直线无刷直流电动机的分类、结构和特点

直线直流电动机分为永磁式直线直流电动机和永磁式直线无刷直流电动机。

1.永磁式直线直流电动机

永磁式直线直流电动机主要有：音圈电机、框架式永磁直线直流电动机。

1）音圈电机

图4-21所示电机是可动线圈型直线电动机的一种，在磁钢产生的气隙磁场内放大线圈，磁场与流过线圈的电流相互作用产生电磁力，效率较高。因为这种结构与电动式扬声器的音频线圈部分相似，所以叫音圈电机。音圈的一部分（长音圈外磁式）或全部（短音圈内磁式）处于永久磁铁发出的恒定磁场中，音圈绕组通大电流，就会产生推动音圈移动的电磁力。电磁力的大小与方向取决于通入音圈的电流的大小和极性。

图4-21　音圈电机剖面图

由于音圈电机的磁场均匀，仅线圈移动（内铁芯不动），所以质量轻、惯量小，因此这种电动机的响应频率很高。磁盘存储器中用转臂式音圈电机控制磁头，使速度和位置精度大为提高，从而提高了磁盘存储器的容量和工作速度，如图4-22所示。

2）框架式永磁直线直流电动机

框架式永磁直线直流电动机可以做成动铁型，也可以做成动圈型。动圈型结构如图4-23所示，在软铁架两端装有极性同向放置的两块永磁体，通电线圈可在滑道上做直线运动。这种结构具有体积小、成本低和效率高等优点。动圈型结构因为只有线圈的动作，所以具有成本低、效率高、体积小、惯性小、响应快速的优点。但必须要有给可动部分送电用的引线，这在耐用性方面多少有些不利。对此，可把永久磁铁做成可动部分，线圈绕在一个软铁框架上，线圈的长度要包括整个行程。动铁型结构如图4-24所示，在这种情况下，不再是单极结构，而是多极，线圈也是两组。

图4-22　HDD硬盘中的音圈电机

图4-23　（单极）动圈型结构

图4-24　动铁型直线直流电动机

（a）铁芯磁路闭合型；（b）旋转对称型(https://www.xing528.com)

2.永磁式直线无刷直流电动机

1）工作原理

永磁式直线无刷直流电动机是从旋转无刷直流电动机演变而来的。图4-25表示其工作原理。永磁式直线无刷直流电动机的推力是由定子中的电枢电流和动子的永磁磁场相互作用产生的。由于电子换向的作用，使电枢绕组的电流轮流变化，在动子中产生恒定方向的推力。

图4-25　永磁式直线无刷直流电动机的原理

（a）永磁式直线无刷直流电动机结构；（b）电子换向原理

为了实现电子换向，永磁式直线无刷直流电动机除了电枢和永磁磁场之外，还需要位置传感器。当传感元件a、b、c[图4-25（a）]不断地发出位置信号时，电枢绕组通过的电流方向在不同磁极下轮流变化，从而实现电子换向。

2）分类、结构和组成

永磁式直线无刷直流电动机可分有铁芯和无铁芯两种常用形式。有铁芯式是指定子有铁芯，无铁芯式是指定子无铁芯，其余部分均相同。直线无刷直流电动机均做成平板形结构，有铁芯式电动机采用单边式结构，无铁芯式电动机采用双边式结构。

直线无刷直流电动机由电机本体和电子线路组成。电动机本体包括定子和动子两个部分。定子由电枢和位置传感器组成，动子由永磁磁极组成。直线无刷直流电动机的电子线路与旋转式无刷直流电动机的电子线路相同。

3）性能

高性能直线无刷直流电动机已经批量生产，下面简要介绍其性能特点。

（1）调速范围宽。无刷直流电动机没有任何机械传动的限制，运行的速度变化范围几乎难以想象，且运行速度稳定。

（2）高动态特性。电动机的动态特性与其承受加速能力有关。直线无刷直流电动机的运行加速度可以达到几个重力加速度，小功率电动机高达65g，大中功率电动机一般为3～5g。上述数据不仅其他类型直线电动机无法达到，旋转式电动机就更难以达到。永磁式直线无刷直流电动机具有如此高的加速度，其运行速度也很高。

（3）运行平稳、定位精度高。直线无刷直流电动机的定子和动子采用无铁芯或有铁芯两种形式，两者均可消除齿槽效应，电动机运行很平稳。采用反馈闭环系统后，系统的定位很精确，一般伺服控制用电动机的定位精度可达0.5 μm。

（4）维护方便、可靠性高、耐用性好。直线无刷直流电动机不存在摩擦接触，具有运行可靠、维护方便、耐用性好等优点。