當(dāng)大多數(shù)工程師聽到電機(jī)這個(gè)詞時(shí)，他們自然地想到旋轉(zhuǎn)裝置，例如有刷直流、無刷直流、步進(jìn)電機(jī)或變頻原動(dòng)機(jī)。但是電機(jī)不一定是旋轉(zhuǎn)的，很多時(shí)候設(shè)計(jì)需要直線運(yùn)動(dòng)。一種解決方案是添加某種齒輪或皮帶裝置來轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種解決方案在許多情況下都很有效。然而，它可能太復(fù)雜、成本太高、太重、存在反彈問題，或者根本不是一個(gè)好的匹配項(xiàng)。
獲得所需線性運(yùn)動(dòng)的一種直接方法是“展開”傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子，這種方法已成功用于長沖程要求。但是對于幾英寸的行程距離，有兩種有效的、本質(zhì)上是線性的替代方案：音圈致動(dòng)器 (VCA)，通常稱為音圈電機(jī) (VCM) 和壓電電機(jī)。它們基于彼此截然不同的原理運(yùn)行，因此提供不同的性能屬性。
顧名思義，VCA 是為驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的紙盆而開發(fā)的，它也提供了相當(dāng)多的大眾市場設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)。VCA 的設(shè)計(jì)和構(gòu)造非常簡單，具有永磁體和黑色鋼的現(xiàn)場組件以及線圈組件。流過線圈組的電流與永磁場相互作用，產(chǎn)生垂直于電流方向的力；這個(gè)力的方向可以簡單地通過反轉(zhuǎn)電流來反轉(zhuǎn)。
VCA 可以構(gòu)造成使線圈組件移動(dòng)，或使磁場組件移動(dòng)（圖 1 和圖 2）。對于前者，連接到線圈的電線必須纖細(xì)、輕便、柔韌，并且布置得不會(huì)因不斷彎曲而疲勞或斷裂——這是通過數(shù)十億個(gè)揚(yáng)聲器的生產(chǎn)而得到完善的。典型的 VCA 位移為兩到三英寸，但可以建造單位以達(dá)到該距離的兩倍。它們可以提供幾盎司到幾百磅的力，并且可以控制移動(dòng)元件的位置。
圖 1 動(dòng)圈式 VCA 的原理圖和橫截面顯示了它的簡單性；這種布置用于揚(yáng)聲器中以控制揚(yáng)聲器錐體。：Group Six M, LLC
圖 2 動(dòng)磁 VCA 的原理圖和橫截面顯示了它是動(dòng)圈布置的物理補(bǔ)充。：Group Six M, LLC即使您從未直接使用過 VCA，您也無疑從中受益：它們是定位磁盤驅(qū)動(dòng)器磁頭的標(biāo)準(zhǔn)。鑒于驅(qū)動(dòng)器的緊密軌道密度和該應(yīng)用的定位要求，您可以很好地了解 VCA 提供的精度、控制、速度和運(yùn)動(dòng)控制配置文件。
但是，為什么將直線電機(jī)的想法僅僅局限于電磁原理呢？顧名思義，壓電馬達(dá)基于眾所周知的對稱原理，即施加電場對晶體尺寸穩(wěn)定性的影響，反之亦然：當(dāng)晶體材料受到機(jī)械應(yīng)力（擠壓）時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生電壓；并且當(dāng)對同一晶體施加電壓時(shí)，材料會(huì)膨脹非常小的量。
在壓電電機(jī)中，晶體兩端的電壓會(huì)產(chǎn)生電場，材料會(huì)非常輕微地伸長，對于典型的施加電壓，大約為 0.001% 到 0.1%。晶體通常很小（每個(gè)維度通常為 10 毫米），由此產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)可以控制在微米級，但需要牛頓的力。壓電運(yùn)動(dòng)用于輸液泵、顯微鏡載物臺、光學(xué)定位系統(tǒng)、儀器儀表、噴墨噴嘴、半導(dǎo)體加工機(jī)器等，而且它們是非磁性的（在許多情況下是一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)）并且沒有需要潤滑的軸承（這可能會(huì)造成污染）。
壓電材料可以像蠕蟲一樣向前移動(dòng)，方法是將其固定在交替固定和松開的小夾具中（圖3），或者可以將一端固定到位，同時(shí)允許另一端來回移動(dòng)隨著電壓的施加和移除，產(chǎn)生微型活塞式運(yùn)動(dòng)（圖 4）。
圖 3 壓電電機(jī)可以像尺蠖一樣以微小的增量向前爬行，在通電和斷電方面有適當(dāng)?shù)膴A緊和松開時(shí)機(jī)（1：外殼，2：移動(dòng)晶體，3：鎖定晶體，4：旋轉(zhuǎn)部分） . 資料：維基百科用戶LaurensvanLieshout
圖 4 壓電馬達(dá)成為一個(gè)的、高度可控的活塞，在通電和斷電時(shí)一端固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩ＹY料：維基百科用戶Inductiveload這兩種線性運(yùn)動(dòng)源的不同之處遠(yuǎn)不止于尺寸、行程、力、速度和其他性能參數(shù)，因?yàn)樗鼈冞�需要非常不同的驅(qū)動(dòng)信號。作為基于電磁的單元，VCA 需要模擬電流驅(qū)動(dòng)，盡管它可以處于低電壓。與之形成鮮明對比的是，壓電電機(jī)是一種基于電壓的設(shè)備，需要 50V 到數(shù)千伏的電壓和低到適中的電流才能提供足夠的功率；IC 和模塊專門用于這種情況。因此，VCM 驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)者通常關(guān)注 IR 壓降和使用較粗的電線，而壓電驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)者必須關(guān)注與高壓相關(guān)的安全問題——這是一個(gè)很大的觀點(diǎn)差異。
因此，當(dāng)您正在為獨(dú)特的應(yīng)用尋找線性運(yùn)動(dòng)解決方案時(shí)，請考慮使用眾所周知的旋轉(zhuǎn)電機(jī)和相關(guān)運(yùn)動(dòng)“變壓器”的替代品，因?yàn)楣逃械木�性電機(jī)可能是更好的選擇。或有效的。
您是否使用過任何一種類型的非旋轉(zhuǎn)電機(jī)，或者其他一些非常不同的電機(jī)技術(shù)？您遇到的電氣和機(jī)械問題的驚喜是什么？ |
