直线电机设计基础

文章类型：行业知识  文章来源：本站原创  发布时间：2020/4/14

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



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。
  VLP0020-0160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。
  下图表示的是典型的平板直线电机的结构。图中的灰色的部分是底板， 黄色的方块为一块块的永磁体，黄色和灰色部分组成了直线电机的定子。相 邻两个永磁体的极性是相反的，所以磁力线的分布如图中所示。黄色的点表示次级线圈中导线的横截面。
  可以看到导线的方向基本垂直于磁力线的方向，当导线中通过电流时， 会产生安培力。由左手定则可以得知，根据导线中电流方向的不同，可以使 线圈产生向左或者向右的力。这个力就是使直线电机直接做直线运动的推力。



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）
——一对磁极所占的长度，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& O)
•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。



 

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