正文

在本概述中，我們將討論市場(chǎng)上不同類型的線性電機(jī)。該分析的重點(diǎn)將放在“微型”電機(jī)上，即手掌大小的線性電機(jī)。通常，這類電機(jī)用于機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品和工業(yè)自動(dòng)化項(xiàng)目。它們被制造得盡可能緊湊，價(jià)格實(shí)惠，并且可以達(dá)到足夠高的行進(jìn)速度，以便在許多應(yīng)用中使用。

需要區(qū)分致動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)致動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)。例如，滾珠絲杠執(zhí)行器可以包含有刷直流電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)甚至步進(jìn)電機(jī)。出于這個(gè)原因，首先快速概述能在執(zhí)行器中找到的不同電機(jī)。這是一個(gè)簡(jiǎn)化的電機(jī)概述，因?yàn)槊總€(gè)原理都有許多子類型。本概述的重點(diǎn)是執(zhí)行器，而不是電機(jī)類型，但它會(huì)讓您大致了解主要類別。

電機(jī)類型

最簡(jiǎn)單的電機(jī)設(shè)計(jì)是帶有永磁體的有刷直流電機(jī)?？梢栽诹畠r(jià)產(chǎn)品、玩具車等中找到它。直流電壓足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)的定子中包含一個(gè)永磁體。電刷觸點(diǎn)與轉(zhuǎn)子連接。它是最古老的電機(jī)設(shè)計(jì)之一，至今仍在使用。它超級(jí)便宜，但很快就會(huì)磨損。

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更先進(jìn)的電機(jī)原理是無(wú)刷直流電機(jī)。這個(gè)名字非常令人困惑，因?yàn)闊o(wú)刷直流電機(jī)需要由三個(gè)正弦波驅(qū)動(dòng)，因此使用交流信號(hào)。有些型號(hào)在定子中有永磁體，而另一些則使用電磁體，但它們都需要轉(zhuǎn)子中的正弦波來(lái)產(chǎn)生“旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)”。在許多直流應(yīng)用中，直流/交流轉(zhuǎn)換器用于生成所需的交流信號(hào)。這些電機(jī)可以產(chǎn)生比有刷直流電機(jī)更大的扭矩，并且由于沒(méi)有接觸刷，因此不易磨損。

如果需要采取受控的步進(jìn)(不使用位置編碼器)，步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)有趣的選擇。轉(zhuǎn)子包含永磁體，定子包含電磁體。轉(zhuǎn)子有許多極，并與定子的一個(gè)極對(duì)齊。每次激勵(lì)不同的定子磁極時(shí)，電機(jī)都會(huì)旋轉(zhuǎn)一點(diǎn)(= 一步)。步進(jìn)電機(jī)非常可靠且使用壽命長(zhǎng)，但它們不能提供高速或非常穩(wěn)定的速度。步進(jìn)電機(jī)實(shí)際上是一種定位電機(jī)，在伺服電機(jī)尚未開發(fā)的時(shí)代，它一直是精確定位的唯一選擇。

伺服電機(jī)并不是真正應(yīng)用了不同的電機(jī)原理。它可以是任何具有集成位置反饋系統(tǒng)的直流或交流電機(jī)。通過(guò)將位置信息反饋給控制器，可以創(chuàng)建閉環(huán)控制系統(tǒng)。這允許以高精度精確定位電機(jī)。精度取決于位置傳感器和電機(jī)的分辨率。伺服電機(jī)可以旋轉(zhuǎn)到特定位置，同時(shí)也可以以高重復(fù)性步進(jìn)。

齒條和小齒輪電機(jī)

很少用于精密應(yīng)用，齒輪齒條機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單且價(jià)格合理。齒條由帶有驅(qū)動(dòng)齒條的齒輪驅(qū)動(dòng)來(lái)回移動(dòng)。小齒輪可以由任何類型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。齒條和小齒輪致動(dòng)機(jī)構(gòu)可以保持緊湊(取決于所使用的電機(jī))。架子可以用金屬甚至塑料制成，以進(jìn)一步降低價(jià)格(用于玩具等)。缺點(diǎn)是系統(tǒng)中的間隙和摩擦。由于摩擦，齒輪和齒條齒會(huì)快速磨損，從而導(dǎo)致大量齒隙(“游隙”)。

絲杠電機(jī)

可能是最簡(jiǎn)單但最穩(wěn)固的設(shè)計(jì)之一。想象一下螺栓上的螺母。現(xiàn)在在將螺母保持在固定位置的同時(shí)旋轉(zhuǎn)螺母，螺栓將緩慢向上或向下移動(dòng)。在低預(yù)算應(yīng)用或需要大出力的應(yīng)用(如鉆床)中可以找到這些電機(jī)。內(nèi)部的電機(jī)可以是有刷或無(wú)刷直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。絲杠電機(jī)價(jià)格便宜，但速度慢且摩擦力大。由于摩擦，需要更大的電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)致動(dòng)機(jī)構(gòu)。由于高摩擦力，許多絲杠電機(jī)在斷電時(shí)會(huì)自鎖。帶有絲杠的微型電機(jī)體積龐大，因?yàn)樾枰獜?qiáng)出力的電機(jī)來(lái)克服摩擦。大多數(shù)微型電機(jī)采用滾珠絲杠設(shè)計(jì)而不是絲杠。

滾珠絲杠電機(jī)

滾珠絲杠電機(jī)是絲杠電機(jī)的改進(jìn)版本。軸和螺母之間的接觸是通過(guò)環(huán)帶球而不是滑動(dòng)接觸來(lái)處理的。滾珠絲杠電機(jī)可以與不同類型的電機(jī)組合。帶有滾珠絲杠的微型電機(jī)價(jià)格實(shí)惠，但由于電機(jī)位于軸旁邊，因此體積可能很大。大多數(shù)型號(hào)無(wú)法達(dá)到高于 50 mm/s 的速度。螺釘?shù)娜毕輹?huì)導(dǎo)致間隙和反彈。在大多數(shù)微型電機(jī)中，這種背隙約為 0.1 毫米。對(duì)于真正需要小尺寸的應(yīng)用，滾珠絲杠電機(jī)通常過(guò)于笨重。

直線電機(jī)

直線電機(jī)采用的是一種不同于本文檔中討論的電機(jī)的電機(jī)原理。到目前為止，所有電機(jī)都會(huì)產(chǎn)生某種旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)通過(guò)傳動(dòng)部件(如齒條或螺紋軸)轉(zhuǎn)化為線性運(yùn)動(dòng)。直線電機(jī)是一種電磁電機(jī)，默認(rèn)情況下產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，無(wú)需任何傳動(dòng)部件。該設(shè)計(jì)類似于無(wú)刷直流電機(jī)，但(永久)磁鐵不是放在一個(gè)圓圈中，而是放在兩條直線上。它們形成一個(gè)線性定子。電機(jī)的運(yùn)動(dòng)部分包含繞組，需要多個(gè)正弦波來(lái)驅(qū)動(dòng)，就像無(wú)刷直流電機(jī)一樣?；谶@種設(shè)計(jì)，直線電機(jī)非常適合用作執(zhí)行器。但是有一個(gè)挑戰(zhàn)：由于使用磁鐵，直線電機(jī)體積龐大且笨重，而且比滾珠絲杠致動(dòng)機(jī)構(gòu)更昂貴。它們可以提供很大的力量并實(shí)現(xiàn)高速，但通電時(shí)，到達(dá)指定位置時(shí)總會(huì)有一些抖動(dòng)(小振動(dòng))。未通電時(shí)，它們不會(huì)自鎖。

音圈電機(jī)

音圈致動(dòng)機(jī)構(gòu)與直線電機(jī)的設(shè)計(jì)基本相同，但使用一個(gè)繞組而不是一系列多個(gè)繞組。外殼是(永久)磁鐵，內(nèi)部動(dòng)子由于磁場(chǎng)而滑入和滑出外殼。通過(guò)改變這些繞組中的電流，可以改變音圈致動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度和力。音圈堅(jiān)固、便宜且緊湊。不幸的是，它們有一個(gè)主要缺點(diǎn)：它們不適合長(zhǎng)行程，因?yàn)橹皇褂靡粋€(gè)繞組。大多數(shù)音圈的行程小于 10 毫米。

電磁電機(jī)

又是一個(gè)非?；镜木€性致動(dòng)機(jī)構(gòu)原理。電磁線圈將金屬芯拉入外殼內(nèi)。螺線管非常便宜，但它是一個(gè)全有或全無(wú)的致動(dòng)機(jī)構(gòu)，因?yàn)榻饘傩驹?a href="http://m.brongaenegriffin.com/book/779/" target="_blank">電磁鐵內(nèi)滑動(dòng)越多，拉力就越大。所以它會(huì)加速直到到達(dá)終點(diǎn)。通常，致動(dòng)機(jī)構(gòu)由機(jī)械彈簧向后移動(dòng)。螺線管只能在沒(méi)有任何速度控制的情況下完全打開或完全關(guān)閉，這使得它們不適合許多應(yīng)用。

粘滑壓電電機(jī)(慣性壓電)

如果您不熟悉壓電電機(jī)的原理，請(qǐng)務(wù)必閱讀我們關(guān)于壓電電機(jī)基礎(chǔ)的其他頁(yè)面。第一種是粘滑壓電馬達(dá)。它以高頻率來(lái)回移動(dòng)需要移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的物體。它在一個(gè)方向上粘住，但在另一個(gè)方向上滑動(dòng)，導(dǎo)致凈位移非常小，但電機(jī)的使用壽命也很短。如果這種電機(jī)用于類似絲杠的設(shè)計(jì)，您最終會(huì)得到一個(gè)壓電電機(jī)，如下圖所示。它們非常精確，但移動(dòng)緩慢(< 2 mm/s)。通常，這些類型的電機(jī)的行程范圍不超過(guò) 50 毫米。它們非常昂貴，主要用于科學(xué)應(yīng)用。

walking piezo(步進(jìn)壓電)

在我們關(guān)于壓電電機(jī)基本原理的頁(yè)面上，您還可以找到步進(jìn)壓電。與上述粘滑原理相反， 步進(jìn)壓電概念包含多個(gè)壓電元件，這些壓電元件一個(gè)接一個(gè)地延伸，允許在沒(méi)有摩擦的情況下進(jìn)行后退動(dòng)作。結(jié)果是更長(zhǎng)的使用壽命和更高的最大速度(< 30 mm/s)。多個(gè)壓電元件的復(fù)雜芭蕾推高了價(jià)格。與大多數(shù)型號(hào)一樣，驅(qū)動(dòng)桿需要由陶瓷材料制成，行程長(zhǎng)度有限。步進(jìn)壓電電機(jī)的行程范圍通常限制在 20 毫米。

超聲波壓電電機(jī)

上述壓電致動(dòng)機(jī)構(gòu)精確但速度慢。對(duì)于短行程范圍，這是可以接受的，但如果您需要移動(dòng) 300 毫米，您不想等待兩分鐘讓電機(jī)伸出。在這種情況下，超聲波壓電致動(dòng)機(jī)構(gòu)可能是一種解決方案。我們有一個(gè)頁(yè)面詳細(xì)描述了超聲波壓電電機(jī)的技術(shù)，還有一個(gè)頁(yè)面提供了有關(guān)超聲波壓電電機(jī)本身的更多信息。簡(jiǎn)而言之，在這種設(shè)計(jì)中，壓電元件共振振動(dòng)，這增加了壓電元件的伸展和收縮。

結(jié)果是 1000 毫米/秒的行進(jìn)速度和無(wú)噪音的運(yùn)動(dòng)。粘滑壓電系統(tǒng)的特點(diǎn)是在可聽范圍內(nèi)振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出典型的嗡嗡聲。超聲波壓電電機(jī)在 100 kHz 范圍內(nèi)振動(dòng)，遠(yuǎn)離可聽頻譜。與步進(jìn)壓電相比，僅使用一個(gè)壓電元件，因此可以實(shí)現(xiàn)非常緊湊的設(shè)計(jì)。超聲波壓電電機(jī)的使用壽命可達(dá) 300 公里，比粘滑系統(tǒng)好 15 倍左右。壓電電機(jī)配有集成控制器單元，因此不需要外部電子設(shè)備。行進(jìn)范圍幾乎是無(wú)限的，因?yàn)樾羞M(jìn)桿可以任意長(zhǎng)度切割。當(dāng)需要超過(guò) 10 毫米的行程范圍時(shí)，超聲波壓電電機(jī)是可用的最小的高速電機(jī)。

微型電機(jī)對(duì)照表

免責(zé)聲明：以下概述側(cè)重于每種電機(jī)的最小型號(hào)。其中一些技術(shù)可以提供很高的力，但它們太大了，不再符合微型電機(jī)的要求。

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* 精度水平和可控性很大程度上取決于電機(jī)內(nèi)部使用的電機(jī)類型

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審核編輯：湯梓紅