技術前沿：直線電機——敏捷驅動和大推力驅動

直線電機（LinearMotor）是一種直接驅動的電機，它在直線上產生力，將電能轉換為機械能，直接做直線運動，無需額外的傳遞機構。從結構上來說，可以將其視為從徑向切割旋轉電機并將其平放。

對于不同的運動部件（動線圈和動磁軌），有兩種系統。通常，磁軌是靜止部分，包含線圈的驅動器是移動部分，以便從較低的質量獲得更大的加速度；但是動磁軌電機能夠達到更高的精度。直線電機的形狀可以制造為：一塊帶有移動力的表面安裝軌道板（平面直線電機），兩個平行的磁軌彼此面對，中間有動力（U型通道直線電機），或保持器在裝有磁鐵的圓柱棒上移動（管狀直線電機），具體配置取決于操作條件和特定應用。

鐵芯直線電機由三相電磁線圈組成，三相電磁線圈纏繞在壓片上的鐵芯（齒）上，鐵芯可以增加輸出的力。但是，推力器與軌道之間也會存在齒槽力和吸引力，影響推力和軸承壽命。

無鐵芯直線電機有時被稱為U型通道直線電機，繞組安裝在環氧樹脂中，而不是鐵疊片。通常，線圈繞組是三相的，采用無刷換向。零齒槽和吸引力延長了軸承壽命，但力輸出變小。

無槽直線電機結合了鐵芯電機和無鐵芯電機的設計元素。帶背鐵的三相線圈用環氧樹脂固定在一條軌道上，與U型無鐵芯設計相比，它們的成本更低、散熱更好，與鐵芯設計相比吸引力更低、齒槽效應更小。

無槽無鐵扁平電機由安裝在鋁制底座上的線圈組成，而無槽鐵扁平電機由安裝在鐵片上的線圈組成，用于引導磁場并增加力，然后安裝到鋁制底座上。包含鐵片的結構中存在吸引力和齒槽力，但這種設計比無鐵芯設計產生更大的力。

管狀直線電機是另一種類型的直線電機，線圈繞組通常是三相，使用霍爾效應裝置進行無刷換向，這些電機可以由鐵定子或無鐵定子構成。管狀直線電機具有圍繞圓柱形磁體軸的線圈。當驅動器中的電流在三相之間進行調整時，就會產生磁場。

音圈電機又稱不換向直流直線電機，是一種帶有動圈或動磁體的單相管狀直線電機。它由永磁體和線圈組成，當流過線圈的電流與永磁場相互作用時，產生移動力。

直線電機

直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉電機按徑向剖開，并展成平面而成。直線電機也稱線性電機，線性馬達，直線馬達，推桿馬達。

最常用的直線電機類型是平板式和U型槽式，和管式。線圈的典型組成是三相，由霍爾元件實現無刷換相。

直線電機經常簡單描述為旋轉電機被展平，而工作原理相同。動子(forcer，rotor)是用環氧材料把線圈壓縮在一起制成的;磁軌是把磁鐵(通常是高能量的稀土磁鐵)固定在鋼上。

電機的動子包括線圈繞組，霍爾元件電路板，電熱調節器(溫度傳感器監控溫度)和電子接口。

在旋轉電機中，動子和定子需要旋轉軸承支撐動子以保證相對運動部分的氣隙(airgap)。

同樣的，直線電機需要直線導軌來保持動子在磁軌產生的磁場中的位置。和旋轉伺服電機的編碼器安裝在軸上反饋位置一樣，直線電機需要反饋直線位置的反饋裝置--直線編碼器，它可以直接測量負載的位置從而提高負載的位置精度。直線電機的控制和旋轉電機一樣。像無刷旋轉電機，動子和定子無機械連接(無刷)，不像旋轉電機的方面，動子旋轉和定子位置保持固定，直線電機系統可以是磁軌動或推力線圈動(大部分定位系統應用是磁軌固定，推力線圈動)。用推力線圈運動的電機，推力線圈的重量和負載比很小。然而，需要高柔性線纜及其管理系統。

用磁軌運動的電機，不僅要承受負載，還要承受磁軌質量，但無需線纜管理系統。相似的機電原理用在直線和旋轉電機上。相同的電磁力在旋轉電機上產生力矩在直線電機產生直線推力作用。因此，直線電機使用和旋轉電機相同的控制和可編程配置。直線電機的形狀可以是平板式和U型槽式，和管式。哪種構造最適合要看實際應用的規格要求和工作環境。

直線電機工作原理

直線電機又稱線性機、線性馬達、直線馬達、推桿馬達。常見的直線電機有板式、型、槽式和管式。

直線電機清晰地顯示了內部的繞組。磁漿繩和磁軌由環氧材料制成，線圈用環氧樹脂壓制而成。更重要的是，磁軌將磁鐵固定在鋼鐵上。

直線電機通常被簡單地描述為扁平的旋轉電機，并以同時的方式工作。壓片機(轉子)采用環氧樹脂材料將線圈壓縮而成，磁軌是附著在鋼鐵上的磁鐵(通常是高能稀土破鐵》。電機的執行器包線圈繞組、霍爾元件電路板、熱敏電陽(溫度傳感器監測溫度》和電子接口。在旋轉電機中，轉子和定子需要由旋轉軸承支撐，以保證相對運動部分的氣隙。同時，直線電機也需要一個直線導軌來保持執行器在磁軌產生的磁場中的位置

與安裝在旋轉伺服電機軸上的編碼器一樣，直線電機需要一個線性位置反饋裝置，即直線編碼器，它可以直接測量負載的位置，提高負載的位置精度。

由定子演化而來的邊稱為主定子，由轉子演化而來的邊稱為次定子。在實踐中，主要和次要被制造成不同的長度，以確保主要和次要之間的耦合保持在恒定所需的行程范圍。直線電機可以是短主電機，也可以是長輔助電機。考慮到制造成本和運行成本，目前普遍采用短一次和長二次。從現在開始，供水供電供氣企業，對明令取消的收費項目，不得另立名目變相收費。為排除安全隱患開展上門服務、安全檢查等，不得向用戶收取費用。

直線電機的工作原理與旋轉電機相似。以直線感應電動機為例，當一次繞組連接到交流電源時，在氣隙中產生行波磁場。當二次行波磁場被切斷時，會感應電動勢，產生電流。當電流與氣隙中的磁場相互作用時，會產生電磁推力。如果主桿是固定的，則副桿在推力作用下沿直線運動。相反，初學者的動作是直線的。

直線電機的原理并不復雜。想象一個旋轉的感應電動機沿著半徑分裂并變平。這就變成了一個線性感應電動機。在直線電機中，相當于旋轉電機的定子，稱為主定子，相當于一個旋轉電機的轉子，稱為二次轉子。主電極在電磁力作用下沿直線運動。初級階段要足夠長才能達到運動需要的位置，而次級階段則無需足夠長。事實上，直線電機在初級和中級都可以做得很長，它可以是主要固定的，次要移動的，或者次要固定的，主要移動的。

直線電機是由電能直接轉化為直線運動能的電磁裝置，其結構由傳統圓筒型旋轉電機演變而來，而且工作原理也與旋轉電機相似。設想將一臺旋轉電機沿徑向剖開，并將電機的圓周展開成直線，這樣就得到了原始的直線電機。原來旋轉電機中的定子和動子分別演變為直線電機中的初級和次級，旋轉電機中的徑向、周向和軸向，在直線電機中對應地稱為法向、縱向和橫向。

直線電機的基本結構與工作原理

直線電機的初子繞組通入電流后，產生沿縱向方向正弦分布的氣隙磁場，當三相電流隨時間變化時，氣隙磁場將按交流電的相序沿直線定向移動，這個平移的磁場稱為行波磁場。次級導體在行波磁場的切割下產生電動勢形并形成定向感應電流，次級中的感應電流和磁場的共同作用下產生縱向電磁推力，如果初級是固定不定的，那么次級就沿行波磁場的運動方向做直線運動，這就是直線電機工作的基本原理。

優點

1、沒有機械接觸，傳動力是在氣隙中產生的，除了直線電機導軌以外沒有任何其它的摩擦；

2、結構簡單，體積小，通過以最少的零部件數量來實現我們的直線驅動，而且這僅僅是只存在一個運動的部件；

3、運行的行程在理論上是不受任何限制的，而且其性能不會因為其行程的大小改變而受到影響；

4、其運轉可以提供很寬的轉速運行范圍，其涵蓋包括從每秒幾微米到數米，特別是在高速狀態下是其一個突出的優點；

5、加速度很大，標準負荷為加速1G；

6、運動平穩，這是因為除了起支撐作用的直線導軌或氣浮軸承外，沒有其它機械連接或轉換裝置的緣故；

7、精度和重復精度高，因為消除了影響精度的中間環節，系統的精度取決于位置檢測元件，有合適的反饋裝置可達亞微米級；

8、維護簡單，由于部件少，運動時無機械接觸，從而大大降低了零部件的磨損，只需很少甚至無需維護，使用壽命更長。直線電動機與“旋轉電動機，滾珠絲杠”傳動性能比較表性能旋轉電動機+滾珠絲杠直線電動機。

直線電機模組的應用領域

1.工業與自動化中-由于直線電機有其自身獨特的優點;

2.交通運輸業中-直線電機技術在磁懸浮列車方面是很重要的應用;

3.物料輸送與搬運方面的應用-直線電機在各種物料輸送和搬運方面具有獨特的優勢;

4.民用與建筑業方面的應用-在民用與建筑業方面直線電機也得到廣泛應用;

5.直線電機在計算機及辦公設備領域的應用在計算機光驅設備。

直線電機特點

在實用的和買得起的直線電機出現以前，所有直線運動不得不從旋轉機械通過使用滾珠或滾柱絲杠或帶或滑輪轉換而來。對許多應用，如遇到大負載而且驅動軸是豎直面的。這些方法仍然是最好的。然而，直線電機比機械系統比有很多獨特的優勢，如非常高速和非常低速，高加速度，幾乎零維護(無接觸零件)，高精度，無空回。完成直線運動只需電機無需齒輪，聯軸器或滑輪，對很多應用來說很有意義的，把那些不必要的，減低性能和縮短機械壽命的零件去掉了。

(1)結構簡單。管型直線電機不需要經過中間轉換機構而直接產生直線運動，使結構大大簡化，運動慣量減少，動態響應性能和定位精度大大提高;同時也提高了可靠性，節約了成本，使制造和維護更加簡便。它的初次級可以直接成為機構的一部分，這種獨特的結合使得這種優勢進一步體現出來。

(2)適合高速直線運動。因為不存在離心力的約束，普通材料亦可以達到較高的速度。而且如果初、次級間用氣墊或磁墊保存間隙，運動時無機械接觸，因而運動部分也就無摩擦和噪聲。這樣，傳動零部件沒有磨損，可大大減小機械損耗，避免拖纜、鋼索、齒輪與皮帶輪等所造成的噪聲，從而提高整體效率。

(3)初級繞組利用率高。在管型直線感應電機中，初級繞組是餅式的，沒有端部繞組，因而繞組利用率高。

(4)無橫向邊緣效應。橫向效應是指由于橫向開斷造成的邊界處磁場的削弱，而圓筒型直線電機橫向無開斷，所以磁場沿周向均勻分布。(5)容易克服單邊磁拉力問題。徑向拉力互相抵消，基本不存在單邊磁拉力的問題。

(6)易于調節和控制。通過調節電壓或頻率，或更換次級材料，可以得到不同的速度、電磁推力，適用于低速往復運行場合。

(7)適應性強。直線電機的初級鐵芯可以用環氧樹脂封成整體，具有較好的防腐、防潮性能，便于在潮濕、粉塵和有害氣體的環境中使用;而且可以設計成多種結構，滿足不同情況的需要。

(8)高加速度。這是直線電機驅動，相比其他絲杠、同步帶和齒輪齒條驅動的一個顯著優勢。

直線電機的九大優勢

1.高速度，可參考磁懸浮列車速度。

2.高精度，微米級起步，向納米級靠近。

3.易控制，支持多種控制方式和接口。

4.結構簡單，動定子無接觸，無磨損。

5.運行順暢平穩，無摩擦，無背隙。

6.定子可拼接，行程可無限延長。

7.支持多動子，可同時獨立運動。

8.響應快，加速度高，效率提升。

9.噪音更低，更安靜的工作環境。

一、高速度

直線電機的速度可以有多快，大家可以參考磁懸浮列車的速度。直線電機理論上能達到多快呢？可以比火箭更快！

當然理論不同于實際的，在當前的自動化行業中，直線電機的速度，受限于導軌的材質。雖然直線電機的動定子是不接觸的，但在實際運用中，直線電機必須配套導軌、滑塊才能發揮作用。過快的速度，是導軌無法承受的。當前，市面上的較好的導軌，所能承受的速度極限是3.5米/秒，更多的則在2米/秒以下，極少數導軌能適應6米/秒的速度，但壽命也不會太長。

即便如此，在實際運用中，直線電機的速度也是遠遠優于絲桿、皮帶、齒輪齒條等傳動方式的，更不用說直線電機能達到這些傳動方式無法達到的行程。

有鐵芯直線電機

二、高精度

通常，就重復定位精度而言，絲桿模組為：±0.005mm-±0.01mm，皮帶模組為：±0.04mm，齒輪齒條模組為：±0.1mm。直線電機，再配上柵尺，讀頭，滑塊、導軌，驅動器等配件，組裝成模組后，重復定位精度一般在：±0.0025mm（磁柵尺）到±0.0015mm（光柵尺），當然這是基本配置后的精度。如果配上高端的氣浮軸承，大理石底座，直線電機的重復定位精度是可以用納米來記的。

三、易控制

說到控制方式，這才是自動化的靈魂，再好的產品，沒有一個好的控制方式，就不能完美的執行指令，也就發揮不出它最佳的價值。因此，控制方式也是自動化設計中最先考慮的問題。

傳統傳動的控制方式，相對單一，運動動作，也非常機械，所需要的指令也很單薄，可編輯性很差。

直線電機的控制就靈活多了，除了支持各種主流的控制模式，編碼器反饋方式，多數廠家的控制器是可以支持二次開發的。

四、結構簡單

直線電機包括多種形式，最常見的有：有鐵芯、無鐵芯、磁軸式、DD馬達、音圈電機，他們的結構都非常簡單。概括來說就是：動子和定子。

精簡的結構帶來的好處，不僅是易于安裝、調節，更重要的是，不易損壞，即使出了故障，也容易排查。加上，直線電機的動定子都是不接觸的，動子和定子之間是存在一定的氣隙的，因此他們是毫無磨損的，也更不容易被損壞，壽命也更長了。

反觀傳統的直線傳動方式，無一例外都是需要有接觸傳動的，比如絲桿和螺母、皮帶和同步輪，齒輪和齒條，都是必然接觸，必然磨損的。

五、運行順暢平穩

前面已經說了，直線電機的動定子是無接觸、無摩擦的，因此動子的運行是非常順暢，平滑的。有鐵芯直線電機會有一定的齒槽效應，但它的順暢、平穩度也是遠優于傳統傳動方式的，更別說零齒槽力的無鐵芯電機、磁軸式電機了。

絲桿、皮帶、齒輪齒條這些傳動方式，都無可避免的有接觸和摩擦，這會給滑座的運動帶來很大的摩擦阻力，滑座來回運動中就會不那么順暢平穩了。

六、定子可拼接，行程可無限延長

說到行程，我們都知道，絲桿模組的行程受限于絲桿、導軌的長度，皮帶模組受限于皮帶和電機輸出功率，齒輪齒條模組也受到動力輸出的限制，總之，他們的行程都是非常有限的。

但直線電機的行程，就是動子在定子上磁懸浮運動，只要定子磁力覆蓋的地方，都可以視為動子的行程范圍。理論上，直線電機的行程是無限的，就如磁懸浮列車一樣，可以無限延長。

在實際的工業設計應用中，定子可以拼接延長的，導軌也可以，因此，直線電機的行程可以說是無限。

七、支持多動子，可同時獨立運動

就好比，一條磁軌上可以同時運行多輛列車，直線電機在同一組定子上，也是可以同時運行多個動子的。每個動子獨立運行，同一由上位機控制。這會大大提高自動化設備的工作效率，這樣也是絲桿模組、皮帶模組很難做到的。完全沒有可比性。

目前，市面上已經有許多成熟的多動子環形導軌廠家，菲格斯就是其中比較突出的供應商之一。

八、響應快，加速度高，效率提升

先說加速度這個概念，它可以抽象的理解為，汽車在靜止狀態下，啟動，然后加速，再達到所需要的速度，平穩行駛。這就是很多廠家標榜的百米加速所需時間的概念。直線電機和其他傳動一樣，也是有一個指標來評判從啟動，到最高速度所需的時間，這通常被理解為響應速度，加速度等概念。小編這里力求通俗易懂，表述不一定完全準確。

加速度越高，就說明從靜止到最高速的響應越快，這個優勢給直線電機的應用開辟了新的場景，比如航母上的飛機彈射器，就是利用的直線電機的高加速度特點。

傳統傳動的響應速度通常是直線電機的幾十倍到幾百倍。

九、噪音更低，更安靜的工作環境噪聲，也是一種污染！

過大的噪聲，不僅不利于人體健康，影響工作人員情緒，增大出錯幾率，而且世界各地有不同的相關規定，超過80分貝的噪聲，已被視為污染。

絲桿、皮帶、齒輪齒條等傳動方式的噪音已經接近噪聲污染的標準了，加上工作環境里其他的聲響，肯定是不適合員工工作的。直線電機的聲響大約在50-60分貝，可以有效的降低噪聲，改善工作環境。

直線電機的發展歷史

直線電機最早可追溯到1840年惠斯登提出和制作的直線電機，至今已有160多年。

1891年，法國的孟·勒布朗首次為直線電機定名，美國的Bradly提出利用行進磁場的直線電機。

1895年，美國的J.Weaver申請了直線磁阻電機織機梭子的專利。

1905年，德國的Zehden提出了單側定子三相直線電機的方案。英國的H.Wilson建議將直線電動機作為火車的推進機構并申請了專利。

1908年美國的杰森也提出用直線電機驅動單軌列車的設想。但是，在當時條件下，直線電機的調速性能以及經濟性、可靠性等與旋轉電機相比還沒有競爭力，因此很長時間內未得到廣泛應用。

20世紀50年代后，英國的萊思韋特教授在直線電動機基礎理論研究方面取得了很多研究成果，對直線電機的復興了起到了重要推動作用。萊思韋特曾長期致力于直線電機軌道車輛的研究。

1960年，萊思韋特在他當時任教的曼徹斯特大學利用直線電機牽引車輛模型設計制造了載人直線電機軌道車輛模型，并在24ｍ的軌道上做了試驗。該模型車重750ｋｇ，采用雙邊定子。

1962年，他又在曼徹斯特戈頓機車廠建造了914ｍ長的試驗線，對這臺軌道車輛模型（垂直感應板）進行了試驗。接著萊思韋特建立了“軌道氣墊有限公司”，在英國政府的支持下進行直線電機氣墊懸浮軌道車輛研究。1976年，他為英國工業研究協會設計制造了一套用于汽車碰撞試驗的直線電機加速系統。

1975年，英國設計了一條直線電機牽引輪軌列車都市快軌交通試驗線：鐵軌中間安裝238ｍ長的鋁制感應板。

1975年英國在直線電機輪軌列車試驗列車轉向架上安裝了直線牽引電機。但是，當時并沒有進行直線電機牽引試驗，而僅僅是檢驗直線電機牽引系統的可行性，包括感應板安裝的難易程度。

然而，直線電機成功地用于軌道交通卻是在磁懸浮列車上首先實現的。由于磁懸浮列車不能再依靠車輪驅動，所以很自然地采用了直接通過電磁力驅動列車的直線電機。

上世紀60年代以來，得益于電力電子技術的進步，采用交流調速技術的直線電機驅動的高速磁懸浮列車在德國、日本、英國、美國、瑞士、韓國、中國等國相繼建立起了試驗和試運行線路。

進入21世紀以后，上海浦東高速磁懸浮列車和日本名古屋低速磁懸浮列車的商業運行，標志著磁懸浮鐵路已進入了實際應用的階段。如果說磁懸浮列車采用直線電機是在旋轉電機無法發揮作用下的唯一選擇，那么現代直線電機輪軌交通系統則可以看作是在磁懸浮列車獲得成功的推動下誕生的。人們意識到，既然直線電機驅動的磁懸浮列車因為不再通過黏著力牽引而具有更大的爬坡能力，那么直線電機用于輪軌列車當然具有同樣的優點。

因此，20世紀80年代以后，加拿大、日本等國在研究磁懸浮列車的同時成功地開發出直線電機驅動的城市輪軌車輛交通系統并付諸實用。這種新型交通系統伴生的優點還有：車輛斷面小、噪音低，可以采用徑向轉向架，等等。

直線電機是如何驅動的

直線電機是一種特殊的電機結構，與傳統旋轉電機相比，直線電機可以提供直線運動，因此廣泛應用于需要精準直線運動和快速響應的領域，如空間推進系統、計算機數控機床、磁懸浮列車等。

直線電機的驅動方式與傳統旋轉電機驅動方式存在一定的差異。直線電機的驅動方式一般可以采用以下兩種方式：

1.交流驅動：直線電機的交流驅動采用類似于三相交流電機的驅動方式，將三相(或多相)交流電源的電流按照一定規律依次輸入到直線電機的三個(或多個)電磁線圈中，從而形成旋轉磁場。當直線電機運動時，磁場的方向不斷變化，從而產生與方向相同的推力，實現直線運動。

2.直流驅動：直線電機的直流驅動采用類似于直流電機的驅動方式，將直流電壓輸入到直線電機的線圈中，從而形成磁場。同時，在線圈上安裝位置傳感器或編碼器，測量直線電機的位置、速度和加速度等參數，并將其反饋給控制器。控制器根據反饋信號和設定信號，通過調節驅動電壓的大小和方向，控制直線電機的運動，以實現直線運動。

無論是交流驅動還是直流驅動，直線電機的控制都需要采用高精度的驅動電路和控制器，以實現對直線電機運動軌跡的高效控制。同時，直線電機的驅動過程還需要綜合考慮電磁主體的結構、材料、電學參數等因素，確保系統的穩定性和性能優越。

直線電機與磁浮驅動

直線電機是一種直線式電動機，與旋轉電機不同，直線電機的轉子和定子是直接線性排列的，它的運動方向與磁場方向也一致，因此具有高效率、高加速度、高精度和自鎖保持等優點。直線電機廣泛應用于高速列車、工廠自動化、自動化倉庫等領域，能夠提高生產效率、節約能源、降低成本。

磁懸浮驅動技術則是一種以磁懸浮原理為基礎的運動控制技術，這種技術的最大特點是直接利用磁場來對運動進行控制，從而實現高速、平穩、準確和無接觸的運動。磁懸浮驅動技術廣泛應用于高速列車、磁懸浮列車、高精度測試設備、高速機床和機器人等領域。

直線電機和磁浮驅動技術可以結合使用，實現更加高效、高速、準確和省能的產品設計和生產。例如，在高速列車上，直線電機可以提供強勁的牽引力和準確的定位控制，而磁懸浮驅動技術可以提供更加平穩、無聲、無接觸的行駛體驗。

此外，直線電機和磁浮驅動技術也可以在工廠自動化和自動化倉庫等應用中發揮作用，通過快速準確的定位，實現更高效的物流和生產流程。同時，磁浮驅動技術也可以提供更加平穩、無接觸的運動，從而減少機械零部件的磨損和維護成本。

與傳統傳動機構對比

傳統伺服+絲杠機床結構

?傳動結構復雜，零件數量多

?安裝精度要求高，安裝時間更長生產效率低

?傳動環節多，精度誤差高

?機械傳動摩擦環節多

直驅電機機床結構

?結構簡單，零件數量少

?直線電機安裝精度要求僅有氣隙數值和基本對稱要求，安裝時間短

?無中間傳動環節

?無接觸，無摩擦

直線電機特點

當談到直線電機時，首先想到的是它的運行精度和速度，以及直線電機的負載和推力。有人會問，直線電機那么貴，它的核心價值是什么?它的優點是什么?

在性能強勁、價格實惠的直線電機出現之前，直線運動是根據滾珠絲杠由旋轉電機轉換而來的。與傳統的直線運動方式相比，直線電機有很多優點比如針對高速、高加速度、零護、高精度的要求，直線電機在沒有齒輪、聯軸器、滑輪的情況下，有著無可比擬的優勢。直線電機有其獨特的特點是旋轉電機無法替代的。

直線電機具有以下優點:

Part1結構簡單:由于直線電機無需經過中間轉換機構直接產生直線運動，系統本身的結構大大簡化，重量和體積也大大減小，降低了運動慣量，提高了動態響應性能和定位精度。它結構簡單、配備齊全，其結構相比直線電機模組更為空間緊湊化，配件更少，優化了結構，一體化成型，體積小、推力大，理論上可以無限拼接長度，是標準品，而且價格低、交期快!

Part2定位精度高:當需要直線運動時，直線電機可以實現直接傳動，消除中間環節引起的各種定位誤差。因此，定位精度高。達到+3um重復定位精度的同時，傳動速度還能達到4m/s

Part3反應速度快，靈敏度高，跟蹤效果好。直線電機易于磁懸浮支撐，使轉子與定子之間始終存在一定的氣而無接觸，消除了定子與定子之間的接觸摩擦阻力，大大提高了系統的靈敏度、快速性和何服性能。它是一種直線電機驅動，明顯優于其他絲桿、同步帶和齒輪齒條驅動。

Part4安全可靠，使用壽命長。直線電機無接觸傳動力，機械摩擦損耗幾乎為零，故障率低，免維護，運行安全可靠，使用壽命長。直線電機適用于高速直線運動。如果沒有離心力的約束，普通材料可以達到更高的速度，傳動部件沒有磨損，可以減少機械損耗，噪音小，從而提高整體效率

Part5節省成本。由于直線電機提高了可靠性，能節省成本，使生產和維護保養更加容易。它的起始水平可以直接成為組織的一部分，這種沖特的組合進步證明了這一優勢。在不增加成本的情況下，整合了導軌和滑塊相結合，而它的價格僅是同類直線電機模組的一半。

Part6易于調節和控制。通過調節電壓或頻率，或改變次級材料，可獲得不同速度、電磁推力，適合低速往復運行場合。

直線電機主要應用于三個方面:

1、適用于自動化控制系統，使用頻率較高

2、驅動電機長期連續運行;

3、它適用于需要在短時間和短距離內提供巨大的直線運動能量的設備。

永磁直線電機的齒槽分析

直線電機因其高響應能力、定位準確，已廣泛應用于機床的載體裝置和驅動單元。而想要提高直線電機的響應能力，我們需要獲得比較大的推力以增強響應性；并且另一方面也需要權衡減少推力變化和吸引力的關系。

為了獲得較大的推力，需要考慮材料的非線性磁性能和磁鐵的退磁特性，為了評估推力的變化，需要在建模出詳細的幾何圖形后進行分析。這就是為什么需要用基于有限元法(FEM)的磁場分析仿真來研究它們的原因。

分析假設

電機由定子和動子組成

定子由定子鐵芯和線圈組成

動子由動子鐵下心和磁鐵組成

動子的運動是純平移的

流過線圈的激勵為三相正弦交流電

組件

分析目標的幾何形狀和各部件的名稱如圖2.1所示，各部件的規格如表2.1所示。

圖2.1永磁電刷電機

表2.1電機規格

材料

各部件的材料如表2.2所示，磁體的充磁方向如圖2.3所示。

表2.2材料特性

圖2.2BH曲線(定子鐵芯、動子鐵芯)

圖2.3磁鋼充磁方向

繞組

繞組設置如表2.3所示，分布式繞組接線方式如圖2.4所示。

表2.3繞組規格

圖2.4繞線方式

驅動條件

驅動條件設定見表2.4。

表2.4驅動器條件設定

分析結果

齒槽力

圖4.1為齒槽力波形；為了找出齒槽力產生的原因，本案例分析了圖4.1中藍色圈出的位置的磁通密度分布如圖4.2所示。圖4.2顯示，動子末端的磁通密度分布不均勻。且這種磁路的不平衡是造成較大齒槽波紋的關鍵因素。

圖4.1齒槽力波形

圖4.2磁通量密度分布(動子位置:50mm)

推力和吸引力

運行位置和推力的關系如圖4.3所示，運行位置和引力如圖4.4所示。從圖中可以看出，推力和引力的周期與齒槽力的周期。因此齒槽紋波會影響推力的變化，因此為了減小推力的變化，需要將齒槽紋波做得更小。引力也與旋轉機器中的徑向力相同，也就是說它受到間隙中磁通量流動的影響，因此可以通過改變槽的幾何形狀來減小垂直于間隙流動的磁通量來減小引力。

圖4.3位置與推力

圖4.4位置與引力

直線電機應用

直線電機亦是短跑能手，可在短行程（≤4mm）運動條件下每秒超過十五個往返，也很適用于長行程應用（1000-＞5000mm），并且可以在同一軸上安裝數個動子，增加非標自動化機臺設計的靈活性。

直線電動機的應用

直線電動機由于特殊的結構和運動方式，其應用范圍相當廣泛，既可作為控制系統的執行元件，也可以用于較大功率的電力拖動自動控制系統，下面列舉若干實際應用的例子。

1.作為直線運動的執行元件

(1)機械手

圖9.18所示為電機制造中傳遞硅鋼片沖片的機械手示意圖。直線感應電動機的次級端頭裝有電磁鐵，沖片沖好后，直線電機通電，電磁鐵隨同次級進入沖床，電磁鐵通電把沖好的沖片吸上后，直線電機反向通電，把沖片從沖床內帶出，電磁鐵斷電，沖片靠自重落下，集聚在預置的框內。

(2)電動門

圖9.19所示為一扇直線電機電動門示意圖直線感應電動機的次級鋼板作為電動門的構件初級通電后，次級鋼板中感應產生電流，并產生推力，驅動電動門做直線運動。

2.用于機械加工產品

(1)電磁錘

圖9.20所示為用于機械加工的電磁錘示意圖，電磁錘的錘桿用兩根角鋼焊接成空心的鋼桿在其兩側各裝一個直線感應電動機的初級。初級通電，錘桿上升;初級斷電，錘桿自由落下打擊工件

(2)電磁打箔機

圖9.21所示為電磁打箔機示意圖，電磁打箔機采用圓筒型直線感應電動機作為動力源。初級通電后，錘桿向上運動，當錘桿上升到一定高度時斷電，由于慣性的作用，錘桿繼續上升，撞擊頂部的彈簧，然后依靠彈簧的儲能和錘桿、錘頭的重力勢能打擊工件。電動機間歇通電，錘桿即能做上下往復運動。工件為韌性較大的紙包，其中包有金箔。在錘頭頻繁的鍛打下，金箔可被打制成很薄的箔片，其厚度可達0.2um。

3.用于信息自動化產品

(1)筆式記錄儀

筆式記錄儀主要由動圈型永磁直線直流電動機、運算放大器和平衡電橋組成，如圖9.22所示電橋平衡時，沒有電壓輸出，這時直線電動機所帶的記錄筆處在儀表的指零位置。當外來信號EWV不等于零時，電橋失去平衡，運算放大器產生一定的輸出電壓，推動直線電動機的可動線圈做直線運動，從而帶動記錄筆在記錄紙上把信號記錄下來。同時，直線電動機還帶動反饋電位器滑動使電橋重新趨向平衡。

(2)平面電機與平面繪圖儀

由雙軸組合的直線步進電動機可以構成平面式步進電動機。圖9.23所示平面電機示意圖，它是將兩臺直線步進電動機組合在一起，其中一臺電動機產生X軸方向的運動，另一臺電動機產生Y軸方向的運動。這樣，平面式步進電動機不需要任何機械轉換裝置，就能夠直接產生平面形式的運動。由于直線步進電動機的特殊結構和工作原理，使得兩臺直線步進電動機的組合變得一分簡便。實際上，采用三臺直線步進電動機還可以做成二軸向的三維電動機。

圖9.24所示為基于雙軸直線步進電動機的平面繪圖儀示意圖，兩個電動機的初級相互垂直，次級臺板上開有相互垂直的齒槽，電動機利用氣墊形成初、次級之間的氣隙，在計算機的控制下帶動繪圖筆運動，實現繪圖功能

(3)硬盤的磁頭驅動機構

硬盤內部結構是由盤頭組件構成的核心，封裝在硬盤的凈化腔體內，包括浮動磁頭組件、磁頭驅動機構、磁碟及主軸驅動機構、前置讀寫控制電路等

硬盤的磁頭驅動機構由音圈電機和磁頭驅動小車組成，新型大容量硬盤還具有高效的防震動機構。高精度的輕型磁頭驅動機構能夠對磁頭進行正確的驅動和定位，并在很短的時間內精確定位到系統指令指定的磁道上，保證數據讀寫的可靠性。

硬盤驅動器加電正常工作后，利用控制電路中的單機初始化模塊進行初始化工作，此時磁頭置于磁碟中心位置，初始化完成后主軸電機將啟動并以高速旋轉，裝載磁頭的小車機構移動，將浮動磁頭置于磁碟表面的00道，處于等待指令的啟動狀態

4.用于長距離的直線傳輸裝置

(1)運煤車

圖9.27所示為直線電機運煤車示意圖。礦井運煤軌道一般很長，每隔一段距離，在軌道中間安置一臺直線感應電動機的初級。一列運煤車由若干礦車組成，每臺的車的底部裝有鋁鋼復合次級。直線電機的初級依次通電，便可把運煤車向前推進。

(2)新型電梯

圖9.16所示的永磁式直線同步電動機礦井提升系統同樣可以應用于電梯這種垂直運輸系統。同傳統的繩索電梯和液壓電梯相比，基于直線電機的新型電梯具有如下優點:

（1)節約場地。

因為直線電機電梯的軌道即是直線電機的定子，沒有必要專門鋪設垂直軌道，具有增加有效面積的優點。

（2）節省電力。

新型直線電機電梯的最高速度可達1.75m/s，這樣的速度，繩索電梯的曳引機必須采用齒輪減速器變速，電梯升降系統的傳動效率會明顯降低。而直線電機因其是非接觸的驅動機構，所以沒有傳動效率降低的情況。和液壓電梯相比，電力消耗的差別更大，它比液壓電梯可節約60%以上的能量。

（3）可靠性高。

繩索電梯的曳引機由齒輪減速器旋轉由機曳引輪、防振機構等組成，液壓電梯的動力部分是由旋轉電機、液壓油泵控制閥油箱和油冷卻器組成，都比較復雜。而直線電機電梯的驅動機構一分簡單，而且由于自動保持定的氣隙，沒有零件的摩擦，因而也就不會產生磨損，這樣就可以使電梯運行的可靠性大天提高維修保養也十分方便

（4）噪聲低。

直線電機電梯沒有減速器、旋轉電機及液壓油泵運轉時所產生的噪音，也沒有鋼絲繩和曳引輪之間摩擦所產生的噪聲，而且鋼絲繩的壽命也會大大提高

5.用于高速磁懸浮列車

磁懸浮列車是21世紀理想的超級特別快車世界各國都十分重視發展磁懸浮列車。目前，我國和日本、德國、英、美等國都在積極研究這種車。

（1）常導電磁懸浮技術

圖9.28所示為常導高速磁懸浮列車模型。該列車采用“異性相吸”原理設計，是“常導磁吸”(簡稱“常導型)直線感應電動機磁懸浮型列車

利用安裝在列車兩側轉向架上的懸浮電磁鐵和鋪設在軌道上的磁鐵，在磁場作用下產生的吸力是車輛浮起來

懸浮列車的驅動和同步直線電動機原理一模樣。通俗說，在位于軌道兩側的線圈里流動的交流電，能將線圈變成電磁體，由于它于列車上的電磁體的相互作用，使列車開動。列車頭部的電磁體N極被安裝在靠前一點的軌道上的電磁體S極所吸引，同時又被安裝在軌道上稍后一點的電磁體N極所排斥。

列車前進時，線圈里流動的電流方向就反過來，即原來的S極變成N極，N極變成S極。循環交替，列車就向前奔馳

（2）超導電動磁懸浮

圖9.29所示為超導電動磁懸浮列車，基于直線同步電動機原理設計。直線同步電動機電樞繞組埋在路基中間，勵磁繞組采用超導線圈，安裝在車廂底部

由于超導線圈能提供極強的磁場，因此這種電機不需要鐵心。車廂底部兩側還裝有供磁懸浮用的超導磁浮線圈，在其下方的地基中鋪有導鋁板，磁浮線圈產生的磁場在鋁板中感生電流，它們相互作用產生推斥力，使列車懸浮。這是一種超導斥浮型高速列車。日本的超導磁懸浮列車已經過載人試驗，即將進入實用階段，運行時速可達500千米以上

（3）永磁懸浮技術

上述兩種方案各有利弊。超導斥浮型直線同步電動機初、次級之間的氣隙可以設計得比較大易于控制，但由于采用超導，且全程都必須設置電樞繞組，因此總體成本高，常導吸浮型直線感應電動機的氣隙不能做得過大，否則電動機的效率和功率因數都偏低，所以它對控制系統的要求較高，但成本要低不少

永磁懸浮技術是中國自己擁有核心及相關技術發明專利的原始創新技術。日本和德國的磁懸浮列車在不通電的情況下，車體與槽軌是接觸在一起的，而利用永磁懸浮技術制造出的磁懸浮列車在任何情況下，車體和軌道之間都是不接觸的

驅動系統采用自主研發的磁動機技術。磁動機由永磁轉子輪和直線定子鐵靴構成，定子與轉子之間不接觸，依靠永磁場產生吸力或拉力，而驅動磁懸浮列車運行或制動，它均布在列車動力艙內，屬分散動力裝置，是永磁懸浮列車的核心技術之一。

磁動機已經在輕型吊軌磁懸浮技術驗證車的專用裝置上成功試用，并在專用模擬圓周軌道上運行成功。大連正在建設目前世界最先進的三公里永磁懸浮試驗線，運行槽軌磁懸浮列車，最高速度可達每小時320公里

永磁懸浮技術裝備的列車具有六個領先優勢一是節能、環保，懸浮耗能少，列車在運行過程中噪音低:二是超強的運載能力，運輸能力相當于現行火車，三是安全，由于永磁懸浮采用車路一體化結構與控制設計，杜絕發生追尾、撞車脫軌和翻車可能;四是路車綜合造價最低，綜合造價遠低于國外;五是運行成本最低，國外磁懸浮運行成本略低于飛機，而永磁懸浮運行成本低于現行火車。

直線電機怎么選

1直線電機分幾種？

從本質上分，直線電機分為有鐵芯直線電機和無鐵芯直線電機。

有鐵芯直線電機：定子上磁鋼固定在底部基座上，上部是由鐵芯和銅線組成的動子。在有鐵芯切割磁感線和定子磁鋼的雙重作用下，推力及轉動慣量偏大，速度和加速度較低。適用于低速、重載、高推力情況下使用。

無鐵芯直線電機：又稱U型槽電機，由定子高密度磁鋼，和定子內線圈組成，其磁鋼排列均勻，磁通量大，沒有鐵損、響應快、速度高、加速度高。適用于軸承摩擦力小、對較輕負載具有高加速度，以及在超低速條件下依然可以確保最高恒速的應用。

2有鐵芯/無鐵芯直線電機應用行業？

有鐵芯直線電機：電子半導體、光伏片及鋰電池、精密車床加工、工業印刷機、激光加工等。

無鐵芯直線電機：玻璃及液晶面板、生物醫療設備、晶圓搬運及檢測，高速度高精定位、軌道跟隨或速度控制苛刻的各類檢測需求。

3直線電機質量怎么判定？

定子磁鋼動子

定子的平面度和粗糙度；

定子平面度是平臺的基石，平面度直接影響平臺的絕對定位精度，以及運動加速度曲線的平滑度，定子越平整，表面越光滑，電機性能越好。

單個磁鋼寬度與磁鋼顏色以及所有磁鋼水平度是否一致；

單個磁鋼寬度越窄，電機性能越好，越窄磁鋼覆蓋越密集，重疊磁場強度越均勻，電機運行穩定性就越強。磁鋼顏色影響磁鋼本身的材質，磁鋼顏色越銀亮，色澤越飽滿，電機性能越好。

動子厚度；

動子越薄，其內部線圈的排列越均勻，電機運行時越穩定，電機性能越好。

鐵芯直線電機，工業機械自動化首選！

直線電機選型推力計算

方式Way

1、看直線電機的推力（包含持續推力和峰值推力）；

2、看直線電機的最大速度。

這兩者要同時滿足。其中最大速度可以通過提高供電電壓來適當提升。而直線電機的推力作為直線電機的最重要參數之一，我們一般會清晰直觀地標注在電機的性能參數表上。

那如何來計算我們的應用中需要多大的推力呢？

今天線馬科技和大家

分享一下直線電機選型中的推力計算。

最大推力的計算Calculationofmaximumthrust

直線電機的峰值推力要滿足最大推力要求。

最大推力一般是在加速過程中需要用到的推力，由移動物體的質量（包括直線電機的動子質量）和最大加速度決定。

最大推力計算方式如下：

Fmax=Fa=m總×amax＋f摩擦力+f其他外部力

Fmax：最大推力

m總：移動物總質量

amax：最大加速度

f摩擦力：運動時的摩擦力

f其他外部力：其他外部力，如拖鏈阻力等

有時我們不能明確具體的速度加速度大小是多少，但是我們可以根據時間節拍（即多長時間需要走完多少行程）來規劃預設速度和加速度。

長行程時，通過梯形V-T模式。短行程時，通過三角形V-T模式。一般是預設相同的加減速大小。

通過預設出加減速大小，可以按照如上最大推力計算方式算出加減速時的推力。

持續推力的計算Calculationofsustainedthrust

直線電機的持續推力要滿足該持續推力。

直線電機在維持勻速運動狀態和上使能后的靜止狀態時，需要克服摩擦力和和外部力做功。計算持續推力時需要加入此過程。

持續推力計算方式：

Fa：加速時推力Ta：加速時間

Fc：勻速推力Tc：勻速時間

Fd：減速推力Td：減速時間

Fw：靜止時推力Tw：靜止時間

注意Note

為了更加安全起見，以上推力計算完成之后，需要設定一個安全系數。一般是1.3，即最終推力為計算推力*1.3。

計算案例展示Calculationcasepresentation

現在，我們以一個平躺安裝的直線電機為例。

要求如下：

總共25kg的負載，2m的行程，需要在1.2s走完，重復的折返走。在兩端的停留時間都是1s。

首先，預設一個V/T曲線，如下。加速度和最大速度分配不同，加速推力也會有差異。以下分配已是較優分配。

加速度為0.64g，速度為2.5m/s。

然后，根據如上數值計算。

最大推力：Fmax=Fa=m總×amax＋f摩擦力+f其他外部力，為計算方便，所計算出推力數值都取整數。

m總×amax=(25+1.2)*0.64*9.8=164N

其中：1.2為動子本體重量；9.8為重力加速度數值。

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

其中：0.89為動定子間的吸引力，單位為KN；0.02為摩擦系數，該值可根據實際裝配情況做調整，一般為0.01-0.02。

f外部力=20N

該值為一些其他阻力，比如拖鏈阻力等，可根據實際情況做調整。

以上可得：Fmax=Fa=164+23+20=207N

加速時間：Ta=0.4s

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

減速時間：Td=0.4s

勻速推力：Fc=f摩擦力+F外部力=43N

勻速時間：Tc=0.4s

靜止時推力:Fw=0N

靜止時間：Tw=1s

代入公式可得持續推力：

最后，算上安全系數1.3后：

峰值推力：Fmax=207*1.3=269N

持續推力:RMSForce=104*1.3=135N

為方便計算，也可使用計算工具進行計算。

由以上計算推力推薦可選線馬科技電機:MIC98-070-S1

再將所選電機的動子重量和吸引力代入計算公式中進行驗證，看計算推力是否超出電機的推力，這便是最后的計算步驟了。在直線電機領域，線馬科技的直線電機能夠實現高速、高精度的直線運動，具有結構簡單、維護方便等優點。