线性电机第一部分：直铲

尽管最常见的伺服电机是旋转的，但制造，包装，计量和处理中的许多问题需要直线运动。实现线性运动的一种方法是用旋转伺服电动机配合线性执行器- 滚珠丝杠，例如或行星滚子螺钉。另一种方法是直接用线性电机产生线性运动。

线性电机基本上是无刷旋转伺服电机展开和平坦的。它具有一组包含在蜗杆上的线圈，其在磁轨道内或在某些情况下骑在磁轨道内。“线性电机是普通伺服电机等三相电动机，”Aerotech Inc.产品管理总监Joseph Profeta说（宾夕法尼亚州匹兹堡）产品管理主任Joseph Profeta说。“电动，如果你要在纸上看他们，你就不会知道单位可能是毫米而不是度数的不同之处。”线圈被电换向以产生与由磁体产生的场相互作用以引起运动的磁场。根据申请，芯片可以骑在固定磁铁轨道上，或者较少，磁铁轨道可以骑在锻造上。诸如编码器的位置传感器跟踪位置。

分类的线性马达
对直线电机进行分类的一种方法是根据力的设计。在这样的方案中，电机可以分为铁芯、层压(也称为铁背)或空心(也称为无铁)。在一个铁芯电机，强迫是一个板铁具有额外的铁突出下来的尖头。线圈缠绕在这些尖，就像在一些旋转伺服电机设计。铁改善了线圈磁场和磁铁磁场之间的耦合，增加了电机产生的力。

铁芯设计的缺点是称为速度纹波或齿槽的现象。线性电机的磁铁轨道由一系列磁体组成，布置在端到端，北极对齐南极。当锻造沿磁体轨道行进时，由于蜗杆从杆到杆，因此速度可以是波涛汹涌的，因为蜗杆“齿”与磁场之间的吸引力。“通常，在移动磁铁时，由于磁场的变化，您会看到涟漪，”Pubeta说。“如果您正在尝试使用定位和速度调节进行非常高精度的运动，那些涟漪相对于您想要定位的内容可能太大。”

叠层或无槽设计仍然包括铁背板，但没有投影。它提供了一个折衷的解决方案相当大的力与平滑的运动。然而，一定数量的齿槽是不可避免的。对于精密应用，如半导体计量，最好的选择是空心电机。

顾名思义，空心电机没有铁投射到线圈的中心。实际上，空心电机根本不含任何铁;因此，铁的替代名称。结果，无铁设计往往是不含齿槽的。“铁的好处是你没有在皇家和磁铁行之间有这种吸引力的力量，”Ben Furnish，Linear产品经理派克汉尼汾公司（林里文，宾夕法尼亚州）。换句话说，电机并没有打击这种吸引力只是为了沿着磁铁轨道移动蜗杆。“通常，由于您移动较少的质量，您也可以获得更高的速度。它们非常适合扫描应用程序，其中速度纹波平滑是重要的或高度动态应用。“

另一种前进的线性电动机的方法是通过磁体配置。最常见的线性电动机包括在扁平磁铁轨道上的蜗杆骑。提供具有平稳运动的非常好力的替代方案是U沟道设计，其中具有“I”形横截面的蜗杆行进，夹在两个面朝磁体之间。尽管理论上，U沟道电机可以是铁芯或无铁，实际上，铁芯U沟道设计往往是例外而不是规则。

u形通道设计的好处是它有两倍的磁铁，这增加了产生的力，从而提高了速度和加速度。当然，u形通道设计的缺点是它有两倍的磁铁，这大大增加了成本和重量。然而，对于某些高性能应用程序来说，这是一个值得权衡的选择。

选择设计
与运动控制的大多数方面一样，使用该类型的线性电机由要求驱动。在低精密汽车零件的制造应用中，例如，铁芯电机的附加力和降低的成本可以提供最佳的解决方案。然而，在纳米级计量应用中，U沟道设计更可能提供所需的平滑度。

“如果速度纹波或非常准确的定位很重要，您可能会开始看一个无铁U沟道电机，因为这些款式没有齿槽，”Pubeta说。“在铁芯电机中，有齿槽，但你通常每单位音量获得更高的力，因为磁场之间具有更强的耦合;因此，您可以在较小的空间内获得更高的加速度。“在制造中，节约空间至关重要，这可以使层压设计作为一般解决方案非常有吸引力。

借助铁芯或层压设计，一定程度的齿槽是不可避免的。“你可以在角度上歪斜磁铁并在角度倾斜绕组，”提供，“但你永远不会完全逃避你在铁的火力和磁铁之间有吸引力的事实。”

制造商的努力使从磁铁到线圈的仔细设计最小化齿槽。“这并不像一块钢一样简单，粘在一堆磁铁上面并说好，让我们在那里扔一些线圈，”Puleta说。“艺术进入了磁铁的选择，风格，你制作磁铁的大大大，风如何通过电机获得最大通量路径。正是你如何塑造线圈，你如何重叠，你投入了多少转弯，你使用稀释剂或更厚的电线，你使用的少或多个转弯吗？这是任何制造商都会通过创建皇家的设计过程的一部分。“

轴承有一个轴承
因为线性电动机提供直接运动而没有螺钉的机械卷绕，例如，它们提供比电机/执行器组合更高的加速和速度。核心骑在磁铁中或之间，但实际上并没有触及它们，因此电机没有磨损点。将其全部放在一起，您获得非常精确的定位和速度控制，加上低维护和高可靠性。

这是理论。实际上，大多数实际应用需要一些排序的轴承，以在铸铁和磁道轨道之间引导运动并携带负载。这增加了磨损点，除非有问题的装置是空气轴承，在这种情况下，您的贸易点以获得更多复杂性和更高的成本。

当然，机械轴承是经济且易于安装的，但这意味着有效地减少了线性电动机的优点。同时，它仍然保持比旋转伺服电机/执行器组合更少的磨损点。“With a [ball-screw linear actuator], your lifetime may be limited by the screw thrust if it’s an application where you’ve got a lot of axial force, or the bearing load if your payload is the limiting factor,” says Furnish. “You’ve basically got two weak links. With a linear motor, you’ve got only the one weak link if you’re using the mechanical bearing, and that's the wearing of the bearing set.”

正确尺寸为线性电机尺寸尺寸。轴承必须做出更多的处理负载，因此它们需要克服蜗杆和磁轨之间的吸引力，特别是对于铁芯设计。“通常，您的有效载荷可能是5磅，您可能必须为您的轴承尺寸为500磅，因为景点为止，”提供。“这就是选择线性电机组件的人，然后达到轴承需要考虑的轴承。”

权衡
如果工程中有一个真实的真实，那就是有扭曲的。与无杆或杆式线性执行器不同，线性电机不是自支撑。它们必须安装在表面上，而不仅仅是任何表面。特别是在最少于降低效率和最坏的情况下是一个问题，并且导致火体绑定磁轨道。磁轨必须安装到具有高刚性的非常平坦的表面。

热量是运动控制中的多年生问题。在U沟道配置的情况下，电动机可以与U面向上安装，这使得污染的进入磁体通道最小化，但也可以降低传热。对于大多数应用程序，这不是一个问题，但如果在纳米级计量中使用线性电机，例如，它可能是一个问题。幸运的是，大多数此类应用程序在洁净室中进行，删除了热管理和污染管理之间的选择。

在大多数情况下，线性电机做了一个相当好的工作散热，因为强迫沿着磁体轨道移动，这允许持续对流。此外，磁铁轨道的安装和力上的轴承作为散热器。

热管理的问题确实增加了另一个微妙的比较铁芯和无铁设计。弗尼什说:“采用铁芯设计，你可以获得更好的散热效果，因为铁作为一种传导源。”“热是任何电机都存在的问题——电机温度越高，效率就越低——所以你通常需要一个更大的无铁电机来承受与铁芯电机相同的力，不仅因为铁的力量优势，也因为铁芯电机的散热能力。”

还有其他微妙之处需要考虑。在所有的电动机中，线圈或绕组产生热量。在旋转电机/直线执行器组合中，热量通常远离有效载荷。在直线电机中，热是在力中产生的，力通常承载负载。弗尼什说:“你运行的时间越长，占空比就越高，热量直接传导到有效载荷中。”“如果你的有效载荷对热扩散很敏感，那么这肯定是一个问题。在滚珠丝杠驱动的桌子上，你的有效载荷不会看到太多的温度变化，因为当螺旋升温时，它不会影响到你的有效载荷。直线电机会在车身表面加热，所以这是关于直线电机技术你需要考虑的另一件事。”
在这篇文章的第二部分，我们将更仔细地看看线性电机的利弊，检查什么时候使用线性电机，什么时候看线性驱动器。