常見直線電機分類和性能對比研究

陸愛國

摘 要：直線電機優越的特性已經為人們熟知，隨著自動化程度的提高和高精度、高速度的需求，直線電機開始逐漸普及應用。本文從直線電機的分類切入，綜合討論了AC直線電機、DC直線電機、有鐵心直線電機、無鐵心直線電機等各類直線電機的原理、結構特點和差異。對實際應用最廣泛的AC同步直線（LSM）中的平板型直線電機、U型直線電機、磁軸型直線電機進行深入對比，最后提供了一種應用選型計算的方法。通過系統分析各類直線電機的特性及適宜的應用場合，為更好地應用和選型提供參考依據。

關鍵詞：直線電機;磁軸型直線電機;選型分析;性能評價

0 引言

現今，自動化領域對直線電機的使用越來越重視，其高速、高精度的特點被認可，替代旋轉伺服電機的趨勢也非常地顯著。在技術進步和應用多樣化需求日益增多的現況下，常見的旋轉伺服電機加絲杠傳動的結構不能滿足設備越來越高的要求。直線電機的產生恰恰可以彌補絲杠傳動的這些不足，因此近些年來直線電機的使用以每年20%～30%的增長速度不斷地應用于各種自動化設備上。然而直線電機種類較多，不同類型的直線電機有不同的特點和應用場合，本文將重點論述各類直線電機的結構、原理和特性。

1 直線電機類型

市場上常見的直線電機從節約材料增加推力的角度區分可以分為有鐵心和無鐵心直線電機;從外形結構上區分可分為平板型、U型、軸型（磁軸型）;從驅動電源角度區分可分為交流（AC）和直流（DC）直線電機。

以上分類中AC直線同步電機有各種不同的構造特點，其中平板型和軸型的結構差異最大。同時又區分為有鐵心和無鐵心的結構，然而軸型電機在市場上很難看到有鐵心的軸型電機。由于有鐵心直線電機的多個缺點限制，在自動化產業中無鐵心的直線電機的使用更為廣泛。

2 直線電機的差異

2.1 與旋轉電機的差異

直線電機可以看作是旋轉電機將圓形的結構切開一邊展開的形狀。旋轉電機和直線電機最重要的幾點差異在于：旋轉電機可以連續地單向旋轉，直線電機受長度或空間的影響不能連續單方向運行;旋轉電機的齒輪傳動、絲杠傳動存在傳動效率的影響，在勻速段電機處于恒功率輸出，直線電機是直接驅動負載的，勻速運動段時間非常少，能量的消耗主要是加減速的時候。

旋轉電機功率的計算公式：

P=Ω*T=2∏/60*N*T

P為功率，單位w;N為電機轉速，單位rpm;T為轉矩，單位N·m。

直線電機功率的計算公式：

P=V/60*F

V為線速度，單位m/min;F為推力，單位N。

直線電機的運行長度有限，形成往復式運動，在選型時考慮電機的額定電流即額定推力。直線電機在長時間以額定電流運行時電機會發熱升溫，電機因為直接連接負載會引起變形，因此考慮所使用電機的額定電流的大小即負載率就非常重要。

旋轉電機的額定轉矩和最大轉矩通常是3倍左右的關系（與馬達設計有關）。直線電機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線圈絕緣層損壞的影響。

2.2 DC直線電機

直線電機的運動原理是基于電磁場的相互作用，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方向N極。左手定律是判斷力的方向，手心是磁場進入的方向，四指是電流的方向，大拇指是力的方向。力的計算公式：

F=BIL

F——安倍力 牛頓（N）

B——磁感應強度 特斯拉（T）

L——作用在磁場下的線圈長度 米（m）

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

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

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

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

2.3 直線平板電機

在工業自動化產品中最常見的直線馬達主要以直線同步電機（Linear Synchronous Motor，LSM）為主，當然也有直線感應電機（Linear Induction Motor，LIM）。但是直線電機主要用于往返運動頻繁的工作場合，LIM電機以感應方式誘導電機運行，頻繁往返運動無法誘導電機運行會造成失速、丟步現象，而且效率很低發熱嚴重，直線電機直接作用于工作臺下面，發熱較大將丟失精度，必須要增加成本解決散熱才能使用，因此基本沒有LIM電機的應用。

直線平板電機是LSM電機的一種，LSM電機運用永久磁鐵從而達到更高的效率。直線電機細分為有鐵心和無鐵心電機。一般把直線電機永久磁鐵的一邊稱為定子，通電線圈的一邊稱為動子。在實際應用中直線電機是相對運動的，如果把線圈（動子）固定，磁鐵（定子）就可以移動。把磁鐵（定子）固定，線圈（動子）就可移動。一般情況下線圈（動子）移動的較多，因為線圈的重量通常比永久磁鐵的重量要輕。從減少自身負載的角度考慮，線圈（動子）移動比較合理。但線圈移動的缺點是通電線圈必須要有引線，線纜在往復移動時容易折斷，所以對線纜的折彎角度和折彎次數有要求，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（LSM）的構造。從這個構造中可以看出用安培法則線圈U、V、W按順序通電產生與磁鐵的吸引與排斥的交替變化，從而使線圈往一個方向運動。UVW的通電順序近似交流（AC）正弦波型，因此平板電機是AC直線電機的一種。平板型直線電機（LSM）的線圈（動子）與磁鐵（定子）間的氣隙大小影響推力的變化，對平行度的要求就比較高了。

線圈中鐵心和磁鐵間的靜態吸引力非常大，使動子和定子發生變形。為了解決吸引力的問題，近年來又出現把線圈放在中間，兩邊為磁鐵的U型有鐵心直線電機。另外，鐵心產生渦流損耗，使電機發熱嚴重，散熱處理也是要重點解決的難題。

2.4 直線U型電機

直線U型無鐵心電機的結構是線圈在上下永磁體之間，線圈（動子）一側與工作臺固定帶動負載運動。線圈處于永磁體之間，線圈位置上下變動不影響合成推力，因此使用時安裝相對比較方便。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時容易引起振動，在超高精度領域的使用就受到剛性的限制。

U型直線電機UVW線圈在一個磁節距（N到N）之間相位相差120o，也是正弦波I*sinθ控制，因此也是AC電機的一種。改變UVW的通電相序就能改變電機的運行方向。電機采用無鐵心結構因此安裝方便，推力波動小，缺點是電機動子（線圈）扁平結構連接負載時剛性較差，因此適合高精度、速度響應相對較低的設備。

2.5 直線磁軸電機

音圈電機（VCM）的有效行程長度短，平板型有鐵心吸引力大和推力波動大，直線U型電機線圈扁平剛性低等。結合以上各類型直線電機的優缺點，下述直線磁軸型電機為無鐵心同步直線電機（LSM），線圈（動子）和永磁體（定子）之間沒有靜態吸引力，加上線圈為中空圓柱體結構（圖2直線磁軸電機結構示意），剛性高，應用于超高精度場合不存在剛性問題。高剛性的原因更適合于高加速的應用場合。

直線磁軸型電機的原理可以用弗萊明法則理解，四指的方向為電流的方向，磁場穿過手心，大拇指的方向指向力的方向。線圈（動子）和磁軸（定子）之間沒有鐵心，這樣就實現了無鐵心設計和零齒槽效應。而環形線圈能方便地固化，能有效地保證與負載工作臺的剛性。直線磁軸型電機為非接觸式，因為線圈環繞了永磁體，所以所有磁場都被有效地利用，這樣形成的環形氣隙可以控制在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，相比其他直線電機能實現更大的推力和更高的效率。

3 各類直線電機對比和選型

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

綜上所述，比較的對象確定為直線同步電機中的直線有鐵心平板電機、直線無鐵心U型電機、直線無鐵心磁軸型電機3種類型。表1為三類直線電機的特點對比。

從表1可以看出，平板型直線電機因為有鐵心的原因，在體積一定的情況下容易獲得大推力。平板型直線電機和磁軸型直線電機更容易獲得大的推力，高剛性和高響應的場合更加適用。但在超高精度要求的場合因為沒有鐵心的原因U型直線電機和磁軸型直線電機更加合適。如在超高精度10nm以上和高響應的場合，動子的剛性是設備精度的重要因素，磁軸直線電機就更加體現出優越性能。平板型因為有鐵心的原因推力波動較大，無鐵心U型直線電機又因為動子扁平單邊剛性不夠而不適合。

實際應用中除了考慮上述直線電機的性能特點之外，需要計算有效推力（Frms）、最大推力（Fmax），還要考慮直線電機線圈（動子）本身的重量。常用的計算順序如下：

（1）先選擇一個參考直線電機作為選型用參數

FL=μ×（ML+MP）g+Fn

FL——負載所需推力N

μ——摩擦系數

ML——負載重量kg

Mp——參考直線電機線圈（動子）重量kg

Fn——導軌阻力或外部阻力

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

（3）計算TAC及TDC極限加減速所需時間

TAC（TDC）=K×Vm×（ML+MP）/（Fm-FL）

Fm——參考直線電機最大推力

Vm——實際最大移動速度

K——安全系數（1.2～1.3）

TAC（TDC）≦tAC及tDC（加減速時間）

如果極限加減速時間小于設定的目標加減速時間，則可以按運行模型運行，所選電機正確，否則更換電機。

（4）計算加減速時所需推力FAC、FDC

FAC、FDC=Vm/tAC（tDC）×（ML+MP）±FL

（5）計算實際推力（Frms）

計算運行模式1個循環的實際轉矩。

將各實際輸出推力的平方與輸出時間之積相加，再將所得之和除以1個循環的時間，然后開平方，所得平方根值為實際推力值。

Frms≦80%Fr（參考電機額定推力的80%，考慮電機發熱和額外的負載變動）

根據實踐經驗，如果實際推力小于80%的參考電機額定推力，則可以按指定的運行模式連續運行，所選電機正確，否則更換電機。

4 總結

對各類直線電機從原理及結構上展開了分析。實際應用時，高速、高精度且行程100mm以下負載重量非常小的可以選擇音圈電機。負載重量較大50kg以上不屬于超高精度的場合可以選擇有鐵心平板型直線電機，但要注意安裝時電機動定子的吸引力及對導軌的磨損。如果應用于高速或高精度、超高精度，負載50kg以下時可以選擇無鐵心U型直線電機或磁軸直線電機，這兩者的區別在于剛性要求更高、響應更快、精度更高的場合要選擇磁軸型直線電機。換言之，磁軸直線電機的適應范圍更廣。

參考文獻：

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