常见直线电机分类和性能对比研究

陆爱国

摘 要：直线电机优越的特性已经为人们熟知，随着自动化程度的提高和高精度、高速度的需求，直线电机开始逐渐普及应用。本文从直线电机的分类切入，综合讨论了AC直线电机、DC直线电机、有铁心直线电机、无铁心直线电机等各类直线电机的原理、结构特点和差异。对实际应用最广泛的AC同步直线（LSM）中的平板型直线电机、U型直线电机、磁轴型直线电机进行深入对比，最后提供了一种应用选型计算的方法。通过系统分析各类直线电机的特性及适宜的应用场合，为更好地应用和选型提供参考依据。

关键词：直线电机;磁轴型直线电机;选型分析;性能评价

0 引言

现今，自动化领域对直线电机的使用越来越重视，其高速、高精度的特点被认可，替代旋转伺服电机的趋势也非常地显著。在技术进步和应用多样化需求日益增多的现况下，常见的旋转伺服电机加丝杠传动的结构不能满足设备越来越高的要求。直线电机的产生恰恰可以弥补丝杠传动的这些不足，因此近些年来直线电机的使用以每年20%～30%的增长速度不断地应用于各种自动化设备上。然而直线电机种类较多，不同类型的直线电机有不同的特点和应用场合，本文将重点论述各类直线电机的结构、原理和特性。

1 直线电机类型

市场上常见的直线电机从节约材料增加推力的角度区分可以分为有铁心和无铁心直线电机;从外形结构上区分可分为平板型、U型、轴型（磁轴型）;从驱动电源角度区分可分為交流（AC）和直流（DC）直线电机。

以上分类中AC直线同步电机有各种不同的构造特点，其中平板型和轴型的结构差异最大。同时又区分为有铁心和无铁心的结构，然而轴型电机在市场上很难看到有铁心的轴型电机。由于有铁心直线电机的多个缺点限制，在自动化产业中无铁心的直线电机的使用更为广泛。

2 直线电机的差异

2.1 与旋转电机的差异

直线电机可以看作是旋转电机将圆形的结构切开一边展开的形状。旋转电机和直线电机最重要的几点差异在于：旋转电机可以连续地单向旋转，直线电机受长度或空间的影响不能连续单方向运行;旋转电机的齿轮传动、丝杠传动存在传动效率的影响，在匀速段电机处于恒功率输出，直线电机是直接驱动负载的，匀速运动段时间非常少，能量的消耗主要是加减速的时候。

旋转电机功率的计算公式：

P=Ω*T=2∏/60*N*T

P为功率，单位w;N为电机转速，单位rpm;T为转矩，单位N·m。

直线电机功率的计算公式：

P=V/60*F

V为线速度，单位m/min;F为推力，单位N。

直线电机的运行长度有限，形成往复式运动，在选型时考虑电机的额定电流即额定推力。直线电机在长时间以额定电流运行时电机会发热升温，电机因为直接连接负载会引起变形，因此考虑所使用电机的额定电流的大小即负载率就非常重要。

旋转电机的额定转矩和最大转矩通常是3倍左右的关系（与马达设计有关）。直线电机的瞬间最大推力或最大电流，主要取决于磁铁的磁通衰减及电流过大对线圈绝缘层损坏的影响。

2.2 DC直线电机

直线电机的运动原理是基于电磁场的相互作用，即安培法则，又称右手螺旋定律，右手握住通电线圈四指是电流的方向，大拇指所指的是磁场方向N极。左手定律是判断力的方向，手心是磁场进入的方向，四指是电流的方向，大拇指是力的方向。力的计算公式：

F=BIL

F——安倍力 牛顿（N）

B——磁感应强度 特斯拉（T）

L——作用在磁场下的线圈长度 米（m）

DC直线电机在分类中只有音圈直线电机（VCM）这一种，以下对VCM电机做一说明。

音圈电机（VCM）顾名思义它的原理与喇叭的动作磁场回路相似，与喇叭最主要的差异是可动部分（动子）两端固定。

音圈电机（VCM）作为直线电机的一种，最大的特点是精度、高速响应性能都比其他类型的直线电机好。但是行程长度是最大的缺陷，由于音圈电机（VCM）的芯棒引起磁饱和推力不能稳定，往返的推力是有差异的，另外芯棒越长磁铁的吸引力越不能承受，因此制约了音圈电机（VCM）的行程，也限制了应用范围。

从原理上看，DC直线电机中（VCM）只要更换正负极通电顺序就可以改变电机的方向，电流（推力）波动很小因此精度很高，缺点是行程很短。

2.3 直线平板电机

在工业自动化产品中最常见的直线马达主要以直线同步电机（Linear Synchronous Motor，LSM）为主，当然也有直线感应电机（Linear Induction Motor，LIM）。但是直线电机主要用于往返运动频繁的工作场合，LIM电机以感应方式诱导电机运行，频繁往返运动无法诱导电机运行会造成失速、丢步现象，而且效率很低发热严重，直线电机直接作用于工作台下面，发热较大将丢失精度，必须要增加成本解决散热才能使用，因此基本没有LIM电机的应用。

直线平板电机是LSM电机的一种，LSM电机运用永久磁铁从而达到更高的效率。直线电机细分为有铁心和无铁心电机。一般把直线电机永久磁铁的一边称为定子，通电线圈的一边称为动子。在实际应用中直线电机是相对运动的，如果把线圈（动子）固定，磁铁（定子）就可以移动。把磁铁（定子）固定，线圈（动子）就可移动。一般情况下线圈（动子）移动的较多，因为线圈的重量通常比永久磁铁的重量要轻。从减少自身负载的角度考虑，线圈（动子）移动比较合理。但线圈移动的缺点是通电线圈必须要有引线，线缆在往复移动时容易折断，所以对线缆的折弯角度和折弯次数有要求，反之则没有此问题。

图1所示为平板型有铁心直线同步电机（LSM）的构造。从这个构造中可以看出用安培法则线圈U、V、W按顺序通电产生与磁铁的吸引与排斥的交替变化，从而使线圈往一个方向运动。UVW的通电顺序近似交流（AC）正弦波型，因此平板电机是AC直线电机的一种。平板型直线电机（LSM）的线圈（动子）与磁铁（定子）间的气隙大小影响推力的变化，对平行度的要求就比较高了。

线圈中铁心和磁铁间的静态吸引力非常大，使动子和定子发生变形。为了解决吸引力的问题，近年来又出现把线圈放在中间，两边为磁铁的U型有铁心直线电机。另外，铁心产生涡流损耗，使电机发热严重，散热处理也是要重点解决的难题。

2.4 直线U型电机

直线U型无铁心电机的结构是线圈在上下永磁体之间，线圈（动子）一侧与工作台固定带动负载运动。线圈处于永磁体之间，线圈位置上下变动不影响合成推力，因此使用时安装相对比较方便。但是总的气隙不能够太大，气隙的大小影响推力。为尽可能把总气隙减小提高推力，线圈就不得不做成扁平型，这样又影响了整体刚性。刚性下降在高速移动时容易引起振动，在超高精度领域的使用就受到刚性的限制。

U型直线电机UVW线圈在一个磁节距（N到N）之间相位相差120o，也是正弦波I*sinθ控制，因此也是AC电机的一种。改变UVW的通电相序就能改变电机的运行方向。电机采用无铁心结构因此安装方便，推力波动小，缺点是电机动子（线圈）扁平结构连接负载时刚性较差，因此适合高精度、速度响应相对较低的设备。

2.5 直线磁轴电机

音圈电机（VCM）的有效行程长度短，平板型有铁心吸引力大和推力波动大，直线U型电机线圈扁平刚性低等。结合以上各类型直线电机的优缺点，下述直线磁轴型电机为无铁心同步直线电机（LSM），线圈（动子）和永磁体（定子）之间没有静态吸引力，加上线圈为中空圆柱体结构（图2直线磁轴电机结构示意），刚性高，应用于超高精度场合不存在刚性问题。高刚性的原因更适合于高加速的应用场合。

直线磁轴型电机的原理可以用弗莱明法则理解，四指的方向为电流的方向，磁场穿过手心，大拇指的方向指向力的方向。线圈（动子）和磁轴（定子）之间没有铁心，这样就实现了无铁心设计和零齿槽效应。而环形线圈能方便地固化，能有效地保证与负载工作台的刚性。直线磁轴型电机为非接触式，因为线圈环绕了永磁体，所以所有磁场都被有效地利用，这样形成的环形气隙可以控制在0.5～1.5mm之间。也就是说随着行程气隙的变化，总推力几乎不变，相比其他直线电机能实现更大的推力和更高的效率。

3 各类直线电机对比和选型

直线感应电机（LIM）适用于大推力的场合，对于往复高速响应、精确位置定位的场合不能使用，用排除法先将这类电机排除。从上文讨论中可以看出，从高速高精度的角度出发DC直线电机的性能最优，直线同步电机（LSM）類似于旋转DC无刷电机，因此直线同步电机（LSM）的性能更接近于DC直线电机。但是，DC直线电机中音圈电机（VCM）的性能虽然最好，有效行程最多能做到100mm左右，因此无法广泛应用。

综上所述，比较的对象确定为直线同步电机中的直线有铁心平板电机、直线无铁心U型电机、直线无铁心磁轴型电机3种类型。表1为三类直线电机的特点对比。

从表1可以看出，平板型直线电机因为有铁心的原因，在体积一定的情况下容易获得大推力。平板型直线电机和磁轴型直线电机更容易获得大的推力，高刚性和高响应的场合更加适用。但在超高精度要求的场合因为没有铁心的原因U型直线电机和磁轴型直线电机更加合适。如在超高精度10nm以上和高响应的场合，动子的刚性是设备精度的重要因素，磁轴直线电机就更加体现出优越性能。平板型因为有铁心的原因推力波动较大，无铁心U型直线电机又因为动子扁平单边刚性不够而不适合。

实际应用中除了考虑上述直线电机的性能特点之外，需要计算有效推力（Frms）、最大推力（Fmax），还要考虑直线电机线圈（动子）本身的重量。常用的计算顺序如下：

（1）先选择一个参考直线电机作为选型用参数

FL=μ×（ML+MP）g+Fn

FL——负载所需推力N

μ——摩擦系数

ML——负载重量kg

Mp——参考直线电机线圈（动子）重量kg

Fn——导轨阻力或外部阻力

（2）确定所需运行模型，绘制推力特性曲线，由运行模式的Vm（最大运行速度）、tAC及tDC（加减速时间）绘制输出推力特性曲线。

（3）计算TAC及TDC极限加减速所需时间

TAC（TDC）=K×Vm×（ML+MP）/（Fm-FL）

Fm——参考直线电机最大推力

Vm——实际最大移动速度

K——安全系数（1.2～1.3）

TAC（TDC）≦tAC及tDC（加减速时间）

如果极限加减速时间小于设定的目标加减速时间，则可以按运行模型运行，所选电机正确，否则更换电机。

（4）计算加减速时所需推力FAC、FDC

FAC、FDC=Vm/tAC（tDC）×（ML+MP）±FL

（5）计算实际推力（Frms）

计算运行模式1个循环的实际转矩。

将各实际输出推力的平方与输出时间之积相加，再将所得之和除以1个循环的时间，然后开平方，所得平方根值为实际推力值。

Frms≦80%Fr（参考电机额定推力的80%，考虑电机发热和额外的负载变动）

根据实践经验，如果实际推力小于80%的参考电机额定推力，则可以按指定的运行模式连续运行，所选电机正确，否则更换电机。

4 总结

对各类直线电机从原理及结构上展开了分析。实际应用时，高速、高精度且行程100mm以下负载重量非常小的可以选择音圈电机。负载重量较大50kg以上不属于超高精度的场合可以选择有铁心平板型直线电机，但要注意安装时电机动定子的吸引力及对导轨的磨损。如果应用于高速或高精度、超高精度，负载50kg以下时可以选择无铁心U型直线电机或磁轴直线电机，这两者的区别在于刚性要求更高、响应更快、精度更高的场合要选择磁轴型直线电机。换言之，磁轴直线电机的适应范围更广。

参考文献：

[1]汪旭东，史凯宁，许孝卓，等.基于模糊随机PWM技术的永磁直线电机性能分析[J].传感器与微系统，2019，38（12）：21-24.