【东佑达机器人】用于动态应用的直线电机的优点和缺点

直线电机可以实现高加速度和长行程，具有良好的推力和极高的定位精度，而其他驱动机构，如皮带、螺杆或齿条和小齿轮，必须至少牺牲其中一项才能实现其他。这就是为什么直线电机是计量和半导体制造等高动态应用的首选。

事实上，根据其性能规格，直线电机似乎是解决直线运动应用中常见的竞争要求的完美解决方案。但这带来了一个问题，“为什么直线电机没有得到更广泛的应用？”

要了解为什么直线电机的采用率仍然落后于其他驱动技术（例如皮带、螺杆或齿条和齿轮传动），让我们来看看直线电机设计的一些优点和缺点。

热量的产生和消散

在确定和选择电机（无论是旋转电机还是直线电机）的尺寸和选择时，主要考虑因素之一是热量。事实上，扭矩（或力）与速度曲线，描绘了给定电机驱动组合的连续和间歇运行范围，是基于电机在特定运行条件下的散热能力。

直线电机的发热问题可能比旋转电机更严重，因为负载安装在包含电机绕组的驱动器上。（在某些直线电机设计中，负载可以安装在磁轨上，尽管这可能只适用于短行程。）在无铁芯直线电机中，绕组封装在环氧树脂中，不会像铁或铝等金属。

这意味着热量很容易传递到负载和周围部件，导致热膨胀、退化，或者在极端情况下，损坏或故障。即使负载不受影响，热量的积累也会降低电机的持续力输出。为了解决这个问题，一些应用需要强制空气或液体冷却，这会增加成本、占地面积和复杂性。

防止污染

由于其开放式设计和外露磁铁，扁平铁芯直线电机和 U 型通道无铁芯设计可能难以防止污染。虽然可以使用各种现成的密封件和刮刀来保护支撑直线导轨，但直线电机的外露磁铁可能会从机械加工操作或简单地从制造和工厂环境中常见的空气污染中吸引铁质颗粒。液体污染会损坏敏感的电子设备或干扰反馈系统。

当然，盖子和外部结构可以设计为防止污染，但它们会使电机更难以散热，从而加剧上述与热相关的问题。

补偿振动和振荡

直线电机解决方案的主要卖点之一是它消除了电机和负载之间对机械动力传输组件（例如螺钉、皮带、齿轮箱和联轴器）的需求。这意味着直线电机不会受到背隙、绕组和顺从性的影响，这是它们能够实现非常高的定位精度和执行高动态运动以及快速加速和减速率的主要因素。

但是，机械传动部件在运动系统中可能是有益的，因为它提供了一种用于振荡和衰减干扰的阻尼机制，例如加工力的反作用力或负载运动引起的振动。如果没有这种“内置”阻尼效应，振荡和振动会阻止直线电机达到所需的定位精度或稳定时间。

为确保系统能够对这些无阻尼振动和振荡的影响做出反应并进行校正，直线电机系统通常需要更高频率的速度、位置和电流（力）控制回路，以及更高的电流回路带宽。位置反馈系统（通常是光学或磁性线性编码器 ）也需要具有更高的分辨率，以便控制器能够更准确地跟踪电机和负载的位置。即使是机器框架或支撑结构也必须足够坚硬（具有高固有频率），以保持对冲击和振动相对不敏感，并承受直线电机产生的力。

换句话说，由于有助于补偿振动和干扰的组件更少，反馈和控制回路必须能够更快、更准确地进行通信，以使系统实现动态、高精度的性能。

前期成本与总拥有成本

最后，广泛采用直线电机的关键限制因素之一仍然是前期成本。尽管大量比较表明，在某些应用中，直线电机解决方案的总拥有成本 (TCO) 低于传统的皮带、螺杆或齿轮齿条解决方案，但直线电机系统的前期成本仍然是阻碍适用于在有限预算内满足性能规格任务的工程师和设计师。恰当的例子：对于行程非常长的应用（直线电机解决方案擅长的领域之一），满足行程要求的磁铁和高分辨率线性编码器的成本可能会使直线电机解决方案的价格不予考虑。