运动控制：直线电机

一、什么是直线电机

直线电机，也叫做直线马达，线性马达，线性电机，上电后，直接做直线运动的电机。

二、直线电机的原理

把一个圆柱剪开，摊平就是一个矩形了，直线电机也是如此，传统的感应电机就是一个圆通型的，里面有很多线圈，沿着轴线缠绕，把这个圆筒剪开摊平，就可以看做是一个直线电机了，如下图所示：

在直线电机中，相当于旋转电机定子部分的叫初级，相当于旋转电机转子的部分叫次级。在初级中通电流，次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动。这个初级的长度就要根据所需要的行程来做了，行程要多长，初级就做多长。至于初级和次级谁作运动部件，谁作静止部件，商量着来都可以。

直线电机由旋转电机演变而来，当一次侧的绕组通入对称正弦交流电流时，会产生气隙磁场，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机是类似的，沿着直线方向按正弦规律分布。

三、直线电机的分类

按照工作原理可分为：直流、异步、同步、步进等

按结构形式可分为：单边扁平型，双边扁平型、圆盘型、圆筒形等

最常用的直线电机类型是平板式直线电机、U槽式直线电机、圆柱型直线电机

1、平板型直线电机：

平板式直线电机铁芯安装在钢叠片结构然后再安装到铝背板上，铁叠片结构用在指引磁场和增加推力。磁轨和动子之间产生的吸力和电机产生的推力成正比，叠片结构导致接头力产生。把动子安装到磁轨上时必须小心以免他们之间的吸力造成伤害。

2、U槽直线电机

U 型槽式直线电机有两个介于金属板之间且都对着线圈动子的平行磁轨。动子由导轨系统支撑在两磁轨中间。动子是非钢的，意味着无吸力且在磁轨和推力线圈之间无干扰力产生。非钢线圈装配具有惯量小，允许非常高的加速度。线圈一般是三相的，无刷换相。可以用空气冷却法冷却电机来获得性能的增强。也有采用水冷方式的。这种设计可以较好地减少磁通泄露因为磁体面对面安装在U形导槽里。这种设计也最小化了强大的磁力吸引带来的伤害。

3、圆柱形直线电机

圆柱形动磁体直线电机动子是圆柱形结构。沿固定着磁场的圆柱体运动。这种电机是最初发现的商业应用但是不能使用于要求节省空间的平板式和U 型槽式直线电机的场合。圆柱形动磁体直线电机的磁路与动磁执行器相似。区别在于线圈可以复制以增加行程。典型的线圈绕组是三相组成的，使用霍尔装置实现无刷换相。推力线圈是圆柱形的，沿磁棒上下运动。这种结构不适合对磁通泄漏敏感的应用。必须小心操作保证手指不卡在磁棒和有吸引力的侧面之间。

四、直线电机的优势

1、结构简单。直线电机不需要经过中间转换机构而直接产生直线运动，使结构大大简化，运动惯量减少，动态响应性能和定位精度大大提高；同时也提高了可靠性，节约了成本，使制造和维护更加简便。它的初次级可以直接成为机构的一部分，这种独特的结合使得这种优势进一步体现出来。

2、高加速度。这是直线电机驱动，相比其他丝杠、同步带和齿轮齿条驱动的一个显著优势。

3、适合高速直线运动。因为不存在离心力的约束，普通材料亦可以达到较高的速度。而且如果初、次级间用气垫或磁垫保存间隙，运动时无机械接触，因而运动部分也就无摩擦和噪声。这样，传动零部件没有磨损，可大大减小机械损耗，避免拖缆、钢索、齿轮与皮带轮等所造成的噪声，从而提高整体效率。

4、初级绕组利用率高。在管型直线感应电机中，初级绕组是饼式的，没有端部绕组，因而绕组利用率高。

5、无横向边缘效应。横向效应是指由于横向开断造成的边界处磁场的削弱，而圆筒型直线电机横向无开断，所以磁场沿周向均匀分布。

6、容易克服单边磁拉力问题。径向拉力互相抵消，基本不存在单边磁拉力的问题。

7、易于调节和控制。通过调节电压或频率，或更换次级材料，可以得到不同的速度、电磁推力，适用于低速往复运行场合。

8、适应性强。直线电机的初级铁芯可以用环氧树脂封成整体，具有较好的防腐、防潮性能，便于在潮湿、粉尘和有害气体的环境中使用；而且可以设计成多种结构形式，满足不同情况的需要。

五、直线电机的发展

1840年

Wheatsone开始提出和制作了略具雏形的直线电机。

1905年

曾有两人分别建议将直线电动机作为火车的推进机构，一种建议是将初级放在轨道上，另一种建议是将初级放在车辆底部。这些建议无疑是给当时直线电机研究领域的科研人员的一剂兴奋剂，以致许多国家的科研人员都投入了这些研究工作。1917年出现了第一台圆筒形直线电动机，事实上那是一种具有换接初级线圈的直流磁阻电动机，人们试图把它作为导弹发射装置，但其发展并没有超出模型阶段。

1940年-1955年

世界一些发达国家科研人员，在实验的基础上，又进行了一些实验应用工作。1945年，美国西屋电气公司首先研制成功的电力牵引飞机弹射器，它以7400kW的直线电动机为动力，成功地用4.1s的时间将一架重4535kg，的喷气式飞机在165m的行程内由静止加速到188km/h的速度，它的试验成功，使直线电动机可靠性好等优点受到了应有的重视，随后，美国利用直线电机制成了用作抽汲钾、钠等液态金属的电磁泵，为的是核动力中的需要。1954年，英国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直流直线电机制成了发射导弹的装置，其速度可达1600km/h。在这个阶段中，尤需值得一提的是，直线电机作为高速列车的驱动装置得到了各国的高度重视并计划予以实施。

1965年

随着控制技术和材料性能的显著提高，应用直线电机的实用设备被逐步开发出来，例如采用直线电机的MHD泵、自动绘图仪、磁头定位驱动装置、电唱机、缝纫机、空气压缩机、输送装置等。

1971年至今

从1971年开始到目前的这个阶段，直线电机终于进入了独立的应用时代，在这个时代，各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置和产品，例如直线电机驱动的钢管输送机、运煤机、起重机、空压机、冲压机、拉伸机、各种电动门、电动窗、电动纺织机等等。特别可喜的是利用直线电机驱动的磁悬浮列车，其速度已超500km/h，接近了航空的飞行速度，且试验行程累计已达数十万千米。

近年来，随着自动控制技术和微型计算机的高速发展，对各类自动控制系统的定位精度提出了更高的要求，世界许多国家都在研究、发展和应用直线电机，使得直线电机技术发展速度加快，直线电机的应用领域越来越广。在国内，专注直线电机、音圈电机研发和生产的企业不是很多，像昆山同茂电机就是其中一家起步比较早的、技术相对比较成熟的直线电机、音圈电机生产厂家。

六、直线电机的应用

1、无铁芯U型直线电机应用于XY两轴运动平台

2、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，光栅尺和读头在中央，导轨分布在光栅尺两侧。

铁芯直线电机结构示意图（IronCore Liner Motor Diagram）

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，而磁铁排列在U型板两侧。

空芯直线电机结构示意图（AirCore Linear Motor）

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。

轴式电机结构示意图

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。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。

七、直线电机工作原理

1、回顾中学的知识：洛伦兹力

三种电机的在形式上有差异，但是运动的原理是一样的，本质上都是通电导线在磁场中受洛伦兹力而发生运动

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。

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，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。

2、回顾步进和永磁电机的工作原理

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

洛伦兹力是如何在电机中发挥效果的？

3、U形直线电机，也就是空芯直线电机工作原理

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。

4、U形电机的不同设计方式

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：下图是一个含有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

磁铁排列情况及磁感线示意图

5、基本Halbach排列示意图

6、磁铁Halbach排列及磁场示意图

图示的Halbach排列再顶部具有非常强的磁场，比单纯上下交替排列磁铁有更强的磁场强度，但是Halbach排列，在底部具有非常弱的磁场（箭头表示磁铁北极方向）

左侧显示单个磁铁，北极始终朝上，由色标指示的场强再磁铁的顶部和底部同样强。相反，右图所示的Halbach排列再顶部具有非常强的磁场，在底部具有非常弱的磁场。

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。

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。

7、铁芯直线电机的工作原理

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。

铁芯直线电机框图

铁芯直线电机受力分析

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

双面铁芯直线电机可以产出更大的力，但是也占用更多的空间。

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。

8、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，使用霍尔器件，或者使用线性编码器，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。