常見直線電機(jī)分類和性能對(duì)比研究

陸愛國(guó)

摘 要：直線電機(jī)優(yōu)越的特性已經(jīng)為人們熟知，隨著自動(dòng)化程度的提高和高精度、高速度的需求，直線電機(jī)開始逐漸普及應(yīng)用。本文從直線電機(jī)的分類切入，綜合討論了AC直線電機(jī)、DC直線電機(jī)、有鐵心直線電機(jī)、無鐵心直線電機(jī)等各類直線電機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和差異。對(duì)實(shí)際應(yīng)用最廣泛的AC同步直線（LSM）中的平板型直線電機(jī)、U型直線電機(jī)、磁軸型直線電機(jī)進(jìn)行深入對(duì)比，最后提供了一種應(yīng)用選型計(jì)算的方法。通過系統(tǒng)分析各類直線電機(jī)的特性及適宜的應(yīng)用場(chǎng)合，為更好地應(yīng)用和選型提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：直線電機(jī);磁軸型直線電機(jī);選型分析;性能評(píng)價(jià)

0 引言

現(xiàn)今，自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)χ本€電機(jī)的使用越來越重視，其高速、高精度的特點(diǎn)被認(rèn)可，替代旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的趨勢(shì)也非常地顯著。在技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用多樣化需求日益增多的現(xiàn)況下，常見的旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)加絲杠傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)不能滿足設(shè)備越來越高的要求。直線電機(jī)的產(chǎn)生恰恰可以彌補(bǔ)絲杠傳動(dòng)的這些不足，因此近些年來直線電機(jī)的使用以每年20%～30%的增長(zhǎng)速度不斷地應(yīng)用于各種自動(dòng)化設(shè)備上。然而直線電機(jī)種類較多，不同類型的直線電機(jī)有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合，本文將重點(diǎn)論述各類直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理和特性。

1 直線電機(jī)類型

市場(chǎng)上常見的直線電機(jī)從節(jié)約材料增加推力的角度區(qū)分可以分為有鐵心和無鐵心直線電機(jī);從外形結(jié)構(gòu)上區(qū)分可分為平板型、U型、軸型（磁軸型）;從驅(qū)動(dòng)電源角度區(qū)分可分為交流（AC）和直流（DC）直線電機(jī)。

以上分類中AC直線同步電機(jī)有各種不同的構(gòu)造特點(diǎn)，其中平板型和軸型的結(jié)構(gòu)差異最大。同時(shí)又區(qū)分為有鐵心和無鐵心的結(jié)構(gòu)，然而軸型電機(jī)在市場(chǎng)上很難看到有鐵心的軸型電機(jī)。由于有鐵心直線電機(jī)的多個(gè)缺點(diǎn)限制，在自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)中無鐵心的直線電機(jī)的使用更為廣泛。

2 直線電機(jī)的差異

2.1 與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的差異

直線電機(jī)可以看作是旋轉(zhuǎn)電機(jī)將圓形的結(jié)構(gòu)切開一邊展開的形狀。旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)最重要的幾點(diǎn)差異在于：旋轉(zhuǎn)電機(jī)可以連續(xù)地單向旋轉(zhuǎn)，直線電機(jī)受長(zhǎng)度或空間的影響不能連續(xù)單方向運(yùn)行;旋轉(zhuǎn)電機(jī)的齒輪傳動(dòng)、絲杠傳動(dòng)存在傳動(dòng)效率的影響，在勻速段電機(jī)處于恒功率輸出，直線電機(jī)是直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的，勻速運(yùn)動(dòng)段時(shí)間非常少，能量的消耗主要是加減速的時(shí)候。

旋轉(zhuǎn)電機(jī)功率的計(jì)算公式：

P=Ω*T=2∏/60*N*T

P為功率，單位w;N為電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位rpm;T為轉(zhuǎn)矩，單位N·m。

直線電機(jī)功率的計(jì)算公式：

P=V/60*F

V為線速度，單位m/min;F為推力，單位N。

直線電機(jī)的運(yùn)行長(zhǎng)度有限，形成往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，在選型時(shí)考慮電機(jī)的額定電流即額定推力。直線電機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間以額定電流運(yùn)行時(shí)電機(jī)會(huì)發(fā)熱升溫，電機(jī)因?yàn)橹苯舆B接負(fù)載會(huì)引起變形，因此考慮所使用電機(jī)的額定電流的大小即負(fù)載率就非常重要。

旋轉(zhuǎn)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩通常是3倍左右的關(guān)系（與馬達(dá)設(shè)計(jì)有關(guān)）。直線電機(jī)的瞬間最大推力或最大電流，主要取決于磁鐵的磁通衰減及電流過大對(duì)線圈絕緣層損壞的影響。

2.2 DC直線電機(jī)

直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)原理是基于電磁場(chǎng)的相互作用，即安培法則，又稱右手螺旋定律，右手握住通電線圈四指是電流的方向，大拇指所指的是磁場(chǎng)方向N極。左手定律是判斷力的方向，手心是磁場(chǎng)進(jìn)入的方向，四指是電流的方向，大拇指是力的方向。力的計(jì)算公式：

F=BIL

F——安倍力 牛頓（N）

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度 特斯拉（T）

L——作用在磁場(chǎng)下的線圈長(zhǎng)度 米（m）

DC直線電機(jī)在分類中只有音圈直線電機(jī)（VCM）這一種，以下對(duì)VCM電機(jī)做一說明。

音圈電機(jī)（VCM）顧名思義它的原理與喇叭的動(dòng)作磁場(chǎng)回路相似，與喇叭最主要的差異是可動(dòng)部分（動(dòng)子）兩端固定。

音圈電機(jī)（VCM）作為直線電機(jī)的一種，最大的特點(diǎn)是精度、高速響應(yīng)性能都比其他類型的直線電機(jī)好。但是行程長(zhǎng)度是最大的缺陷，由于音圈電機(jī)（VCM）的芯棒引起磁飽和推力不能穩(wěn)定，往返的推力是有差異的，另外芯棒越長(zhǎng)磁鐵的吸引力越不能承受，因此制約了音圈電機(jī)（VCM）的行程，也限制了應(yīng)用范圍。

從原理上看，DC直線電機(jī)中（VCM）只要更換正負(fù)極通電順序就可以改變電機(jī)的方向，電流（推力）波動(dòng)很小因此精度很高，缺點(diǎn)是行程很短。

2.3 直線平板電機(jī)

在工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品中最常見的直線馬達(dá)主要以直線同步電機(jī)（Linear Synchronous Motor，LSM）為主，當(dāng)然也有直線感應(yīng)電機(jī)（Linear Induction Motor，LIM）。但是直線電機(jī)主要用于往返運(yùn)動(dòng)頻繁的工作場(chǎng)合，LIM電機(jī)以感應(yīng)方式誘導(dǎo)電機(jī)運(yùn)行，頻繁往返運(yùn)動(dòng)無法誘導(dǎo)電機(jī)運(yùn)行會(huì)造成失速、丟步現(xiàn)象，而且效率很低發(fā)熱嚴(yán)重，直線電機(jī)直接作用于工作臺(tái)下面，發(fā)熱較大將丟失精度，必須要增加成本解決散熱才能使用，因此基本沒有LIM電機(jī)的應(yīng)用。

直線平板電機(jī)是LSM電機(jī)的一種，LSM電機(jī)運(yùn)用永久磁鐵從而達(dá)到更高的效率。直線電機(jī)細(xì)分為有鐵心和無鐵心電機(jī)。一般把直線電機(jī)永久磁鐵的一邊稱為定子，通電線圈的一邊稱為動(dòng)子。在實(shí)際應(yīng)用中直線電機(jī)是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，如果把線圈（動(dòng)子）固定，磁鐵（定子）就可以移動(dòng)。把磁鐵（定子）固定，線圈（動(dòng)子）就可移動(dòng)。一般情況下線圈（動(dòng)子）移動(dòng)的較多，因?yàn)榫€圈的重量通常比永久磁鐵的重量要輕。從減少自身負(fù)載的角度考慮，線圈（動(dòng)子）移動(dòng)比較合理。但線圈移動(dòng)的缺點(diǎn)是通電線圈必須要有引線，線纜在往復(fù)移動(dòng)時(shí)容易折斷，所以對(duì)線纜的折彎角度和折彎次數(shù)有要求，反之則沒有此問題。

圖1所示為平板型有鐵心直線同步電機(jī)（LSM）的構(gòu)造。從這個(gè)構(gòu)造中可以看出用安培法則線圈U、V、W按順序通電產(chǎn)生與磁鐵的吸引與排斥的交替變化，從而使線圈往一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。UVW的通電順序近似交流（AC）正弦波型，因此平板電機(jī)是AC直線電機(jī)的一種。平板型直線電機(jī)（LSM）的線圈（動(dòng)子）與磁鐵（定子）間的氣隙大小影響推力的變化，對(duì)平行度的要求就比較高了。

線圈中鐵心和磁鐵間的靜態(tài)吸引力非常大，使動(dòng)子和定子發(fā)生變形。為了解決吸引力的問題，近年來又出現(xiàn)把線圈放在中間，兩邊為磁鐵的U型有鐵心直線電機(jī)。另外，鐵心產(chǎn)生渦流損耗，使電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，散熱處理也是要重點(diǎn)解決的難題。

2.4 直線U型電機(jī)

直線U型無鐵心電機(jī)的結(jié)構(gòu)是線圈在上下永磁體之間，線圈（動(dòng)子）一側(cè)與工作臺(tái)固定帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。線圈處于永磁體之間，線圈位置上下變動(dòng)不影響合成推力，因此使用時(shí)安裝相對(duì)比較方便。但是總的氣隙不能夠太大，氣隙的大小影響推力。為盡可能把總氣隙減小提高推力，線圈就不得不做成扁平型，這樣又影響了整體剛性。剛性下降在高速移動(dòng)時(shí)容易引起振動(dòng)，在超高精度領(lǐng)域的使用就受到剛性的限制。

U型直線電機(jī)UVW線圈在一個(gè)磁節(jié)距（N到N）之間相位相差120o，也是正弦波I*sinθ控制，因此也是AC電機(jī)的一種。改變UVW的通電相序就能改變電機(jī)的運(yùn)行方向。電機(jī)采用無鐵心結(jié)構(gòu)因此安裝方便，推力波動(dòng)小，缺點(diǎn)是電機(jī)動(dòng)子（線圈）扁平結(jié)構(gòu)連接負(fù)載時(shí)剛性較差，因此適合高精度、速度響應(yīng)相對(duì)較低的設(shè)備。

2.5 直線磁軸電機(jī)

音圈電機(jī)（VCM）的有效行程長(zhǎng)度短，平板型有鐵心吸引力大和推力波動(dòng)大，直線U型電機(jī)線圈扁平剛性低等。結(jié)合以上各類型直線電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，下述直線磁軸型電機(jī)為無鐵心同步直線電機(jī)（LSM），線圈（動(dòng)子）和永磁體（定子）之間沒有靜態(tài)吸引力，加上線圈為中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)（圖2直線磁軸電機(jī)結(jié)構(gòu)示意），剛性高，應(yīng)用于超高精度場(chǎng)合不存在剛性問題。高剛性的原因更適合于高加速的應(yīng)用場(chǎng)合。

直線磁軸型電機(jī)的原理可以用弗萊明法則理解，四指的方向?yàn)殡娏鞯姆较?，磁?chǎng)穿過手心，大拇指的方向指向力的方向。線圈（動(dòng)子）和磁軸（定子）之間沒有鐵心，這樣就實(shí)現(xiàn)了無鐵心設(shè)計(jì)和零齒槽效應(yīng)。而環(huán)形線圈能方便地固化，能有效地保證與負(fù)載工作臺(tái)的剛性。直線磁軸型電機(jī)為非接觸式，因?yàn)榫€圈環(huán)繞了永磁體，所以所有磁場(chǎng)都被有效地利用，這樣形成的環(huán)形氣隙可以控制在0.5～1.5mm之間。也就是說隨著行程氣隙的變化，總推力幾乎不變，相比其他直線電機(jī)能實(shí)現(xiàn)更大的推力和更高的效率。

3 各類直線電機(jī)對(duì)比和選型

直線感應(yīng)電機(jī)（LIM）適用于大推力的場(chǎng)合，對(duì)于往復(fù)高速響應(yīng)、精確位置定位的場(chǎng)合不能使用，用排除法先將這類電機(jī)排除。從上文討論中可以看出，從高速高精度的角度出發(fā)DC直線電機(jī)的性能最優(yōu)，直線同步電機(jī)（LSM）類似于旋轉(zhuǎn)DC無刷電機(jī)，因此直線同步電機(jī)（LSM）的性能更接近于DC直線電機(jī)。但是，DC直線電機(jī)中音圈電機(jī)（VCM）的性能雖然最好，有效行程最多能做到100mm左右，因此無法廣泛應(yīng)用。

綜上所述，比較的對(duì)象確定為直線同步電機(jī)中的直線有鐵心平板電機(jī)、直線無鐵心U型電機(jī)、直線無鐵心磁軸型電機(jī)3種類型。表1為三類直線電機(jī)的特點(diǎn)對(duì)比。

從表1可以看出，平板型直線電機(jī)因?yàn)橛需F心的原因，在體積一定的情況下容易獲得大推力。平板型直線電機(jī)和磁軸型直線電機(jī)更容易獲得大的推力，高剛性和高響應(yīng)的場(chǎng)合更加適用。但在超高精度要求的場(chǎng)合因?yàn)闆]有鐵心的原因U型直線電機(jī)和磁軸型直線電機(jī)更加合適。如在超高精度10nm以上和高響應(yīng)的場(chǎng)合，動(dòng)子的剛性是設(shè)備精度的重要因素，磁軸直線電機(jī)就更加體現(xiàn)出優(yōu)越性能。平板型因?yàn)橛需F心的原因推力波動(dòng)較大，無鐵心U型直線電機(jī)又因?yàn)閯?dòng)子扁平單邊剛性不夠而不適合。

實(shí)際應(yīng)用中除了考慮上述直線電機(jī)的性能特點(diǎn)之外，需要計(jì)算有效推力（Frms）、最大推力（Fmax），還要考慮直線電機(jī)線圈（動(dòng)子）本身的重量。常用的計(jì)算順序如下：

（1）先選擇一個(gè)參考直線電機(jī)作為選型用參數(shù)

FL=μ×（ML+MP）g+Fn

FL——負(fù)載所需推力N

μ——摩擦系數(shù)

ML——負(fù)載重量kg

Mp——參考直線電機(jī)線圈（動(dòng)子）重量kg

Fn——導(dǎo)軌阻力或外部阻力

（2）確定所需運(yùn)行模型，繪制推力特性曲線，由運(yùn)行模式的Vm（最大運(yùn)行速度）、tAC及tDC（加減速時(shí)間）繪制輸出推力特性曲線。

（3）計(jì)算TAC及TDC極限加減速所需時(shí)間

TAC（TDC）=K×Vm×（ML+MP）/（Fm-FL）

Fm——參考直線電機(jī)最大推力

Vm——實(shí)際最大移動(dòng)速度

K——安全系數(shù)（1.2～1.3）

TAC（TDC）≦tAC及tDC（加減速時(shí)間）

如果極限加減速時(shí)間小于設(shè)定的目標(biāo)加減速時(shí)間，則可以按運(yùn)行模型運(yùn)行，所選電機(jī)正確，否則更換電機(jī)。

（4）計(jì)算加減速時(shí)所需推力FAC、FDC

FAC、FDC=Vm/tAC（tDC）×（ML+MP）±FL

（5）計(jì)算實(shí)際推力（Frms）

計(jì)算運(yùn)行模式1個(gè)循環(huán)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩。

將各實(shí)際輸出推力的平方與輸出時(shí)間之積相加，再將所得之和除以1個(gè)循環(huán)的時(shí)間，然后開平方，所得平方根值為實(shí)際推力值。

Frms≦80%Fr（參考電機(jī)額定推力的80%，考慮電機(jī)發(fā)熱和額外的負(fù)載變動(dòng)）

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，如果實(shí)際推力小于80%的參考電機(jī)額定推力，則可以按指定的運(yùn)行模式連續(xù)運(yùn)行，所選電機(jī)正確，否則更換電機(jī)。

4 總結(jié)

對(duì)各類直線電機(jī)從原理及結(jié)構(gòu)上展開了分析。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，高速、高精度且行程100mm以下負(fù)載重量非常小的可以選擇音圈電機(jī)。負(fù)載重量較大50kg以上不屬于超高精度的場(chǎng)合可以選擇有鐵心平板型直線電機(jī)，但要注意安裝時(shí)電機(jī)動(dòng)定子的吸引力及對(duì)導(dǎo)軌的磨損。如果應(yīng)用于高速或高精度、超高精度，負(fù)載50kg以下時(shí)可以選擇無鐵心U型直線電機(jī)或磁軸直線電機(jī)，這兩者的區(qū)別在于剛性要求更高、響應(yīng)更快、精度更高的場(chǎng)合要選擇磁軸型直線電機(jī)。換言之，磁軸直線電機(jī)的適應(yīng)范圍更廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪旭東，史凱寧，許孝卓，等.基于模糊隨機(jī)PWM技術(shù)的永磁直線電機(jī)性能分析[J].傳感器與微系統(tǒng)，2019，38（12）：21-24.