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直线电机是如何工作的?

信息来源:本站 | 发布日期: 2021-3-1 | 浏览量:79

直线电机是如何工作的?


在机械设计中,常用直线电机驱动运动轴。


常见的直线电机有3种形式:U形,扁平的,管状的,也分别叫做空芯直线电机,铁芯直线电机,和轴式直线电机(柱状直线电机)。


扁平直线电机应用于XYZ运动轴,其中Z轴的驱动需要重力平衡器。


扁平直线电机应用于单轴运动平台,磁铁组件固定,线圈组件带动上面的平板运动。


铁芯及空芯直线电机结构示意图:铁芯直线电机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,例如G10中,而磁铁排列在U型板两侧。


铁芯及空芯直线电机示意图: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。


轴式直线电机示意图: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。


轴式直线电机示意图: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。

 


那么,它们是如何工作的?


 

1. 通电导线在磁场中受洛伦兹力

 

其实,虽然形式上不同,但是这三种电机运动原理是一样的。

 

本质上来说,都是通电导线在磁场中受力而发生运动。

 

我们先看一张图。

 


通电导线在磁场中受洛伦兹力:像把电流向量转向磁场方向一样卷曲四指,大拇指所指的方向,就是通电导线受力方向。在此图中,先把四指顺着电流,也就是向右的方向,然后卷曲四指,使得四指可以转动到磁场方向,也就是垂直屏幕向里的方向,那么大拇指必然是朝上的,这就是此通电导线的受力方向。

 

其实在上图中,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。

 

想象一下,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(Tesla),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。

 

记住这个,后面你会看到这个基本原理的不同表现形式。

 

那么,洛伦兹力是如何在电机中发挥效果的?

 

我们先来看看最常用的空芯直线电机(Air Core Linear Motor),也叫做U型直线电机。

 

2. U型直线电机

 

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。








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:上图是一个含有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Halbach排列及磁场示意图






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。

 

 

通常,线圈绕组为三相,通过无刷换向(电子换相)。由于磁体彼此相对,并容纳在U形通道中,因此这种电机磁通量泄漏小。

 

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。

 

 

3. 铁芯直线电动机

 

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。






单面铁芯直线电机及受力示意图: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,可以产出更大的力,不过也占用更多的空间。

 

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。


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