直线电机的工作原理及应用

直线电机将电能直接转换成直线运动机械能,不需要任何中间转换机构的传动装置。具有起动推力大、传动刚度高、动态响应快、定位精度高、行程长度不受限制等优点。
直线电机有其独特的特性，是旋转电机所不能替代的。同时，直线电机的使用在任何情况下都不能达到良好的效果。因此，我们必须首先了解直线电机应用的基本原理，以实现效用的最大化。
直线电机工作原理及选型深度分析
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。
FV40-20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。
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）
——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。
平板直线电机主要应用在要求高精度前提下，需要达到大的加速度和速 度的设备。主要用于重载精密控制系统：数控机床，如加工中心、数控磨床、数控冲床、 车床、PCB钻孔机、激光切割机、数控电火花机床、数控电火花线切削机床等。