技术前沿：直线电机——敏捷驱动和大推力驱动

技术前沿：直线电机——敏捷驱动和大推力驱动

直线电机（LinearMotor）是一种直接驱动的电机，它在直线上产生力，将电能转换为机械能，直接做直线运动，无需额外的传递机构。从结构上来说，可以将其视为从径向切割旋转电机并将其平放。

对于不同的运动部件（动线圈和动磁轨），有两种系统。通常，磁轨是静止部分，包含线圈的驱动器是移动部分，以便从较低的质量获得更大的加速度；但是动磁轨电机能够达到更高的精度。直线电机的形状可以制造为：一块带有移动力的表面安装轨道板（平面直线电机），两个平行的磁轨彼此面对，中间有动力（U型通道直线电机），或保持器在装有磁铁的圆柱棒上移动（管状直线电机），具体配置取决于操作条件和特定应用。

铁芯直线电机由三相电磁线圈组成，三相电磁线圈缠绕在压片上的铁芯（齿）上，铁芯可以增加输出的力。但是，推力器与轨道之间也会存在齿槽力和吸引力，影响推力和轴承寿命。

无铁芯直线电机有时被称为U型通道直线电机，绕组安装在环氧树脂中，而不是铁叠片。通常，线圈绕组是三相的，采用无刷换向。零齿槽和吸引力延长了轴承寿命，但力输出变小。

无槽直线电机结合了铁芯电机和无铁芯电机的设计元素。带背铁的三相线圈用环氧树脂固定在一条轨道上，与U型无铁芯设计相比，它们的成本更低、散热更好，与铁芯设计相比吸引力更低、齿槽效应更小。

无槽无铁扁平电机由安装在铝制底座上的线圈组成，而无槽铁扁平电机由安装在铁片上的线圈组成，用于引导磁场并增加力，然后安装到铝制底座上。包含铁片的结构中存在吸引力和齿槽力，但这种设计比无铁芯设计产生更大的力。

管状直线电机是另一种类型的直线电机，线圈绕组通常是三相，使用霍尔效应装置进行无刷换向，这些电机可以由铁定子或无铁定子构成。管状直线电机具有围绕圆柱形磁体轴的线圈。当驱动器中的电流在三相之间进行调整时，就会产生磁场。

音圈电机又称不换向直流直线电机，是一种带有动圈或动磁体的单相管状直线电机。它由永磁体和线圈组成，当流过线圈的电流与永磁场相互作用时，产生移动力。

直线电机

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。直线电机也称线性电机，线性马达，直线马达，推杆马达。

最常用的直线电机类型是平板式和U型槽式，和管式。线圈的典型组成是三相，由霍尔元件实现无刷换相。

直线电机经常简单描述为旋转电机被展平，而工作原理相同。动子(forcer，rotor)是用环氧材料把线圈压缩在一起制成的;磁轨是把磁铁(通常是高能量的稀土磁铁)固定在钢上。

电机的动子包括线圈绕组，霍尔元件电路板，电热调节器(温度传感器监控温度)和电子接口。

在旋转电机中，动子和定子需要旋转轴承支撑动子以保证相对运动部分的气隙(airgap)。

同样的，直线电机需要直线导轨来保持动子在磁轨产生的磁场中的位置。和旋转伺服电机的编码器安装在轴上反馈位置一样，直线电机需要反馈直线位置的反馈装置--直线编码器，它可以直接测量负载的位置从而提高负载的位置精度。直线电机的控制和旋转电机一样。像无刷旋转电机，动子和定子无机械连接(无刷)，不像旋转电机的方面，动子旋转和定子位置保持固定，直线电机系统可以是磁轨动或推力线圈动(大部分定位系统应用是磁轨固定，推力线圈动)。用推力线圈运动的电机，推力线圈的重量和负载比很小。然而，需要高柔性线缆及其管理系统。

用磁轨运动的电机，不仅要承受负载，还要承受磁轨质量，但无需线缆管理系统。相似的机电原理用在直线和旋转电机上。相同的电磁力在旋转电机上产生力矩在直线电机产生直线推力作用。因此，直线电机使用和旋转电机相同的控制和可编程配置。直线电机的形状可以是平板式和U型槽式，和管式。哪种构造最适合要看实际应用的规格要求和工作环境。

直线电机工作原理

直线电机又称线性机、线性马达、直线马达、推杆马达。常见的直线电机有板式、型、槽式和管式。

直线电机清晰地显示了内部的绕组。磁浆绳和磁轨由环氧材料制成，线圈用环氧树脂压制而成。更重要的是，磁轨将磁铁固定在钢铁上。

直线电机通常被简单地描述为扁平的旋转电机，并以同时的方式工作。压片机(转子)采用环氧树脂材料将线圈压缩而成，磁轨是附着在钢铁上的磁铁(通常是高能稀土破铁》。电机的执行器包线圈绕组、霍尔元件电路板、热敏电阳(温度传感器监测温度》和电子接口。在旋转电机中，转子和定子需要由旋转轴承支撑，以保证相对运动部分的气隙。同时，直线电机也需要一个直线导轨来保持执行器在磁轨产生的磁场中的位置

与安装在旋转伺服电机轴上的编码器一样，直线电机需要一个线性位置反馈装置，即直线编码器，它可以直接测量负载的位置，提高负载的位置精度。

由定子演化而来的边称为主定子，由转子演化而来的边称为次定子。在实践中，主要和次要被制造成不同的长度，以确保主要和次要之间的耦合保持在恒定所需的行程范围。直线电机可以是短主电机，也可以是长辅助电机。考虑到制造成本和运行成本，目前普遍采用短一次和长二次。从现在开始，供水供电供气企业，对明令取消的收费项目，不得另立名目变相收费。为排除安全隐患开展上门服务、安全检查等，不得向用户收取费用。

直线电机的工作原理与旋转电机相似。以直线感应电动机为例，当一次绕组连接到交流电源时，在气隙中产生行波磁场。当二次行波磁场被切断时，会感应电动势，产生电流。当电流与气隙中的磁场相互作用时，会产生电磁推力。如果主杆是固定的，则副杆在推力作用下沿直线运动。相反，初学者的动作是直线的。

直线电机的原理并不复杂。想象一个旋转的感应电动机沿着半径分裂并变平。这就变成了一个线性感应电动机。在直线电机中，相当于旋转电机的定子，称为主定子，相当于一个旋转电机的转子，称为二次转子。主电极在电磁力作用下沿直线运动。初级阶段要足够长才能达到运动需要的位置，而次级阶段则无需足够长。事实上，直线电机在初级和中级都可以做得很长，它可以是主要固定的，次要移动的，或者次要固定的，主要移动的。

直线电机是由电能直接转化为直线运动能的电磁装置，其结构由传统圆筒型旋转电机演变而来，而且工作原理也与旋转电机相似。设想将一台旋转电机沿径向剖开，并将电机的圆周展开成直线，这样就得到了原始的直线电机。原来旋转电机中的定子和动子分别演变为直线电机中的初级和次级，旋转电机中的径向、周向和轴向，在直线电机中对应地称为法向、纵向和横向。

直线电机的基本结构与工作原理

直线电机的初子绕组通入电流后，产生沿纵向方向正弦分布的气隙磁场，当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按交流电的相序沿直线定向移动，这个平移的磁场称为行波磁场。次级导体在行波磁场的切割下产生电动势形并形成定向感应电流，次级中的感应电流和磁场的共同作用下产生纵向电磁推力，如果初级是固定不定的，那么次级就沿行波磁场的运动方向做直线运动，这就是直线电机工作的基本原理。

优点

1、没有机械接触，传动力是在气隙中产生的，除了直线电机导轨以外没有任何其它的摩擦；

2、结构简单，体积小，通过以最少的零部件数量来实现我们的直线驱动，而且这仅仅是只存在一个运动的部件；

3、运行的行程在理论上是不受任何限制的，而且其性能不会因为其行程的大小改变而受到影响；

4、其运转可以提供很宽的转速运行范围，其涵盖包括从每秒几微米到数米，特别是在高速状态下是其一个突出的优点；

5、加速度很大，标准负荷为加速1G；

6、运动平稳，这是因为除了起支撑作用的直线导轨或气浮轴承外，没有其它机械连接或转换装置的缘故；

7、精度和重复精度高，因为消除了影响精度的中间环节，系统的精度取决于位置检测元件，有合适的反馈装置可达亚微米级；

8、维护简单，由于部件少，运动时无机械接触，从而大大降低了零部件的磨损，只需很少甚至无需维护，使用寿命更长。直线电动机与“旋转电动机，滚珠丝杠”传动性能比较表性能旋转电动机+滚珠丝杠直线电动机。

直线电机模组的应用领域

1.工业与自动化中-由于直线电机有其自身独特的优点;

2.交通运输业中-直线电机技术在磁悬浮列车方面是很重要的应用;

3.物料输送与搬运方面的应用-直线电机在各种物料输送和搬运方面具有独特的优势;

4.民用与建筑业方面的应用-在民用与建筑业方面直线电机也得到广泛应用;

5.直线电机在计算机及办公设备领域的应用在计算机光驱设备。

直线电机特点

在实用的和买得起的直线电机出现以前，所有直线运动不得不从旋转机械通过使用滚珠或滚柱丝杠或带或滑轮转换而来。对许多应用，如遇到大负载而且驱动轴是竖直面的。这些方法仍然是最好的。然而，直线电机比机械系统比有很多独特的优势，如非常高速和非常低速，高加速度，几乎零维护(无接触零件)，高精度，无空回。完成直线运动只需电机无需齿轮，联轴器或滑轮，对很多应用来说很有意义的，把那些不必要的，减低性能和缩短机械寿命的零件去掉了。

(1)结构简单。管型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)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。

(3)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。

(4)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。(5)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。

(6)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。

(7)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，满足不同情况的需要。

(8)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。

直线电机的九大优势

1.高速度，可参考磁悬浮列车速度。

2.高精度，微米级起步，向纳米级靠近。

3.易控制，支持多种控制方式和接口。

4.结构简单，动定子无接触，无磨损。

5.运行顺畅平稳，无摩擦，无背隙。

6.定子可拼接，行程可无限延长。

7.支持多动子，可同时独立运动。

8.响应快，加速度高，效率提升。

9.噪音更低，更安静的工作环境。

一、高速度

直线电机的速度可以有多快，大家可以参考磁悬浮列车的速度。直线电机理论上能达到多快呢？可以比火箭更快！

当然理论不同于实际的，在当前的自动化行业中，直线电机的速度，受限于导轨的材质。虽然直线电机的动定子是不接触的，但在实际运用中，直线电机必须配套导轨、滑块才能发挥作用。过快的速度，是导轨无法承受的。当前，市面上的较好的导轨，所能承受的速度极限是3.5米/秒，更多的则在2米/秒以下，极少数导轨能适应6米/秒的速度，但寿命也不会太长。

即便如此，在实际运用中，直线电机的速度也是远远优于丝杆、皮带、齿轮齿条等传动方式的，更不用说直线电机能达到这些传动方式无法达到的行程。

有铁芯直线电机

二、高精度

通常，就重复定位精度而言，丝杆模组为：±0.005mm-±0.01mm，皮带模组为：±0.04mm，齿轮齿条模组为：±0.1mm。直线电机，再配上栅尺，读头，滑块、导轨，驱动器等配件，组装成模组后，重复定位精度一般在：±0.0025mm（磁栅尺）到±0.0015mm（光栅尺），当然这是基本配置后的精度。如果配上高端的气浮轴承，大理石底座，直线电机的重复定位精度是可以用纳米来记的。

三、易控制

说到控制方式，这才是自动化的灵魂，再好的产品，没有一个好的控制方式，就不能完美的执行指令，也就发挥不出它最佳的价值。因此，控制方式也是自动化设计中最先考虑的问题。

传统传动的控制方式，相对单一，运动动作，也非常机械，所需要的指令也很单薄，可编辑性很差。

直线电机的控制就灵活多了，除了支持各种主流的控制模式，编码器反馈方式，多数厂家的控制器是可以支持二次开发的。

四、结构简单

直线电机包括多种形式，最常见的有：有铁芯、无铁芯、磁轴式、DD马达、音圈电机，他们的结构都非常简单。概括来说就是：动子和定子。

精简的结构带来的好处，不仅是易于安装、调节，更重要的是，不易损坏，即使出了故障，也容易排查。加上，直线电机的动定子都是不接触的，动子和定子之间是存在一定的气隙的，因此他们是毫无磨损的，也更不容易被损坏，寿命也更长了。

反观传统的直线传动方式，无一例外都是需要有接触传动的，比如丝杆和螺母、皮带和同步轮，齿轮和齿条，都是必然接触，必然磨损的。

五、运行顺畅平稳

前面已经说了，直线电机的动定子是无接触、无摩擦的，因此动子的运行是非常顺畅，平滑的。有铁芯直线电机会有一定的齿槽效应，但它的顺畅、平稳度也是远优于传统传动方式的，更别说零齿槽力的无铁芯电机、磁轴式电机了。

丝杆、皮带、齿轮齿条这些传动方式，都无可避免的有接触和摩擦，这会给滑座的运动带来很大的摩擦阻力，滑座来回运动中就会不那么顺畅平稳了。

六、定子可拼接，行程可无限延长

说到行程，我们都知道，丝杆模组的行程受限于丝杆、导轨的长度，皮带模组受限于皮带和电机输出功率，齿轮齿条模组也受到动力输出的限制，总之，他们的行程都是非常有限的。

但直线电机的行程，就是动子在定子上磁悬浮运动，只要定子磁力覆盖的地方，都可以视为动子的行程范围。理论上，直线电机的行程是无限的，就如磁悬浮列车一样，可以无限延长。

在实际的工业设计应用中，定子可以拼接延长的，导轨也可以，因此，直线电机的行程可以说是无限。

七、支持多动子，可同时独立运动

就好比，一条磁轨上可以同时运行多辆列车，直线电机在同一组定子上，也是可以同时运行多个动子的。每个动子独立运行，同一由上位机控制。这会大大提高自动化设备的工作效率，这样也是丝杆模组、皮带模组很难做到的。完全没有可比性。

目前，市面上已经有许多成熟的多动子环形导轨厂家，菲格斯就是其中比较突出的供应商之一。

八、响应快，加速度高，效率提升

先说加速度这个概念，它可以抽象的理解为，汽车在静止状态下，启动，然后加速，再达到所需要的速度，平稳行驶。这就是很多厂家标榜的百米加速所需时间的概念。直线电机和其他传动一样，也是有一个指标来评判从启动，到最高速度所需的时间，这通常被理解为响应速度，加速度等概念。小编这里力求通俗易懂，表述不一定完全准确。

加速度越高，就说明从静止到最高速的响应越快，这个优势给直线电机的应用开辟了新的场景，比如航母上的飞机弹射器，就是利用的直线电机的高加速度特点。

传统传动的响应速度通常是直线电机的几十倍到几百倍。

九、噪音更低，更安静的工作环境噪声，也是一种污染！

过大的噪声，不仅不利于人体健康，影响工作人员情绪，增大出错几率，而且世界各地有不同的相关规定，超过80分贝的噪声，已被视为污染。

丝杆、皮带、齿轮齿条等传动方式的噪音已经接近噪声污染的标准了，加上工作环境里其他的声响，肯定是不适合员工工作的。直线电机的声响大约在50-60分贝，可以有效的降低噪声，改善工作环境。

直线电机的发展历史

直线电机最早可追溯到1840年惠斯登提出和制作的直线电机，至今已有160多年。

1891年，法国的孟·勒布朗首次为直线电机定名，美国的Bradly提出利用行进磁场的直线电机。

1895年，美国的J.Weaver申请了直线磁阻电机织机梭子的专利。

1905年，德国的Zehden提出了单侧定子三相直线电机的方案。英国的H.Wilson建议将直线电动机作为火车的推进机构并申请了专利。

1908年美国的杰森也提出用直线电机驱动单轨列车的设想。但是，在当时条件下，直线电机的调速性能以及经济性、可靠性等与旋转电机相比还没有竞争力，因此很长时间内未得到广泛应用。

20世纪50年代后，英国的莱思韦特教授在直线电动机基础理论研究方面取得了很多研究成果，对直线电机的复兴了起到了重要推动作用。莱思韦特曾长期致力于直线电机轨道车辆的研究。

1960年，莱思韦特在他当时任教的曼彻斯特大学利用直线电机牵引车辆模型设计制造了载人直线电机轨道车辆模型，并在24ｍ的轨道上做了试验。该模型车重750ｋｇ，采用双边定子。

1962年，他又在曼彻斯特戈顿机车厂建造了914ｍ长的试验线，对这台轨道车辆模型（垂直感应板）进行了试验。接着莱思韦特建立了“轨道气垫有限公司”，在英国政府的支持下进行直线电机气垫悬浮轨道车辆研究。1976年，他为英国工业研究协会设计制造了一套用于汽车碰撞试验的直线电机加速系统。

1975年，英国设计了一条直线电机牵引轮轨列车都市快轨交通试验线：铁轨中间安装238ｍ长的铝制感应板。

1975年英国在直线电机轮轨列车试验列车转向架上安装了直线牵引电机。但是，当时并没有进行直线电机牵引试验，而仅仅是检验直线电机牵引系统的可行性，包括感应板安装的难易程度。

然而，直线电机成功地用于轨道交通却是在磁悬浮列车上首先实现的。由于磁悬浮列车不能再依靠车轮驱动，所以很自然地采用了直接通过电磁力驱动列车的直线电机。

上世纪60年代以来，得益于电力电子技术的进步，采用交流调速技术的直线电机驱动的高速磁悬浮列车在德国、日本、英国、美国、瑞士、韩国、中国等国相继建立起了试验和试运行线路。

进入21世纪以后，上海浦东高速磁悬浮列车和日本名古屋低速磁悬浮列车的商业运行，标志着磁悬浮铁路已进入了实际应用的阶段。如果说磁悬浮列车采用直线电机是在旋转电机无法发挥作用下的唯一选择，那么现代直线电机轮轨交通系统则可以看作是在磁悬浮列车获得成功的推动下诞生的。人们意识到，既然直线电机驱动的磁悬浮列车因为不再通过黏着力牵引而具有更大的爬坡能力，那么直线电机用于轮轨列车当然具有同样的优点。

因此，20世纪80年代以后，加拿大、日本等国在研究磁悬浮列车的同时成功地开发出直线电机驱动的城市轮轨车辆交通系统并付诸实用。这种新型交通系统伴生的优点还有：车辆断面小、噪音低，可以采用径向转向架，等等。

直线电机是如何驱动的

直线电机是一种特殊的电机结构，与传统旋转电机相比，直线电机可以提供直线运动，因此广泛应用于需要精准直线运动和快速响应的领域，如空间推进系统、计算机数控机床、磁悬浮列车等。

直线电机的驱动方式与传统旋转电机驱动方式存在一定的差异。直线电机的驱动方式一般可以采用以下两种方式：

1.交流驱动：直线电机的交流驱动采用类似于三相交流电机的驱动方式，将三相(或多相)交流电源的电流按照一定规律依次输入到直线电机的三个(或多个)电磁线圈中，从而形成旋转磁场。当直线电机运动时，磁场的方向不断变化，从而产生与方向相同的推力，实现直线运动。

2.直流驱动：直线电机的直流驱动采用类似于直流电机的驱动方式，将直流电压输入到直线电机的线圈中，从而形成磁场。同时，在线圈上安装位置传感器或编码器，测量直线电机的位置、速度和加速度等参数，并将其反馈给控制器。控制器根据反馈信号和设定信号，通过调节驱动电压的大小和方向，控制直线电机的运动，以实现直线运动。

无论是交流驱动还是直流驱动，直线电机的控制都需要采用高精度的驱动电路和控制器，以实现对直线电机运动轨迹的高效控制。同时，直线电机的驱动过程还需要综合考虑电磁主体的结构、材料、电学参数等因素，确保系统的稳定性和性能优越。

直线电机与磁浮驱动

直线电机是一种直线式电动机，与旋转电机不同，直线电机的转子和定子是直接线性排列的，它的运动方向与磁场方向也一致，因此具有高效率、高加速度、高精度和自锁保持等优点。直线电机广泛应用于高速列车、工厂自动化、自动化仓库等领域，能够提高生产效率、节约能源、降低成本。

磁悬浮驱动技术则是一种以磁悬浮原理为基础的运动控制技术，这种技术的最大特点是直接利用磁场来对运动进行控制，从而实现高速、平稳、准确和无接触的运动。磁悬浮驱动技术广泛应用于高速列车、磁悬浮列车、高精度测试设备、高速机床和机器人等领域。

直线电机和磁浮驱动技术可以结合使用，实现更加高效、高速、准确和省能的产品设计和生产。例如，在高速列车上，直线电机可以提供强劲的牵引力和准确的定位控制，而磁悬浮驱动技术可以提供更加平稳、无声、无接触的行驶体验。

此外，直线电机和磁浮驱动技术也可以在工厂自动化和自动化仓库等应用中发挥作用，通过快速准确的定位，实现更高效的物流和生产流程。同时，磁浮驱动技术也可以提供更加平稳、无接触的运动，从而减少机械零部件的磨损和维护成本。

与传统传动机构对比

传统伺服+丝杠机床结构

•传动结构复杂，零件数量多

•安装精度要求高，安装时间更长生产效率低

•传动环节多，精度误差高

•机械传动摩擦环节多

直驱电机机床结构

•结构简单，零件数量少

•直线电机安装精度要求仅有气隙数值和基本对称要求，安装时间短

•无中间传动环节

•无接触，无摩擦

直线电机特点

当谈到直线电机时，首先想到的是它的运行精度和速度，以及直线电机的负载和推力。有人会问，直线电机那么贵，它的核心价值是什么?它的优点是什么?

在性能强劲、价格实惠的直线电机出现之前，直线运动是根据滚珠丝杠由旋转电机转换而来的。与传统的直线运动方式相比，直线电机有很多优点比如针对高速、高加速度、零护、高精度的要求，直线电机在没有齿轮、联轴器、滑轮的情况下，有着无可比拟的优势。直线电机有其独特的特点是旋转电机无法替代的。

直线电机具有以下优点:

Part1结构简单:由于直线电机无需经过中间转换机构直接产生直线运动，系统本身的结构大大简化，重量和体积也大大减小，降低了运动惯量，提高了动态响应性能和定位精度。它结构简单、配备齐全，其结构相比直线电机模组更为空间紧凑化，配件更少，优化了结构，一体化成型，体积小、推力大，理论上可以无限拼接长度，是标准品，而且价格低、交期快!

Part2定位精度高:当需要直线运动时，直线电机可以实现直接传动，消除中间环节引起的各种定位误差。因此，定位精度高。达到+3um重复定位精度的同时，传动速度还能达到4m/s

Part3反应速度快，灵敏度高，跟踪效果好。直线电机易于磁悬浮支撑，使转子与定子之间始终存在一定的气而无接触，消除了定子与定子之间的接触摩擦阻力，大大提高了系统的灵敏度、快速性和何服性能。它是一种直线电机驱动，明显优于其他丝杆、同步带和齿轮齿条驱动。

Part4安全可靠，使用寿命长。直线电机无接触传动力，机械摩擦损耗几乎为零，故障率低，免维护，运行安全可靠，使用寿命长。直线电机适用于高速直线运动。如果没有离心力的约束，普通材料可以达到更高的速度，传动部件没有磨损，可以减少机械损耗，噪音小，从而提高整体效率

Part5节省成本。由于直线电机提高了可靠性，能节省成本，使生产和维护保养更加容易。它的起始水平可以直接成为组织的一部分，这种冲特的组合进步证明了这一优势。在不增加成本的情况下，整合了导轨和滑块相结合，而它的价格仅是同类直线电机模组的一半。

Part6易于调节和控制。通过调节电压或频率，或改变次级材料，可获得不同速度、电磁推力，适合低速往复运行场合。

直线电机主要应用于三个方面:

1、适用于自动化控制系统，使用频率较高

2、驱动电机长期连续运行;

3、它适用于需要在短时间和短距离内提供巨大的直线运动能量的设备。

永磁直线电机的齿槽分析

直线电机因其高响应能力、定位准确，已广泛应用于机床的载体装置和驱动单元。而想要提高直线电机的响应能力，我们需要获得比较大的推力以增强响应性；并且另一方面也需要权衡减少推力变化和吸引力的关系。

为了获得较大的推力，需要考虑材料的非线性磁性能和磁铁的退磁特性，为了评估推力的变化，需要在建模出详细的几何图形后进行分析。这就是为什么需要用基于有限元法(FEM)的磁场分析仿真来研究它们的原因。

分析假设

电机由定子和动子组成

定子由定子铁芯和线圈组成

动子由动子铁下心和磁铁组成

动子的运动是纯平移的

流过线圈的激励为三相正弦交流电

组件

分析目标的几何形状和各部件的名称如图2.1所示，各部件的规格如表2.1所示。

图2.1永磁电刷电机

表2.1电机规格

材料

各部件的材料如表2.2所示，磁体的充磁方向如图2.3所示。

表2.2材料特性

图2.2BH曲线(定子铁芯、动子铁芯)

图2.3磁钢充磁方向

绕组

绕组设置如表2.3所示，分布式绕组接线方式如图2.4所示。

表2.3绕组规格

图2.4绕线方式

驱动条件

驱动条件设定见表2.4。

表2.4驱动器条件设定

分析结果

齿槽力

图4.1为齿槽力波形；为了找出齿槽力产生的原因，本案例分析了图4.1中蓝色圈出的位置的磁通密度分布如图4.2所示。图4.2显示，动子末端的磁通密度分布不均匀。且这种磁路的不平衡是造成较大齿槽波纹的关键因素。

图4.1齿槽力波形

图4.2磁通量密度分布(动子位置:50mm)

推力和吸引力

运行位置和推力的关系如图4.3所示，运行位置和引力如图4.4所示。从图中可以看出，推力和引力的周期与齿槽力的周期。因此齿槽纹波会影响推力的变化，因此为了减小推力的变化，需要将齿槽纹波做得更小。引力也与旋转机器中的径向力相同，也就是说它受到间隙中磁通量流动的影响，因此可以通过改变槽的几何形状来减小垂直于间隙流动的磁通量来减小引力。

图4.3位置与推力

图4.4位置与引力

直线电机应用

直线电机亦是短跑能手，可在短行程（≤4mm）运动条件下每秒超过十五个往返，也很适用于长行程应用（1000-＞5000mm），并且可以在同一轴上安装数个动子，增加非标自动化机台设计的灵活性。

直线电动机的应用

直线电动机由于特殊的结构和运动方式，其应用范围相当广泛，既可作为控制系统的执行元件，也可以用于较大功率的电力拖动自动控制系统，下面列举若干实际应用的例子。

1.作为直线运动的执行元件

(1)机械手

图9.18所示为电机制造中传递硅钢片冲片的机械手示意图。直线感应电动机的次级端头装有电磁铁，冲片冲好后，直线电机通电，电磁铁随同次级进入冲床，电磁铁通电把冲好的冲片吸上后，直线电机反向通电，把冲片从冲床内带出，电磁铁断电，冲片靠自重落下，集聚在预置的框内。

(2)电动门

图9.19所示为一扇直线电机电动门示意图直线感应电动机的次级钢板作为电动门的构件初级通电后，次级钢板中感应产生电流，并产生推力，驱动电动门做直线运动。

2.用于机械加工产品

(1)电磁锤

图9.20所示为用于机械加工的电磁锤示意图，电磁锤的锤杆用两根角钢焊接成空心的钢杆在其两侧各装一个直线感应电动机的初级。初级通电，锤杆上升;初级断电，锤杆自由落下打击工件

(2)电磁打箔机

图9.21所示为电磁打箔机示意图，电磁打箔机采用圆筒型直线感应电动机作为动力源。初级通电后，锤杆向上运动，当锤杆上升到一定高度时断电，由于惯性的作用，锤杆继续上升，撞击顶部的弹簧，然后依靠弹簧的储能和锤杆、锤头的重力势能打击工件。电动机间歇通电，锤杆即能做上下往复运动。工件为韧性较大的纸包，其中包有金箔。在锤头频繁的锻打下，金箔可被打制成很薄的箔片，其厚度可达0.2um。

3.用于信息自动化产品

(1)笔式记录仪

笔式记录仪主要由动圈型永磁直线直流电动机、运算放大器和平衡电桥组成，如图9.22所示电桥平衡时，没有电压输出，这时直线电动机所带的记录笔处在仪表的指零位置。当外来信号EWV不等于零时，电桥失去平衡，运算放大器产生一定的输出电压，推动直线电动机的可动线圈做直线运动，从而带动记录笔在记录纸上把信号记录下来。同时，直线电动机还带动反馈电位器滑动使电桥重新趋向平衡。

(2)平面电机与平面绘图仪

由双轴组合的直线步进电动机可以构成平面式步进电动机。图9.23所示平面电机示意图，它是将两台直线步进电动机组合在一起，其中一台电动机产生X轴方向的运动，另一台电动机产生Y轴方向的运动。这样，平面式步进电动机不需要任何机械转换装置，就能够直接产生平面形式的运动。由于直线步进电动机的特殊结构和工作原理，使得两台直线步进电动机的组合变得一分简便。实际上，采用三台直线步进电动机还可以做成二轴向的三维电动机。

图9.24所示为基于双轴直线步进电动机的平面绘图仪示意图，两个电动机的初级相互垂直，次级台板上开有相互垂直的齿槽，电动机利用气垫形成初、次级之间的气隙，在计算机的控制下带动绘图笔运动，实现绘图功能

(3)硬盘的磁头驱动机构

硬盘内部结构是由盘头组件构成的核心，封装在硬盘的净化腔体内，包括浮动磁头组件、磁头驱动机构、磁碟及主轴驱动机构、前置读写控制电路等

硬盘的磁头驱动机构由音圈电机和磁头驱动小车组成，新型大容量硬盘还具有高效的防震动机构。高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并在很短的时间内精确定位到系统指令指定的磁道上，保证数据读写的可靠性。

硬盘驱动器加电正常工作后，利用控制电路中的单机初始化模块进行初始化工作，此时磁头置于磁碟中心位置，初始化完成后主轴电机将启动并以高速旋转，装载磁头的小车机构移动，将浮动磁头置于磁碟表面的00道，处于等待指令的启动状态

4.用于长距离的直线传输装置

(1)运煤车

图9.27所示为直线电机运煤车示意图。矿井运煤轨道一般很长，每隔一段距离，在轨道中间安置一台直线感应电动机的初级。一列运煤车由若干矿车组成，每台的车的底部装有铝钢复合次级。直线电机的初级依次通电，便可把运煤车向前推进。

(2)新型电梯

图9.16所示的永磁式直线同步电动机矿井提升系统同样可以应用于电梯这种垂直运输系统。同传统的绳索电梯和液压电梯相比，基于直线电机的新型电梯具有如下优点:

（1)节约场地。

因为直线电机电梯的轨道即是直线电机的定子，没有必要专门铺设垂直轨道，具有增加有效面积的优点。

（2）节省电力。

新型直线电机电梯的最高速度可达1.75m/s，这样的速度，绳索电梯的曳引机必须采用齿轮减速器变速，电梯升降系统的传动效率会明显降低。而直线电机因其是非接触的驱动机构，所以没有传动效率降低的情况。和液压电梯相比，电力消耗的差别更大，它比液压电梯可节约60%以上的能量。

（3）可靠性高。

绳索电梯的曳引机由齿轮减速器旋转由机曳引轮、防振机构等组成，液压电梯的动力部分是由旋转电机、液压油泵控制阀油箱和油冷却器组成，都比较复杂。而直线电机电梯的驱动机构一分简单，而且由于自动保持定的气隙，没有零件的摩擦，因而也就不会产生磨损，这样就可以使电梯运行的可靠性大天提高维修保养也十分方便

（4）噪声低。

直线电机电梯没有减速器、旋转电机及液压油泵运转时所产生的噪音，也没有钢丝绳和曳引轮之间摩擦所产生的噪声，而且钢丝绳的寿命也会大大提高

5.用于高速磁悬浮列车

磁悬浮列车是21世纪理想的超级特别快车世界各国都十分重视发展磁悬浮列车。目前，我国和日本、德国、英、美等国都在积极研究这种车。

（1）常导电磁悬浮技术

图9.28所示为常导高速磁悬浮列车模型。该列车采用“异性相吸”原理设计，是“常导磁吸”(简称“常导型)直线感应电动机磁悬浮型列车

利用安装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁和铺设在轨道上的磁铁，在磁场作用下产生的吸力是车辆浮起来

悬浮列车的驱动和同步直线电动机原理一模样。通俗说，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变成电磁体，由于它于列车上的电磁体的相互作用，使列车开动。列车头部的电磁体N极被安装在靠前一点的轨道上的电磁体S极所吸引，同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体N极所排斥。

列车前进时，线圈里流动的电流方向就反过来，即原来的S极变成N极，N极变成S极。循环交替，列车就向前奔驰

（2）超导电动磁悬浮

图9.29所示为超导电动磁悬浮列车，基于直线同步电动机原理设计。直线同步电动机电枢绕组埋在路基中间，励磁绕组采用超导线圈，安装在车厢底部

由于超导线圈能提供极强的磁场，因此这种电机不需要铁心。车厢底部两侧还装有供磁悬浮用的超导磁浮线圈，在其下方的地基中铺有导铝板，磁浮线圈产生的磁场在铝板中感生电流，它们相互作用产生推斥力，使列车悬浮。这是一种超导斥浮型高速列车。日本的超导磁悬浮列车已经过载人试验，即将进入实用阶段，运行时速可达500千米以上

（3）永磁悬浮技术

上述两种方案各有利弊。超导斥浮型直线同步电动机初、次级之间的气隙可以设计得比较大易于控制，但由于采用超导，且全程都必须设置电枢绕组，因此总体成本高，常导吸浮型直线感应电动机的气隙不能做得过大，否则电动机的效率和功率因数都偏低，所以它对控制系统的要求较高，但成本要低不少

永磁悬浮技术是中国自己拥有核心及相关技术发明专利的原始创新技术。日本和德国的磁悬浮列车在不通电的情况下，车体与槽轨是接触在一起的，而利用永磁悬浮技术制造出的磁悬浮列车在任何情况下，车体和轨道之间都是不接触的

驱动系统采用自主研发的磁动机技术。磁动机由永磁转子轮和直线定子铁靴构成，定子与转子之间不接触，依靠永磁场产生吸力或拉力，而驱动磁悬浮列车运行或制动，它均布在列车动力舱内，属分散动力装置，是永磁悬浮列车的核心技术之一。

磁动机已经在轻型吊轨磁悬浮技术验证车的专用装置上成功试用，并在专用模拟圆周轨道上运行成功。大连正在建设目前世界最先进的三公里永磁悬浮试验线，运行槽轨磁悬浮列车，最高速度可达每小时320公里

永磁悬浮技术装备的列车具有六个领先优势一是节能、环保，悬浮耗能少，列车在运行过程中噪音低:二是超强的运载能力，运输能力相当于现行火车，三是安全，由于永磁悬浮采用车路一体化结构与控制设计，杜绝发生追尾、撞车脱轨和翻车可能;四是路车综合造价最低，综合造价远低于国外;五是运行成本最低，国外磁悬浮运行成本略低于飞机，而永磁悬浮运行成本低于现行火车。

直线电机怎么选

1直线电机分几种？

从本质上分，直线电机分为有铁芯直线电机和无铁芯直线电机。

有铁芯直线电机：定子上磁钢固定在底部基座上，上部是由铁芯和铜线组成的动子。在有铁芯切割磁感线和定子磁钢的双重作用下，推力及转动惯量偏大，速度和加速度较低。适用于低速、重载、高推力情况下使用。

无铁芯直线电机：又称U型槽电机，由定子高密度磁钢，和定子内线圈组成，其磁钢排列均匀，磁通量大，没有铁损、响应快、速度高、加速度高。适用于轴承摩擦力小、对较轻负载具有高加速度，以及在超低速条件下依然可以确保最高恒速的应用。

2有铁芯/无铁芯直线电机应用行业？

有铁芯直线电机：电子半导体、光伏片及锂电池、精密车床加工、工业印刷机、激光加工等。

无铁芯直线电机：玻璃及液晶面板、生物医疗设备、晶圆搬运及检测，高速度高精定位、轨道跟随或速度控制苛刻的各类检测需求。

3直线电机质量怎么判定？

定子磁钢动子

定子的平面度和粗糙度；

定子平面度是平台的基石，平面度直接影响平台的绝对定位精度，以及运动加速度曲线的平滑度，定子越平整，表面越光滑，电机性能越好。

单个磁钢宽度与磁钢颜色以及所有磁钢水平度是否一致；

单个磁钢宽度越窄，电机性能越好，越窄磁钢覆盖越密集，重叠磁场强度越均匀，电机运行稳定性就越强。磁钢颜色影响磁钢本身的材质，磁钢颜色越银亮，色泽越饱满，电机性能越好。

动子厚度；

动子越薄，其内部线圈的排列越均匀，电机运行时越稳定，电机性能越好。

铁芯直线电机，工业机械自动化首选！

直线电机选型推力计算

方式Way

1、看直线电机的推力（包含持续推力和峰值推力）；

2、看直线电机的最大速度。

这两者要同时满足。其中最大速度可以通过提高供电电压来适当提升。而直线电机的推力作为直线电机的最重要参数之一，我们一般会清晰直观地标注在电机的性能参数表上。

那如何来计算我们的应用中需要多大的推力呢？

今天线马科技和大家

分享一下直线电机选型中的推力计算。

最大推力的计算Calculationofmaximumthrust

直线电机的峰值推力要满足最大推力要求。

最大推力一般是在加速过程中需要用到的推力，由移动物体的质量（包括直线电机的动子质量）和最大加速度决定。

最大推力计算方式如下：

Fmax=Fa=m总×amax＋f摩擦力+f其他外部力

Fmax：最大推力

m总：移动物总质量

amax：最大加速度

f摩擦力：运动时的摩擦力

f其他外部力：其他外部力，如拖链阻力等

有时我们不能明确具体的速度加速度大小是多少，但是我们可以根据时间节拍（即多长时间需要走完多少行程）来规划预设速度和加速度。

长行程时，通过梯形V-T模式。短行程时，通过三角形V-T模式。一般是预设相同的加减速大小。

通过预设出加减速大小，可以按照如上最大推力计算方式算出加减速时的推力。

持续推力的计算Calculationofsustainedthrust

直线电机的持续推力要满足该持续推力。

直线电机在维持匀速运动状态和上使能后的静止状态时，需要克服摩擦力和和外部力做功。计算持续推力时需要加入此过程。

持续推力计算方式：

Fa：加速时推力Ta：加速时间

Fc：匀速推力Tc：匀速时间

Fd：减速推力Td：减速时间

Fw：静止时推力Tw：静止时间

注意Note

为了更加安全起见，以上推力计算完成之后，需要设定一个安全系数。一般是1.3，即最终推力为计算推力*1.3。

计算案例展示Calculationcasepresentation

现在，我们以一个平躺安装的直线电机为例。

要求如下：

总共25kg的负载，2m的行程，需要在1.2s走完，重复的折返走。在两端的停留时间都是1s。

首先，预设一个V/T曲线，如下。加速度和最大速度分配不同，加速推力也会有差异。以下分配已是较优分配。

加速度为0.64g，速度为2.5m/s。

然后，根据如上数值计算。

最大推力：Fmax=Fa=m总×amax＋f摩擦力+f其他外部力，为计算方便，所计算出推力数值都取整数。

m总×amax=(25+1.2)*0.64*9.8=164N

其中：1.2为动子本体重量；9.8为重力加速度数值。

f摩擦力=（（25+1.2）*9.8+0.89*1000）*0.02=23N

其中：0.89为动定子间的吸引力，单位为KN；0.02为摩擦系数，该值可根据实际装配情况做调整，一般为0.01-0.02。

f外部力=20N

该值为一些其他阻力，比如拖链阻力等，可根据实际情况做调整。

以上可得：Fmax=Fa=164+23+20=207N

加速时间：Ta=0.4s

同理可得，减速推力Fd=m总×amax-f摩擦力-f外部力=164-23-20=121N

减速时间：Td=0.4s

匀速推力：Fc=f摩擦力+F外部力=43N

匀速时间：Tc=0.4s

静止时推力:Fw=0N

静止时间：Tw=1s

代入公式可得持续推力：

最后，算上安全系数1.3后：

峰值推力：Fmax=207*1.3=269N

持续推力:RMSForce=104*1.3=135N

为方便计算，也可使用计算工具进行计算。

由以上计算推力推荐可选线马科技电机:MIC98-070-S1

再将所选电机的动子重量和吸引力代入计算公式中进行验证，看计算推力是否超出电机的推力，这便是最后的计算步骤了。在直线电机领域，线马科技的直线电机能够实现高速、高精度的直线运动，具有结构简单、维护方便等优点。