件的位置，來更換通電線圈的相，比如是12，還是23，還是13線圈通電，來達(dá)到持續(xù)運動的效果。
直線電機常見的磁鐵排列示意圖：北極上下交替排列，以及Halbach排列。
磁鐵Halbach排列及磁場示意圖
常見直線電機磁鐵排列方式，Halbach排列可以在單側(cè)產(chǎn)生最高的磁場強度，從而增加電機出力。
通常，線圈繞組為三相，通過無刷換向（電子換相）。由于磁體彼此相對，并容納在U形通道中，因此這種電機磁通量泄漏小。
另外，因為磁道安裝在固定件上，所以行程可以做得很長，唯一的限制是電纜管理和可用的編碼器長度，以及加工大型扁平結(jié)構(gòu)的能力。
當(dāng)然，這種電機也有它的缺點，由于動力器由纏繞的線圈制成，并和環(huán)氧樹脂保持在一起，因此大部分熱量必須通過它及線圈安裝板散發(fā)，少部分熱量也可以通過氣隙進入磁體軌道。這兩個路徑都具有較高的熱阻，因此使電機的熱管理變得困難。
另外線圈組件由線圈和環(huán)氧樹脂制成，力在線圈上產(chǎn)生。這意味著所有施加的力都作用在繞組和環(huán)氧樹脂上，與鐵芯直線電機相比，這是一個薄弱的結(jié)構(gòu)， 這種弱點限制了電機******尺寸和出力。
由于熱量和結(jié)構(gòu)上的限制，這種類型的電動機每包裝尺寸的力很小，另外雙磁道設(shè)計，也占用了額外的空間。
3. 鐵芯直線電動機
鐵芯直線電機的線圈先安裝到鐵疊片上，然后再安裝到鋁制底座上。
鐵疊片用于引導(dǎo)磁場，由于集中了繞組產(chǎn)生的磁場，鐵芯電機增加了其出力性能。
同時，因為鐵片的存在，在磁道和線圈組件之間存在吸引力，這種吸引力與電機產(chǎn)生的力成比例，可以將其用作空氣軸承系統(tǒng)的預(yù)緊力，在選擇其他導(dǎo)軌時，應(yīng)當(dāng)考慮這種力，它會增加軸承磨損。
另外，當(dāng)鐵片經(jīng)過磁體，電機推力會發(fā)生變化，這稱為齒槽效應(yīng)，齒槽效應(yīng)會影響低速平滑度（速度波動）。
不過，一些制造商已經(jīng)開發(fā)出減小齒槽效應(yīng)的方法，比如磁鐵傾斜，從而緩解隨著鐵片越過磁鐵移動時吸引力的變化，或者通過使用反饋和控制系統(tǒng)來補償齒槽效應(yīng)。
單面鐵芯直線電機及受力示意圖：為了減少渦流損耗，鐵芯采用層疊狀結(jié)構(gòu)，且主要由堆疊絕緣的變壓器片制成。扁平省空間，線圈組中的鐵芯使得線圈組與磁性組件之間產(chǎn)生吸引力，可以用于空氣軸承的預(yù)壓。不過吸引力會導(dǎo)致齒槽效應(yīng)的發(fā)生，并進而導(dǎo)致進給力在行程范圍內(nèi)波動，專門設(shè)計的緣齒可優(yōu)化齒槽效應(yīng)。
雙面鐵芯直線電機示意圖，可以產(chǎn)出更大的力，不過也占用更多的空間。
鐵芯電動機除了具有產(chǎn)生很大推力的能力外，還具有很好的散熱性能，重要原因是，由于繞組纏繞在鐵疊片上（熱傳導(dǎo)快），因此散熱效果極佳，另一方面，要歸功于其相對開放的設(shè)計，沒有封閉區(qū)域。
當(dāng)然，很重要的是，扁平鐵芯直線電機磁鐵比U型兩側(cè)配置少，所以更便宜。
但是，這種設(shè)計會使它們?nèi)菀资艿轿廴荆貏e是金屬屑或薄片，這些金屬屑或薄片會被永久磁鐵吸引，并可能損壞電機。
鐵芯直線電動機具有較高的連續(xù)力和良好的散熱性，非常適合壓制，成型和機械加工應(yīng)用，它們還擅長于需要施加高力，或高壓力的高速測試。
