关于电机的线性思考

当大多数工程师听到电机这个词时，他们自然地想到旋转装置，例如有刷直流、无刷直流、步进电机或变频原动机。但是电机不一定是旋转的，很多时候设计需要直线运动。一种解决方案是添加某种齿轮或皮带装置来转换旋转运动，这种解决方案在许多情况下都很有效。然而，它可能太复杂、成本太高、太重、存在反弹问题，或者根本不是一个好的匹配项。

获得所需线性运动的一种直接方法是“展开”传统旋转电机的定子，这种方法已成功用于长冲程要求。但是对于几英寸的行程距离，有两种有效的、本质上是线性的替代方案：音圈致动器 (VCA)，通常称为音圈电机 (VCM) 和压电电机。它们基于彼此截然不同的原理运行，因此提供不同的性能属性。

顾名思义，VCA 是为驱动扬声器的纸盆而开发的，它也提供了相当多的大众市场设计和制造经验。VCA 的设计和构造非常简单，具有永磁体和黑色钢的现场组件以及线圈组件。流过线圈组的电流与永磁场相互作用，产生垂直于电流方向的力；这个力的方向可以简单地通过反转电流来反转。

VCA 可以构造成使线圈组件移动，或使磁场组件移动（图 1 和图 2）。对于前者，连接到线圈的电线必须纤细、轻便、柔韧，并且布置得不会因不断弯曲而疲劳或断裂——这是通过数十亿个扬声器的生产而得到完善的。典型的 VCA 位移为两到三英寸，但可以建造单位以达到该距离的两倍。它们可以提供几盎司到几百磅的力，并且可以控制移动元件的位置。

图 1 动圈式 VCA 的原理图和横截面显示了它的简单性；这种布置用于扬声器中以控制扬声器锥体。：Group Six M, LLC

图 2 动磁 VCA 的原理图和横截面显示了它是动圈布置的物理补充。：Group Six M, LLC即使您从未直接使用过 VCA，您也无疑从中受益：它们是定位磁盘驱动器磁头的标准。鉴于驱动器的紧密轨道密度和该应用的定位要求，您可以很好地了解 VCA 提供的精度、控制、速度和运动控制配置文件。

但是，为什么将直线电机的想法仅仅局限于电磁原理呢？顾名思义，压电马达基于众所周知的对称原理，即施加电场对晶体尺寸稳定性的影响，反之亦然：当晶体材料受到机械应力（挤压）时，它会产生电压；并且当对同一晶体施加电压时，材料会膨胀非常小的量。

在压电电机中，晶体两端的电压会产生电场，材料会非常轻微地伸长，对于典型的施加电压，大约为 0.001% 到 0.1%。晶体通常很小（每个维度通常为 10 毫米），由此产生的运动可以控制在微米级，但需要牛顿的力。压电运动用于输液泵、显微镜载物台、光学定位系统、仪器仪表、喷墨喷嘴、半导体加工机器等，而且它们是非磁性的（在许多情况下是一个主要优点）并且没有需要润滑的轴承（这可能会造成污染）。

压电材料可以像蠕虫一样向前移动，方法是将其固定在交替固定和松开的小夹具中（图3），或者可以将一端固定到位，同时允许另一端来回移动随着电压的施加和移除，产生微型活塞式运动（图 4）。

图 3 压电电机可以像尺蠖一样以微小的增量向前爬行，在通电和断电方面有适当的夹紧和松开时机（1：外壳，2：移动晶体，3：锁定晶体，4：旋转部分） . 资料：维基百科用户LaurensvanLieshout

图 4 压电马达成为一个的、高度可控的活塞，在通电和断电时一端固定在适当的位置。资料：维基百科用户Inductiveload这两种线性运动源的不同之处远不止于尺寸、行程、力、速度和其他性能参数，因为它们还需要非常不同的驱动信号。作为基于电磁的单元，VCA 需要模拟电流驱动，尽管它可以处于低电压。与之形成鲜明对比的是，压电电机是一种基于电压的设备，需要 50V 到数千伏的电压和低到适中的电流才能提供足够的功率；IC 和模块专门用于这种情况。因此，VCM 驱动器的设计者通常关注 IR 压降和使用较粗的电线，而压电驱动器的设计者必须关注与高压相关的安全问题——这是一个很大的观点差异。

因此，当您正在为独特的应用寻找线性运动解决方案时，请考虑使用众所周知的旋转电机和相关运动“变压器”的替代品，因为固有的线性电机可能是更好的选择。或有效的。

您是否使用过任何一种类型的非旋转电机，或者其他一些非常不同的电机技术？您遇到的电气和机械问题的惊喜是什么？