直線電機是一種直接驅動運動技術，采用旋轉電機的定子和轉子概念，并將其展開為線性配置。雖然這不是一項新技術，但過去幾十年的進步 - 包括提高效率，更高功率密度和更先進的控制 - 使這種驅動類型成為高精度運動控制解決方案的理想選擇。在需要精確運動控制的應用中日益普及和使用也引起了該技術成本的降低，并使得線性電動機成為許多應用的更經濟的選擇。

隨著技術的發展，選件和配置的數量也在增加，每種類型的線性電機都具有完全不同的性能特征。雖然這擴大了直線電機可滿足的要求數量，但也可能使指定最合適的產品更具挑戰性。

為了簡化這一過程，我們首先解釋直接驅動直線電機的機械結構，并將其與更傳統的間接驅動系統進行對比。在此基礎上，我們將研究不同類型的直線電機，突出其優點，幫助確定各種適用的應用類型。最后，我們將介紹Zaber直接驅動直線電機設備提供的一些獨特優勢。圖1是帶有集成控制器和驅動器的直線模組的示例。

圖1：帶有內置控制器，驅動器和線性編碼器的直線模組

直線電機與旋轉電機

為了解釋直線電機，首先簡要介紹一下電機。電動機通過產生與另一磁場相互作用的電磁場產生運動，該磁場通常由永磁體產生。通過控制線圈（也稱為繞組）中的電流來改變電磁場，以便控制運動。

電機的旋轉部分稱為“轉子”，靜止部分稱為“定子”。Zaber使用無刷電機，其中永磁體是轉子的一部分，繞組構成定子，如圖2a所示。永久電動機可以具有少至兩個極（即北極和南極），但通常具有兩個極中的一些。隨著到線圈的電流變化，磁場循環通過其吸引磁極，引起旋轉。

對于線性電動機，定子和轉子都是相互在線的。想象一下未軋制的電機，如圖2b所示，產生一個扁平的線性電機，如圖2c所示。它們究竟是如何布置的，以及哪些部件移動而不是固定的，決定了直線電機的類型。電流通過的線圈通常稱為線性電機的“強制器”。不是產生扭矩，而是隨著電流變化到壓力機而產生沿平臺行程長度的線性力。

直接驅動與間接驅動

當旋轉馬達用于運動控制裝置時，通常旋轉不是實際需要的那種運動; 任何或所有方向，速度和力可能需要不同。為了改變運動方向，使用機械部件，例如齒輪，導螺桿或滾珠絲杠，連接器，皮帶和皮帶輪。這些組件中的每一個都會在系統中引入摩擦或不準確，從而降低效率并限制精度。我們可以稱之為“間接驅動”系統。這些系統可以使用位置反饋來提高精度，但可以使用各種不同的編碼器和電機類型，并且可以在沒有位置反饋的情況下運行。

相比之下，使用直線電機的設備稱為“直接驅動”，因為它們在電機力和所需行程之間沒有機械轉換。這確保了最大的效率和精度，但也意味著必須選擇具有適當規格的合適的電動機，因為沒有機構來放大力或延長電動機的行程范圍。此外，雖然線性電機能夠產生精確和精確的運動，但它們需要同樣精確的位置反饋（使用線性編碼器）和帶伺服控制回路的高級驅動器，以便從驅動器中獲得最佳性能。

通過消除線性級中的機械轉換組件，直接驅動設備通常能夠提供：

較小的最小增量移動

由于效率更高，加速度更高，速度更快

零反彈

精度更高

由于驅動機構中的零摩擦，使用壽命更長

雖然這些特性使直接驅動設備成為許多定位和運動控制應用的理想選擇，但有些考慮因素是間接驅動選項可能更合適，因為直接驅動設備：

缺乏“斷電”穩定性

可以在負載處產生大量熱量并需要溫度管理（例如限制占空比）

有更高的價格

可能比具有類似推力的間接驅動裝置大

不同種類的直線電機

存在不同類型的線性電動機，因為每個線性電動機都會損害性能的一個方面以便在另一個方面表現優異。有四個主要屬性，其中存在性能折衷：磁通密度，磁通泄漏，移動質量和齒槽轉矩。

通量密度是可以在特定空間內產生的磁場的大小。高通量密度裝置提供優越的力或在更緊湊的尺寸中允許類似的力。

磁通泄漏是電機內電場容量的指標。低通量泄漏通常是優選的，以防止磁場影響系統的其他部件。磁通泄漏還表明電動機的電效率較低。

移動質量是電機運動部件的質量。較高的移動質量意味著兩個電機的加速度較低，每個電機具有相同的力輸出。

齒槽力（也稱為制動力）存在于使用鐵的任何線性馬達中，并且是鐵對永磁體的吸引力。當電動機通電并移動時，會在行程范圍內產生周期性的力波動。

除了這四個主要屬性之外，尺寸和成本也因可用的不同解決方案而異。

在短篇文章中涵蓋所有類型或配置的線性電機具有挑戰性，因此以下部分將重點介紹與高精度定位系統相關的三個區別特征：

（1）平面與U形電機軌道，

（2）動圈與動磁鐵軌道，以及

（3）鐵芯與無鐵靴。請記住，大多數（但不是全部）直線電機由相同的主要部件組成：內襯永久磁鐵的磁鐵軌道，壓力機和高分辨率線性編碼器。

平面與U形

扁平線性電動機，如圖3a所示，具有單個磁軌。它們通常具有較低的輪廓和較低的成本，因為它們僅需要一個磁軌。扁平線性電動機通常具有較高的磁通泄漏和較低的力重比。如圖3b所示，U形電動機具有與第一磁軌相對的附加磁軌，其中壓頭在軌道之間移動。

圖3a：扁平直線電機。                                                             圖3b：U形線性馬達。

移動線圈與移動磁鐵軌道

在無刷旋轉電動機中，繞組通常是定子，因為如果它們是移動轉子的一部分，則到達它的導線將卷起。在直線電機中，這不是一個考慮因素; 行程是有限的和線性的，所以到強迫器的電線不能卷起來。雖然壓力機可以是固定的“定子”，但也可以在壓力機移動的位置設置直線電機。通常，這兩種系統稱為動圈或動磁軌道電動機。

如圖4a所示，動圈式線性馬達通常用于較長的行走裝置，以保持較低的移動質量。任何線性電機級的行程都限于其磁道的長度。對于短行程階段，磁軌也很短，這使其保持相對較輕并適合于移動的磁軌平臺。對于長行程階段，磁軌很長并且變得非常重，并且移動線圈更有意義。動圈式線性馬達的缺點是，到壓頭的電纜也總是在移動，因此需要進行電纜管理。通常，動圈式線性馬達具有較低的移動質量以獲得更大的加速度。

          圖4a：移動線圈。

對于行程范圍有限的要求，移動磁道系統（如圖4b所示）可能更好，因為它們能夠實現更高的精度。這是可能的，因為電動機的移動部分是電和熱解耦的，這意味著它更熱穩定并且具有更少的電噪聲。固定式壓腳在電流流過時會加熱，安裝在系統的底座上，作為散熱器，確保整個系統具有更好的熱穩定性。

        圖4b：移動磁道。

鐵心vs無鐵

典型的鐵芯電機有一個安裝在壓頭上的鐵背板，線圈纏繞在鐵疊片上，如圖5a和圖5b所示。在壓頭上加鐵可以減少漏磁，增加磁通密度和力輸出。向電動機添加鐵還會引入齒槽力，以及由于對永磁體的吸引力而對軸承的負載。鐵芯配置的變型稱為無槽鐵芯，其中壓頭的線圈不纏繞鐵疊片。這有助于減輕齒槽力，但也會降低磁通密度。沒有鐵芯的電動機被稱為無鐵心直線電動機，如圖5c和圖5d所示，當速度穩定性比高力更重要時可以使用。無鐵芯直線電機還可在整個行程中實現更均勻的力分布。對于動圈式直線電機，鐵芯可能很重，因此無鐵制的推進器可提供較低的移動質量。

圖5a：扁平鐵芯線性電動機的側視圖。                               圖5b：觀察扁平的鐵芯直線電機。

圖5c：U形無鐵芯線性馬達的側視圖。                               圖5d：觀察U形無鐵芯直線電機。

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結論

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