市场上不同类型的线性电机介绍

正文

在本概述中，我们将讨论市场上不同类型的线性电机。该分析的重点将放在“微型”电机上，即手掌大小的线性电机。通常，这类电机用于机器人、医疗设备、消费电子产品和工业自动化项目。它们被制造得尽可能紧凑，价格实惠，并且可以达到足够高的行进速度，以便在许多应用中使用。

需要区分致动机构和驱动致动机构的电机。例如，滚珠丝杠执行器可以包含有刷直流电机、无刷直流电机甚至步进电机。出于这个原因，首先快速概述能在执行器中找到的不同电机。这是一个简化的电机概述，因为每个原理都有许多子类型。本概述的重点是执行器，而不是电机类型，但它会让您大致了解主要类别。

电机类型

最简单的电机设计是带有永磁体的有刷直流电机。可以在廉价产品、玩具车等中找到它。直流电压足以驱动电机，电机的定子中包含一个永磁体。电刷触点与转子连接。它是最古老的电机设计之一，至今仍在使用。它超级便宜，但很快就会磨损。

更先进的电机原理是无刷直流电机。这个名字非常令人困惑，因为无刷直流电机需要由三个正弦波驱动，因此使用交流信号。有些型号在定子中有永磁体，而另一些则使用电磁体，但它们都需要转子中的正弦波来产生“旋转磁场”。在许多直流应用中，直流/交流转换器用于生成所需的交流信号。这些电机可以产生比有刷直流电机更大的扭矩，并且由于没有接触刷，因此不易磨损。

如果需要采取受控的步进(不使用位置编码器)，步进电机是一个有趣的选择。转子包含永磁体，定子包含电磁体。转子有许多极，并与定子的一个极对齐。每次激励不同的定子磁极时，电机都会旋转一点(= 一步)。步进电机非常可靠且使用寿命长，但它们不能提供高速或非常稳定的速度。步进电机实际上是一种定位电机，在伺服电机尚未开发的时代，它一直是精确定位的唯一选择。

伺服电机并不是真正应用了不同的电机原理。它可以是任何具有集成位置反馈系统的直流或交流电机。通过将位置信息反馈给控制器，可以创建闭环控制系统。这允许以高精度精确定位电机。精度取决于位置传感器和电机的分辨率。伺服电机可以旋转到特定位置，同时也可以以高重复性步进。

齿条和小齿轮电机

很少用于精密应用，齿轮齿条机构简单且价格合理。齿条由带有驱动齿条的齿轮驱动来回移动。小齿轮可以由任何类型的电机驱动。齿条和小齿轮致动机构可以保持紧凑(取决于所使用的电机)。架子可以用金属甚至塑料制成，以进一步降低价格(用于玩具等)。缺点是系统中的间隙和摩擦。由于摩擦，齿轮和齿条齿会快速磨损，从而导致大量齿隙(“游隙”)。

丝杠电机

可能是最简单但最稳固的设计之一。想象一下螺栓上的螺母。现在在将螺母保持在固定位置的同时旋转螺母，螺栓将缓慢向上或向下移动。在低预算应用或需要大出力的应用(如钻床)中可以找到这些电机。内部的电机可以是有刷或无刷直流电机或步进电机。丝杠电机价格便宜，但速度慢且摩擦力大。由于摩擦，需要更大的电机来驱动致动机构。由于高摩擦力，许多丝杠电机在断电时会自锁。带有丝杠的微型电机体积庞大，因为需要强出力的电机来克服摩擦。大多数微型电机采用滚珠丝杠设计而不是丝杠。

滚珠丝杠电机

滚珠丝杠电机是丝杠电机的改进版本。轴和螺母之间的接触是通过环带球而不是滑动接触来处理的。滚珠丝杠电机可以与不同类型的电机组合。带有滚珠丝杠的微型电机价格实惠，但由于电机位于轴旁边，因此体积可能很大。大多数型号无法达到高于 50 mm/s 的速度。螺钉的缺陷会导致间隙和反弹。在大多数微型电机中，这种背隙约为 0.1 毫米。对于真正需要小尺寸的应用，滚珠丝杠电机通常过于笨重。

直线电机

直线电机采用的是一种不同于本文档中讨论的电机的电机原理。到目前为止，所有电机都会产生某种旋转，该旋转通过传动部件(如齿条或螺纹轴)转化为线性运动。直线电机是一种电磁电机，默认情况下产生直线运动，无需任何传动部件。该设计类似于无刷直流电机，但(永久)磁铁不是放在一个圆圈中，而是放在两条直线上。它们形成一个线性定子。电机的运动部分包含绕组，需要多个正弦波来驱动，就像无刷直流电机一样。基于这种设计，直线电机非常适合用作执行器。但是有一个挑战：由于使用磁铁，直线电机体积庞大且笨重，而且比滚珠丝杠致动机构更昂贵。它们可以提供很大的力量并实现高速，但通电时，到达指定位置时总会有一些抖动(小振动)。未通电时，它们不会自锁。

音圈电机

音圈致动机构与直线电机的设计基本相同，但使用一个绕组而不是一系列多个绕组。外壳是(永久)磁铁，内部动子由于磁场而滑入和滑出外壳。通过改变这些绕组中的电流，可以改变音圈致动机构的速度和力。音圈坚固、便宜且紧凑。不幸的是，它们有一个主要缺点：它们不适合长行程，因为只使用一个绕组。大多数音圈的行程小于 10 毫米。

电磁电机

又是一个非常基本的线性致动机构原理。电磁线圈将金属芯拉入外壳内。螺线管非常便宜，但它是一个全有或全无的致动机构，因为金属芯在电磁铁内滑动越多，拉力就越大。所以它会加速直到到达终点。通常，致动机构由机械弹簧向后移动。螺线管只能在没有任何速度控制的情况下完全打开或完全关闭，这使得它们不适合许多应用。

粘滑压电电机(惯性压电)

如果您不熟悉压电电机的原理，请务必阅读我们关于压电电机基础的其他页面。第一种是粘滑压电马达。它以高频率来回移动需要移动或旋转的物体。它在一个方向上粘住，但在另一个方向上滑动，导致净位移非常小，但电机的使用寿命也很短。如果这种电机用于类似丝杠的设计，您最终会得到一个压电电机，如下图所示。它们非常精确，但移动缓慢(< 2 mm/s)。通常，这些类型的电机的行程范围不超过 50 毫米。它们非常昂贵，主要用于科学应用。

walking piezo(步进压电)

在我们关于压电电机基本原理的页面上，您还可以找到步进压电。与上述粘滑原理相反，步进压电概念包含多个压电元件，这些压电元件一个接一个地延伸，允许在没有摩擦的情况下进行后退动作。结果是更长的使用寿命和更高的最大速度(< 30 mm/s)。多个压电元件的复杂芭蕾推高了价格。与大多数型号一样，驱动杆需要由陶瓷材料制成，行程长度有限。步进压电电机的行程范围通常限制在 20 毫米。

超声波压电电机

上述压电致动机构精确但速度慢。对于短行程范围，这是可以接受的，但如果您需要移动 300 毫米，您不想等待两分钟让电机伸出。在这种情况下，超声波压电致动机构可能是一种解决方案。我们有一个页面详细描述了超声波压电电机的技术，还有一个页面提供了有关超声波压电电机本身的更多信息。简而言之，在这种设计中，压电元件共振振动，这增加了压电元件的伸展和收缩。

结果是 1000 毫米/秒的行进速度和无噪音的运动。粘滑压电系统的特点是在可听范围内振动时会发出典型的嗡嗡声。超声波压电电机在 100 kHz 范围内振动，远离可听频谱。与步进压电相比，仅使用一个压电元件，因此可以实现非常紧凑的设计。超声波压电电机的使用寿命可达 300 公里，比粘滑系统好 15 倍左右。压电电机配有集成控制器单元，因此不需要外部电子设备。行进范围几乎是无限的，因为行进杆可以任意长度切割。当需要超过 10 毫米的行程范围时，超声波压电电机是可用的最小的高速电机。

微型电机对照表

免责声明：以下概述侧重于每种电机的最小型号。其中一些技术可以提供很高的力，但它们太大了，不再符合微型电机的要求。