直线电机类型简介

简介

在各种工程技术中需要直线运动时，可以用旋转电机通过曲柄连杆或蜗轮蜗杆等传动机构来获得。但这种传动形式往往会带来结构复杂，重量重，体积大，啮合精度差且工作不可靠等缺点，采用直线电机则无这些缺点。

直线电机是能直接作直线运动的电动机械，直线电机有多种型式，原则上对于每一种旋转电机都有其相应的直线电机。 若按照工作原理来区分，可分为直线感应电机、直线直流电机和直线同步电机(包括直线步进电机)三种。

直线感应电机主要有两种型式，即平板型和管型。平板型电机可以看作是由普通的旋转异步电动机直接演变而来的。图1左图表示一台旋转的感应电动机，设想将它沿径向剖开，并将定、转子圆周展成直线，如图1右图，这就得到了最简单的平板型直线感应电机。 在旋转电机中转子是绕轴做旋转运动的，见绿色箭头线；在直线电机中动子是做直线移动的，见绿色箭头线。

图1—旋转电动机与直线电动机

对应于旋转电动机定子的一边嵌有三相绕组，称为初级（定子）；对应于旋转电动机转子的一边称为次级（动子或滑子）。直线电机的运动方式可以是固定初级，让次级运动，此称为动次级；相反，也可以固定次级而让初级运动，则称为动初级。

平板型直线感应电动机

显然初级与次级长度相同是不能正常运行的，实际平板型直线感应电动机初级长度和滑子长度并不相等，在图2上图是短初级长次级结构；图2下图是长初级短次级结构。

图2—单边平板型直线电动机

平板直线电机

为了抵消定子磁场对动子的单边磁吸力，平板型直线感应电动机通常采用双边结构，即用两个定子将动子夹在中间的结构型式。

图3–双边平板形型直线电动机

U型槽直线电机

圆筒型直线电机

圆筒型直线电机也称为管型直线电机，把平板型直线电动机沿着直线运动相垂直的的方向卷成筒形，就形成了圆筒型直线电动机，见图4。

图4–圆筒式直线电机

圆柱型直线电机

直线感应电动机的动子一般是低碳钢板敷铜板或镶铜条，也可以用导电良好的金属板（铜板或铝板）；圆筒型直线电机动子多采用厚壁钢管，在管外壁覆盖1至mm厚的铜管或铝管。

如果动子由永磁材料制作就组成直线同步电动机。

一些动初级直线电动机的初级采用无铁芯结构，大大减小了运动惯量。

与旋转电机传动相比，直线电机传动主要具有下列优点：

直线电机由于不需要中间传动机械，因而使整个机械得到简化，提高了精度，减少了振动和噪音； 用直线电机驱动时，由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响，因而加速和减速时间短，可实现快速启动和正反向运行。

圆弧型直线电机

一些设备不需要连续旋转，仅在一定的角度内往复摆动，可采用圆弧型直线电动机。圆弧型直线电机的次级（转子）是圆柱形状，能绕通过轴心的轴自由转动，定子为弧形，与转子柱面有很小的气隙，像旋转电机定子的一小段，见图5左图。

图5–圆弧型直线电机

DD马达

圆弧型直线电机的运行原理和设计方法与平板型直线感应电动机相同，故仍属直线电动机。

圆盘型直线电机

圆盘型直线电机的次级（转子）做成扁平的圆盘形状，能绕通过圆心的轴自由转动：将两个初级放在圆盘靠外边缘的平面上，使圆盘受切向力作旋转运动。由于其运行原理和设计方法与平板型直线感应电动机相同，故仍属直线电动机。

图6–圆盘型直线电机

圆盘型直线电机与普通旋转电动机相比，它具有以下优点：

无需经过齿轮减速箱就能得到较低的转速，因而电动机的振动和噪声很小。

可以通过移动定子在圆盘上的径向位置来可以调节电机的转矩与旋转速度。

直线电机特点总结

1. 高刚度——电机被直接连接到从动负载上，因此，在电机与负载之间，不存在传动间隙，实际上也不存在柔度。当直线电机带动负载运动时，有铁芯直线电机显示出较高的动态刚度。

2. 宽速度范围——由于直线电机无框架部分为非接触式部件，不存在机械传动系统的限制条件。因此，很容易达到较高或较低的速度，通常可实现超过 5米 / 秒或低于 1 微米 / 秒的应用速度。而机械传动系统（例如，滚珠丝杠副）由于共振和磨损，通常将速度限制为0.5 ～ 0.7 米 / 秒。除了宽速度范围以外，直线电机具有较好的恒速特性，速度的变化通常好于±0.01%。

3. 高系统动态性能——除了高速能力外，直线电机还具有较高的加速度。它仅受系统轴承的限制，大型电机通常可得到 3 ～ 5 g 的加速度，而小型电机通常很容易得到超过 10g 的加速度。

4. 极平稳的运行和较高的定位精度——直接驱动直线电机具有适合平稳运动要求的极低的推力和速度的波动。定位精度仅受反馈分辨率的限制，通常可达到微米以下的分辨率。

5. 行程可延长——直线电机的永磁铁通常为模块化设计，每个模块均可按所需的数目增加到任何长度，以实现行程延长。

6. 无磨损或免维护——直线电机配有很少的部件，根据精度要求选择合适的导轨即可，因此消除了与滚珠丝杠副有关的零部件，如螺母、轴承座、联轴器、电机底座，以及维护这些零部件的要求。因此，此类电机具有极长的使用寿命和运行清洁的特点，无需对此类部件进行润滑或维护。

7. 零部件的集成意味着更加简单——与配有机械传动系统的旋转电机相比，直线电机需要更少的零部件。气隙（线圈与永磁铁之间的间隙）是无框架直线电机需要调整的工作。系统的直线轴承所提供的全行程直线度满足直线电机的要求。

直线电机的拓展

如果想进一步提高精度，轴系的导轨可以取消，然后采用气浮结构，配合高精度运动控制器，可以制成超高精度运动平台

直线台采用非接触式气浮轴承、直线电机驱动和光栅尺闭环反馈组成，确保了在使用时免维护运行，因为运动元件间没有机械接触，随着时间的推移，不会出现磨损或性能下降，使用寿命几乎是无限的，气浮轴承不需要润滑，只需要清洁及干燥的气体，是用户应用的理想选择。

高精度指标气浮导轨基于气体动静压效应，实现无摩擦和无振动的平滑移动，与摩擦式导轨相比，气浮直线台的直线度、平面度，Pitch/Roll/Yaw指标得到了很大的提高，同时由于非接触式，伺服反馈的跟随误差有了质的飞跃，定位精度和重复精度得到了显著提高可以轻松达到2μ甚至更低

来源：工控灯泡