直線(xiàn)電機是一種直接驅動(dòng)運動(dòng)技術(shù)，采用旋轉電機的定子和轉子概念，并將其展開(kāi)為線(xiàn)性配置。雖然這不是一項新技術(shù)，但過(guò)去幾十年的進(jìn)步 - 包括提高效率，更高功率密度和更先進(jìn)的控制 - 使這種驅動(dòng)類(lèi)型成為高精度運動(dòng)控制解決方案的理想選擇。在需要精確運動(dòng)控制的應用中日益普及和使用也引起了該技術(shù)成本的降低，并使得線(xiàn)性電動(dòng)機成為許多應用的更經(jīng)濟的選擇。
隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，選件和配置的數量也在增加，每種類(lèi)型的線(xiàn)性電機都具有完全不同的性能特征。雖然這擴大了直線(xiàn)電機可滿(mǎn)足的要求數量，但也可能使指定最合適的產(chǎn)品更具挑戰性。
為了簡(jiǎn)化這一過(guò)程，我們首先解釋直接驅動(dòng)直線(xiàn)電機的機械結構，并將其與更傳統的間接驅動(dòng)系統進(jìn)行對比。在此基礎上，我們將研究不同類(lèi)型的直線(xiàn)電機，突出其優(yōu)點(diǎn)，幫助確定各種適用的應用類(lèi)型。最后，我們將介紹Zaber直接驅動(dòng)直線(xiàn)電機設備提供的一些獨特優(yōu)勢。圖1是帶有集成控制器和驅動(dòng)器的直線(xiàn)模組的示例。
圖1：帶有內置控制器，驅動(dòng)器和線(xiàn)性編碼器的直線(xiàn)模組
直線(xiàn)電機與旋轉電機
為了解釋直線(xiàn)電機，首先簡(jiǎn)要介紹一下電機。電動(dòng)機通過(guò)產(chǎn)生與另一磁場(chǎng)相互作用的電磁場(chǎng)產(chǎn)生運動(dòng)，該磁場(chǎng)通常由永磁體產(chǎn)生。通過(guò)控制線(xiàn)圈（也稱(chēng)為繞組）中的電流來(lái)改變電磁場(chǎng)，以便控制運動(dòng)。
電機的旋轉部分稱(chēng)為“轉子”，靜止部分稱(chēng)為“定子”。Zaber使用無(wú)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(dòng)機可以具有少至兩個(gè)極（即北極和南極），但通常具有兩個(gè)極中的一些。隨著(zhù)到線(xiàn)圈的電流變化，磁場(chǎng)循環(huán)通過(guò)其吸引磁極，引起旋轉。
對于線(xiàn)性電動(dòng)機，定子和轉子都是相互在線(xiàn)的。想象一下未軋制的電機，如圖2b所示，產(chǎn)生一個(gè)扁平的線(xiàn)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(dòng)而不是固定的，決定了直線(xiàn)電機的類(lèi)型。電流通過(guò)的線(xiàn)圈通常稱(chēng)為線(xiàn)性電機的“強制器”。不是產(chǎn)生扭矩，而是隨著(zhù)電流變化到壓力機而產(chǎn)生沿平臺行程長(cháng)度的線(xiàn)性力。
直接驅動(dòng)與間接驅動(dòng)
當旋轉馬達用于運動(dòng)控制裝置時(shí)，通常旋轉不是實(shí)際需要的那種運動(dòng); 任何或所有方向，速度和力可能需要不同。為了改變運動(dòng)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(gè)都會(huì )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(chēng)之為“間接驅動(dòng)”系統。這些系統可以使用位置反饋來(lái)提高精度，但可以使用各種不同的編碼器和電機類(lèi)型，并且可以在沒(méi)有位置反饋的情況下運行。
相比之下，使用直線(xiàn)電機的設備稱(chēng)為“直接驅動(dòng)”，因為它們在電機力和所需行程之間沒(méi)有機械轉換。這確保了最大的效率和精度，但也意味著(zhù)必須選擇具有適當規格的合適的電動(dòng)機，因為沒(méi)有機構來(lái)放大力或延長(cháng)電動(dòng)機的行程范圍。此外，雖然線(xiàn)性電機能夠產(chǎn)生精確和精確的運動(dòng)，但它們需要同樣精確的位置反饋（使用線(xiàn)性編碼器）和帶伺服控制回路的高級驅動(dòng)器，以便從驅動(dòng)器中獲得最佳性能。
通過(guò)消除線(xiàn)性級中的機械轉換組件，直接驅動(dòng)設備通常能夠提供：
較小的最小增量移動(dòng)
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(dòng)機構中的零摩擦，使用壽命更長(cháng)
雖然這些特性使直接驅動(dòng)設備成為許多定位和運動(dòng)控制應用的理想選擇，但有些考慮因素是間接驅動(dòng)選項可能更合適，因為直接驅動(dòng)設備：
缺乏“斷電”穩定性
可以在負載處產(chǎn)生大量熱量并需要溫度管理（例如限制占空比）
有更高的價(jià)格
可能比具有類(lèi)似推力的間接驅動(dòng)裝置大
不同種類(lèi)的直線(xiàn)電機
存在不同類(lèi)型的線(xiàn)性電動(dòng)機，因為每個(gè)線(xiàn)性電動(dòng)機都會(huì )損害性能的一個(gè)方面以便在另一個(gè)方面表現優(yōu)異。有四個(gè)主要屬性，其中存在性能折衷：磁通密度，磁通泄漏，移動(dòng)質(zhì)量和齒槽轉矩。
通量密度是可以在特定空間內產(chǎn)生的磁場(chǎng)的大小。高通量密度裝置提供優(yōu)越的力或在更緊湊的尺寸中允許類(lèi)似的力。
磁通泄漏是電機內電場(chǎng)容量的指標。低通量泄漏通常是優(yōu)選的，以防止磁場(chǎng)影響系統的其他部件。磁通泄漏還表明電動(dòng)機的電效率較低。
移動(dòng)質(zhì)量是電機運動(dòng)部件的質(zhì)量。較高的移動(dòng)質(zhì)量意味著(zhù)兩個(gè)電機的加速度較低，每個(gè)電機具有相同的力輸出。
齒槽力（也稱(chēng)為制動(dòng)力）存在于使用鐵的任何線(xiàn)性馬達中，并且是鐵對永磁體的吸引力。當電動(dòng)機通電并移動(dòng)時(shí)，會(huì )在行程范圍內產(chǎn)生周期性的力波動(dòng)。
除了這四個(gè)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(lèi)型或配置的線(xiàn)性電機具有挑戰性，因此以下部分將重點(diǎn)介紹與高精度定位系統相關(guān)的三個(gè)區別特征：
（1）平面與U形電機軌道，
（2）動(dòng)圈與動(dòng)磁鐵軌道，以及
（3）鐵芯與無(wú)鐵靴。請記住，大多數（但不是全部）直線(xiàn)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(xiàn)性編碼器。
平面與U形
扁平線(xiàn)性電動(dòng)機，如圖3a所示，具有單個(gè)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(gè)磁軌。扁平線(xiàn)性電動(dòng)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(dòng)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(dòng)。
圖3a：扁平直線(xiàn)電機。 圖3b：U形線(xiàn)性馬達。
移動(dòng)線(xiàn)圈與移動(dòng)磁鐵軌道
在無(wú)刷旋轉電動(dòng)機中，繞組通常是定子，因為如果它們是移動(dòng)轉子的一部分，則到達它的導線(xiàn)將卷起。在直線(xiàn)電機中，這不是一個(gè)考慮因素; 行程是有限的和線(xiàn)性的，所以到強迫器的電線(xiàn)不能卷起來(lái)。雖然壓力機可以是固定的“定子”，但也可以在壓力機移動(dòng)的位置設置直線(xiàn)電機。通常，這兩種系統稱(chēng)為動(dòng)圈或動(dòng)磁軌道電動(dòng)機。
如圖4a所示，動(dòng)圈式線(xiàn)性馬達通常用于較長(cháng)的行走裝置，以保持較低的移動(dòng)質(zhì)量。任何線(xiàn)性電機級的行程都限于其磁道的長(cháng)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(dòng)的磁軌平臺。對于長(cháng)行程階段，磁軌很長(cháng)并且變得非常重，并且移動(dòng)線(xiàn)圈更有意義。動(dòng)圈式線(xiàn)性馬達的缺點(diǎn)是，到壓頭的電纜也總是在移動(dòng)，因此需要進(jìn)行電纜管理。通常，動(dòng)圈式線(xiàn)性馬達具有較低的移動(dòng)質(zhì)量以獲得更大的加速度。
圖4a：移動(dòng)線(xiàn)圈。
對于行程范圍有限的要求，移動(dòng)磁道系統（如圖4b所示）可能更好，因為它們能夠實(shí)現更高的精度。這是可能的，因為電動(dòng)機的移動(dòng)部分是電和熱解耦的，這意味著(zhù)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(guò)時(shí)會(huì )加熱，安裝在系統的底座上，作為散熱器，確保整個(gè)系統具有更好的熱穩定性。
圖4b：移動(dòng)磁道。
鐵心vs無(wú)鐵
典型的鐵芯電機有一個(gè)安裝在壓頭上的鐵背板，線(xiàn)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(dòng)機添加鐵還會(huì )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(chēng)為無(wú)槽鐵芯，其中壓頭的線(xiàn)圈不纏繞鐵疊片。這有助于減輕齒槽力，但也會(huì )降低磁通密度。沒(méi)有鐵芯的電動(dòng)機被稱(chēng)為無(wú)鐵心直線(xiàn)電動(dòng)機，如圖5c和圖5d所示，當速度穩定性比高力更重要時(shí)可以使用。無(wú)鐵芯直線(xiàn)電機還可在整個(gè)行程中實(shí)現更均勻的力分布。對于動(dòng)圈式直線(xiàn)電機，鐵芯可能很重，因此無(wú)鐵制的推進(jìn)器可提供較低的移動(dòng)質(zhì)量。
圖5a：扁平鐵芯線(xiàn)性電動(dòng)機的側視圖。 圖5b：觀(guān)察扁平的鐵芯直線(xiàn)電機。
圖5c：U形無(wú)鐵芯線(xiàn)性馬達的側視圖。 圖5d：觀(guān)察U形無(wú)鐵芯直線(xiàn)電機。
為什么選擇杭州摩森機電直線(xiàn)電機
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使用U形電機設計可實(shí)現低漏磁通和增加磁通密度。
無(wú)鐵芯直線(xiàn)電機更輕，在運動(dòng)過(guò)程中提供更好的精度和速度穩定性。
可用于動(dòng)圈或移動(dòng)磁軌配置。
有內置控制器，驅動(dòng)程序和高分辨率編碼器。
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結論
精確定位設備的選項可能看起來(lái)令人生畏，但杭州摩森機電的應用工程團隊可以幫助您為您的設置選擇最佳產(chǎn)品。憑借我們廣泛的標準和定制直線(xiàn)電機和直線(xiàn)模組設備，我們可以滿(mǎn)足大多數系統的要求，如果您需要我們產(chǎn)品范圍之外的產(chǎn)品，我們很樂(lè )意為您提供一些建議。