市場上不同類型的線性電機介紹

正文

在本概述中，我們將討論市場上不同類型的線性電機。該分析的重點將放在“微型”電機上，即手掌大小的線性電機。通常，這類電機用于機器人、醫療設備、消費電子產品和工業自動化項目。它們被制造得盡可能緊湊，價格實惠，并且可以達到足夠高的行進速度，以便在許多應用中使用。

需要區分致動機構和驅動致動機構的電機。例如，滾珠絲杠執行器可以包含有刷直流電機、無刷直流電機甚至步進電機。出于這個原因，首先快速概述能在執行器中找到的不同電機。這是一個簡化的電機概述，因為每個原理都有許多子類型。本概述的重點是執行器，而不是電機類型，但它會讓您大致了解主要類別。

電機類型

最簡單的電機設計是帶有永磁體的有刷直流電機。可以在廉價產品、玩具車等中找到它。直流電壓足以驅動電機，電機的定子中包含一個永磁體。電刷觸點與轉子連接。它是最古老的電機設計之一，至今仍在使用。它超級便宜，但很快就會磨損。

更先進的電機原理是無刷直流電機。這個名字非常令人困惑，因為無刷直流電機需要由三個正弦波驅動，因此使用交流信號。有些型號在定子中有永磁體，而另一些則使用電磁體，但它們都需要轉子中的正弦波來產生“旋轉磁場”。在許多直流應用中，直流/交流轉換器用于生成所需的交流信號。這些電機可以產生比有刷直流電機更大的扭矩，并且由于沒有接觸刷，因此不易磨損。

如果需要采取受控的步進(不使用位置編碼器)，步進電機是一個有趣的選擇。轉子包含永磁體，定子包含電磁體。轉子有許多極，并與定子的一個極對齊。每次激勵不同的定子磁極時，電機都會旋轉一點(= 一步)。步進電機非常可靠且使用壽命長，但它們不能提供高速或非常穩定的速度。步進電機實際上是一種定位電機，在伺服電機尚未開發的時代，它一直是精確定位的唯一選擇。

伺服電機并不是真正應用了不同的電機原理。它可以是任何具有集成位置反饋系統的直流或交流電機。通過將位置信息反饋給控制器，可以創建閉環控制系統。這允許以高精度精確定位電機。精度取決于位置傳感器和電機的分辨率。伺服電機可以旋轉到特定位置，同時也可以以高重復性步進。

齒條和小齒輪電機

很少用于精密應用，齒輪齒條機構簡單且價格合理。齒條由帶有驅動齒條的齒輪驅動來回移動。小齒輪可以由任何類型的電機驅動。齒條和小齒輪致動機構可以保持緊湊(取決于所使用的電機)。架子可以用金屬甚至塑料制成，以進一步降低價格(用于玩具等)。缺點是系統中的間隙和摩擦。由于摩擦，齒輪和齒條齒會快速磨損，從而導致大量齒隙(“游隙”)。

絲杠電機

可能是最簡單但最穩固的設計之一。想象一下螺栓上的螺母。現在在將螺母保持在固定位置的同時旋轉螺母，螺栓將緩慢向上或向下移動。在低預算應用或需要大出力的應用(如鉆床)中可以找到這些電機。內部的電機可以是有刷或無刷直流電機或步進電機。絲杠電機價格便宜，但速度慢且摩擦力大。由于摩擦，需要更大的電機來驅動致動機構。由于高摩擦力，許多絲杠電機在斷電時會自鎖。帶有絲杠的微型電機體積龐大，因為需要強出力的電機來克服摩擦。大多數微型電機采用滾珠絲杠設計而不是絲杠。

滾珠絲杠電機

滾珠絲杠電機是絲杠電機的改進版本。軸和螺母之間的接觸是通過環帶球而不是滑動接觸來處理的。滾珠絲杠電機可以與不同類型的電機組合。帶有滾珠絲杠的微型電機價格實惠，但由于電機位于軸旁邊，因此體積可能很大。大多數型號無法達到高于 50 mm/s 的速度。螺釘的缺陷會導致間隙和反彈。在大多數微型電機中，這種背隙約為 0.1 毫米。對于真正需要小尺寸的應用，滾珠絲杠電機通常過于笨重。

直線電機

直線電機采用的是一種不同于本文檔中討論的電機的電機原理。到目前為止，所有電機都會產生某種旋轉，該旋轉通過傳動部件(如齒條或螺紋軸)轉化為線性運動。直線電機是一種電磁電機，默認情況下產生直線運動，無需任何傳動部件。該設計類似于無刷直流電機，但(永久)磁鐵不是放在一個圓圈中，而是放在兩條直線上。它們形成一個線性定子。電機的運動部分包含繞組，需要多個正弦波來驅動，就像無刷直流電機一樣。基于這種設計，直線電機非常適合用作執行器。但是有一個挑戰：由于使用磁鐵，直線電機體積龐大且笨重，而且比滾珠絲杠致動機構更昂貴。它們可以提供很大的力量并實現高速，但通電時，到達指定位置時總會有一些抖動(小振動)。未通電時，它們不會自鎖。

音圈電機

音圈致動機構與直線電機的設計基本相同，但使用一個繞組而不是一系列多個繞組。外殼是(永久)磁鐵，內部動子由于磁場而滑入和滑出外殼。通過改變這些繞組中的電流，可以改變音圈致動機構的速度和力。音圈堅固、便宜且緊湊。不幸的是，它們有一個主要缺點：它們不適合長行程，因為只使用一個繞組。大多數音圈的行程小于 10 毫米。

電磁電機

又是一個非常基本的線性致動機構原理。電磁線圈將金屬芯拉入外殼內。螺線管非常便宜，但它是一個全有或全無的致動機構，因為金屬芯在電磁鐵內滑動越多，拉力就越大。所以它會加速直到到達終點。通常，致動機構由機械彈簧向后移動。螺線管只能在沒有任何速度控制的情況下完全打開或完全關閉，這使得它們不適合許多應用。

粘滑壓電電機(慣性壓電)

如果您不熟悉壓電電機的原理，請務必閱讀我們關于壓電電機基礎的其他頁面。第一種是粘滑壓電馬達。它以高頻率來回移動需要移動或旋轉的物體。它在一個方向上粘住，但在另一個方向上滑動，導致凈位移非常小，但電機的使用壽命也很短。如果這種電機用于類似絲杠的設計，您最終會得到一個壓電電機，如下圖所示。它們非常精確，但移動緩慢(< 2 mm/s)。通常，這些類型的電機的行程范圍不超過 50 毫米。它們非常昂貴，主要用于科學應用。

walking piezo(步進壓電)

在我們關于壓電電機基本原理的頁面上，您還可以找到步進壓電。與上述粘滑原理相反，步進壓電概念包含多個壓電元件，這些壓電元件一個接一個地延伸，允許在沒有摩擦的情況下進行后退動作。結果是更長的使用壽命和更高的最大速度(< 30 mm/s)。多個壓電元件的復雜芭蕾推高了價格。與大多數型號一樣，驅動桿需要由陶瓷材料制成，行程長度有限。步進壓電電機的行程范圍通常限制在 20 毫米。

超聲波壓電電機

上述壓電致動機構精確但速度慢。對于短行程范圍，這是可以接受的，但如果您需要移動 300 毫米，您不想等待兩分鐘讓電機伸出。在這種情況下，超聲波壓電致動機構可能是一種解決方案。我們有一個頁面詳細描述了超聲波壓電電機的技術，還有一個頁面提供了有關超聲波壓電電機本身的更多信息。簡而言之，在這種設計中，壓電元件共振振動，這增加了壓電元件的伸展和收縮。

結果是 1000 毫米/秒的行進速度和無噪音的運動。粘滑壓電系統的特點是在可聽范圍內振動時會發出典型的嗡嗡聲。超聲波壓電電機在 100 kHz 范圍內振動，遠離可聽頻譜。與步進壓電相比，僅使用一個壓電元件，因此可以實現非常緊湊的設計。超聲波壓電電機的使用壽命可達 300 公里，比粘滑系統好 15 倍左右。壓電電機配有集成控制器單元，因此不需要外部電子設備。行進范圍幾乎是無限的，因為行進桿可以任意長度切割。當需要超過 10 毫米的行程范圍時，超聲波壓電電機是可用的最小的高速電機。

微型電機對照表

免責聲明：以下概述側重于每種電機的最小型號。其中一些技術可以提供很高的力，但它們太大了，不再符合微型電機的要求。