直线电机是如何工作的？

在机械设计中，常用直线电机驱动运动轴。

 

常见的直线电机有3种形式：U形，扁平的，管状的，也分别叫做空芯直线电机，铁芯直线电机，和轴式直线电机（柱状直线电机）。

 

扁平直线电机应用于XYZ运动轴，其中Z轴的驱动需要重力平衡器。

 

扁平直线电机应用于单轴运动平台，磁铁组件固定，线圈组件带动上面的平板运动。

 

 

直线电机的应用

 

无铁芯U型直线电机应用于X，Y运动平台。

 

 

轴式直线电机应用于单轴运动平台，双电机驱动，电机轴两端固定，线圈组件运动，光栅尺及读数头布置在中央，导轨分布在光栅尺两侧

 轴式直线电机的应用：上图是线圈运动，下图是轴运动，Z轴驱动需要重力平衡器。

 

 

铁芯及空芯直线电机结构示意图：铁芯直线电机线圈包围在铁叠片上，铁叠片用于导磁，增强电机出力性能，叠片设计可以减小涡流发生。而磁铁排列在磁道上，通常为了减小齿槽效应而倾斜放置。空芯直线电机线圈嵌套在环氧树脂，例如G10中，而磁铁排列在U型板两侧。

铁芯及空芯直线电机示意图：在非铁芯直线电机中，线圈绕组缠绕在环氧树脂中，而铁芯直线电机的绕组则安装在铁叠片中，叠片包含齿或突起，这些齿或突起将磁通量聚焦，产生更大的力。

 

 

轴式直线电机示意图：中间是包含环形磁铁组件的轴，线圈呈圆柱状，包围在这根轴外面，两者可以在轴向相对运动，有的轴式电机有导轨，有的没有。这种设计为气缸或丝杠等轴式驱动提供了替代方案。

 

 

轴式直线电机示意图：可集成位移传感器，例如霍尔传感器，编码器等，也可集成温度传感器，用于检测线圈温度。

 

 

 

 

 

那么，它们是如何工作的？

 

1. 通电导线在磁场中受洛伦兹力

 

其实，虽然形式上不同，但是这三种电机运动原理是一样的。

 

本质上来说，都是通电导线在磁场中受力而发生运动。

 

我们先看一张图。

 

 

通电导线在磁场中受洛伦兹力：像把电流向量转向磁场方向一样卷曲四指，大拇指所指的方向，就是通电导线受力方向。在此图中，先把四指顺着电流，也就是向右的方向，然后卷曲四指，使得四指可以转动到磁场方向，也就是垂直屏幕向里的方向，那么大拇指必然是朝上的，这就是此通电导线的受力方向。

 

其实在上图中，用左手更好判断力的方向，让磁感线穿过手心，四指指向电流的方向，那么大拇指所指的方向就是导线受力方向。

 

想象一下，如果有多根导线组成线圈，那么线圈受力：F=k*B*L*I*N，其中F=合力（N），k=力常数，B=磁通密度（Tesla），L=导线长度（m），I=电流（A），N=导线数目。

 

这就是直线电机运动的最基本原理，其实永磁旋转电机也是一样。

 

记住这个，后面你会看到这个基本原理的不同表现形式。

 

那么，洛伦兹力是如何在电机中发挥效果的？

 

我们先来看看最常用的空芯直线电机（Air Core Linear Motor），也叫做U型直线电机。

 

 

 

 

 

2. U型直线电机

 

U型直线电机有两个相对的平行磁道，线圈包裹在环氧树脂中，充当动力器，线圈组件是无铁的，需要通过轴承支撑在磁道中，来回运动。

 

因为线圈组件无铁，所以它和和磁轨之间不会产生吸引力，也不会产生干扰力，这种线圈组件的质量很轻，可以实现很高的加速度。

 

 传统T型设计和工字设计，相比于T型设计，工字形线圈，外形小巧，热效率更高，结构刚度更高。

 

 

U型直线电机磁场方向，以及通电时线圈和磁道受力示意图：上图是一个含有8对磁铁组件和三个线圈的直线电机，图示位置，电流朝里或者朝外，磁场是竖直方向，向下或者向上，根据导线在磁场中受力分析可知，线圈受力在左右方向。再结合位移传感器，实时监测线圈或者磁铁组件的位置，来更换通电线圈的相，比如是12，还是23，还是13线圈通电，来达到持续运动的效果。

 

 

直线电机常见的磁铁排列示意图：北极上下交替排列，以及Halbach排列。

 

 

磁铁Halbach排列及磁场示意图

 

 

 

常见直线电机磁铁排列方式，Halbach排列可以在单侧产生最高的磁场强度，从而增加电机出力。 

 

通常，线圈绕组为三相，通过无刷换向（电子换相）。由于磁体彼此相对，并容纳在U形通道中，因此这种电机磁通量泄漏小。

 

另外，因为磁道安装在固定件上，所以行程可以做得很长，唯一的限制是电缆管理和可用的编码器长度，以及加工大型扁平结构的能力。

 

当然，这种电机也有它的缺点，由于动力器由缠绕的线圈制成，并和环氧树脂保持在一起，因此大部分热量必须通过它及线圈安装板散发，少部分热量也可以通过气隙进入磁体轨道。这两个路径都具有较高的热阻，因此使电机的热管理变得困难。

 

另外线圈组件由线圈和环氧树脂制成，力在线圈上产生。这意味着所有施加的力都作用在绕组和环氧树脂上，与铁芯直线电机相比，这是一个薄弱的结构， 这种弱点限制了电机最大尺寸和出力。

 

由于热量和结构上的限制，这种类型的电动机每包装尺寸的力很小，另外双磁道设计，也占用了额外的空间。

 

 

3. 铁芯直线电动机

 

铁芯直线电机的线圈先安装到铁叠片上，然后再安装到铝制底座上。

 

铁叠片用于引导磁场，由于集中了绕组产生的磁场，铁芯电机增加了其出力性能。

 

同时，因为铁片的存在，在磁道和线圈组件之间存在吸引力，这种吸引力与电机产生的力成比例，可以将其用作空气轴承系统的预紧力，在选择其他导轨时，应当考虑这种力，它会增加轴承磨损。

 

另外，当铁片经过磁体，电机推力会发生变化，这称为齿槽效应，齿槽效应会影响低速平滑度（速度波动）。

 

不过，一些制造商已经开发出减小齿槽效应的方法，比如磁铁倾斜，从而缓解随着铁片越过磁铁移动时吸引力的变化，或者通过使用反馈和控制系统来补偿齿槽效应。

 

 单面铁芯直线电机及受力示意图：为了减少涡流损耗，铁芯采用层叠状结构，且主要由堆叠绝缘的变压器片制成。扁平省空间，线圈组中的铁芯使得线圈组与磁性组件之间产生吸引力，可以用于空气轴承的预压。不过吸引力会导致齿槽效应的发生，并进而导致进给力在行程范围内波动，专门设计的缘齿可优化齿槽效应。

 

  

双面铁芯直线电机示意图，可以产出更大的力，不过也占用更多的空间。

 

铁芯电动机除了具有产生很大推力的能力外，还具有很好的散热性能，重要原因是，由于绕组缠绕在铁叠片上（热传导快），因此散热效果极佳，另一方面，要归功于其相对开放的设计，没有封闭区域。

 

当然，很重要的是，扁平铁芯直线电机磁铁比U型两侧配置少，所以更便宜。

 

但是，这种设计会使它们容易受到污染，特别是金属屑或薄片，这些金属屑或薄片会被永久磁铁吸引，并可能损坏电机。

 

 

铁芯直线电动机具有较高的连续力和良好的散热性，非常适合压制，成型和机械加工应用，它们还擅长于需要施加高力，或高压力的高速测试。

 

 

4. 轴式直线电机

 

在这种电动机中，线圈和磁铁都呈圆柱状，磁铁通过圆柱不锈钢管包裹，或者穿过不锈钢轴形成磁铁组件，磁铁组件穿过线圈内孔，线圈相对磁铁组件在轴向运动。

 

线圈绕组通常由三相组成，使用霍尔效应器件，或者使用外部线性编码器，进行无刷换相。

 

电机仅由两部分组成，一个是磁轴，另一个是绕线线圈。由于其在线圈或磁铁轴中没有铁，所以可以提供无铁芯设计中所期望的精度和零齿槽效应。

 

 

 轴式直线电机的线圈构成出力器，提供上述铁芯电动机所期望的刚度。由于线圈完全包裹在磁体周围，因此可以有效利用所有磁通量。且允许较大的（0.5至2.5mm）标称环形气隙，这个气隙并不关键性，所以在整个设备行程中，随着气隙的变化，力不会发生变化。

 

 

（a）单根导线通电时，在磁场中受力示意图。（b）圆柱形直线电机磁场分布和导线通电时受力示意图。

 

 

如上面第一张图所示，三相圆柱形直线电机磁场向外发散，垂直于线圈。如中间剖视图所示，电流则垂直于屏幕，线圈和磁铁组件受力沿杆方向，也就是左右方向。

 

 

这种电机有很多优点：与传统类型的直线电机相比，重量更轻。无铁芯设计不会产生磁性齿槽。对气隙不敏感，0.5至5.0mm的非临界环形气隙，可轻松进行安装和对准。线圈包围磁体，从而可以充分利用磁通量。

 

缺点是相比U型和扁平铁芯直线电机，它更占空间，这种电机不适用于对磁通泄漏敏感的应用。

 

另外，因为这种电机唯一的支撑点是在末端，刚性有限，所以不能制作太长的行程。

 

 

5． 拓展

 

好了，到这里，我们明白了常用的三种直线电机工作原理。

 

细细回想一下，其实之前我们谈到的步进电机和直流永磁电机何尝不是这个原理。

 

通电导线受力示意图

 

 

通电导线受力，带动线圈组件转动。

 

 

旋转电机线圈受绕轴的切向力，产生绕轴的扭矩，发生旋转。

 

 

旋转电机线圈受绕轴的切向力，产生绕轴的扭矩，发生旋转。