直接驱动直线电机:概述和选择过程

作者:Mosen摩森 日期:19/08/23 20:54 浏览:56

直线电机是一种直接驱动运动技术,采用旋转电机的定子和转子概念,并将其展开为线性配置。虽然这不是一项新技术,但过去几十年的进步 - 包括提高效率,更高功率密度和更先进的控制 - 使这种驱动类型成为高精度运动控制解决方案的理想选择。在需要精确运动控制的应用中日益普及和使用也引起了该技术成本的降低,并使得线性电动机成为许多应用的更经济的选择。


随着技术的发展,选件和配置的数量也在增加,每种类型的线性电机都具有完全不同的性能特征。虽然这扩大了直线电机可满足的要求数量,但也可能使指定最合适的产品更具挑战性。


为了简化这一过程,我们首先解释直接驱动直线电机的机械结构,并将其与更传统的间接驱动系统进行对比。在此基础上,我们将研究不同类型的直线电机,突出其优点,帮助确定各种适用的应用类型。最后,我们将介绍Zaber直接驱动直线电机设备提供的一些独特优势。图1是带有集成控制器和驱动器的直线模组的示例。


直线模组

图1:带有内置控制器,驱动器和线性编码器的直线模组


直线电机与旋转电机

为了解释直线电机,首先简要介绍一下电机。电动机通过产生与另一磁场相互作用的电磁场产生运动,该磁场通常由永磁体产生。通过控制线圈(也称为绕组)中的电流来改变电磁场,以便控制运动。


电机的旋转部分称为“转子”,静止部分称为“定子”。Zaber使用无刷电机,其中永磁体是转子的一部分,绕组构成定子,如图2a所示。永久电动机可以具有少至两个极(即北极和南极),但通常具有两个极中的一些。随着到线圈的电流变化,磁场循环通过其吸引磁极,引起旋转。


对于线性电动机,定子和转子都是相互在线的。想象一下未轧制的电机,如图2b所示,产生一个扁平的线性电机,如图2c所示。它们究竟是如何布置的,以及哪些部件移动而不是固定的,决定了直线电机的类型。电流通过的线圈通常称为线性电机的“强制器”。不是产生扭矩,而是随着电流变化到压力机而产生沿平台行程长度的线性力。


直接驱动与间接驱动

当旋转马达用于运动控制装置时,通常旋转不是实际需要的那种运动; 任何或所有方向,速度和力可能需要不同。为了改变运动方向,使用机械部件,例如齿轮,导螺杆或滚珠丝杠,连接器,皮带和皮带轮。这些组件中的每一个都会在系统中引入摩擦或不准确,从而降低效率并限制精度。我们可以称之为“间接驱动”系统。这些系统可以使用位置反馈来提高精度,但可以使用各种不同的编码器和电机类型,并且可以在没有位置反馈的情况下运行。


相比之下,使用直线电机的设备称为“直接驱动”,因为它们在电机力和所需行程之间没有机械转换。这确保了最大的效率和精度,但也意味着必须选择具有适当规格的合适的电动机,因为没有机构来放大力或延长电动机的行程范围。此外,虽然线性电机能够产生精确和精确的运动,但它们需要同样精确的位置反馈(使用线性编码器)和带伺服控制回路的高级驱动器,以便从驱动器中获得最佳性能。



通过消除线性级中的机械转换组件,直接驱动设备通常能够提供:

较小的最小增量移动

由于效率更高,加速度更高,速度更快

零反弹

精度更高

由于驱动机构中的零摩擦,使用寿命更长


虽然这些特性使直接驱动设备成为许多定位和运动控制应用的理想选择,但有些考虑因素是间接驱动选项可能更合适,因为直接驱动设备:

缺乏“断电”稳定性

可以在负载处产生大量热量并需要温度管理(例如限制占空比)

有更高的价格

可能比具有类似推力的间接驱动装置大



不同种类的直线电机

存在不同类型的线性电动机,因为每个线性电动机都会损害性能的一个方面以便在另一个方面表现优异。有四个主要属性,其中存在性能折衷:磁通密度,磁通泄漏,移动质量和齿槽转矩。


通量密度是可以在特定空间内产生的磁场的大小。高通量密度装置提供优越的力或在更紧凑的尺寸中允许类似的力。

磁通泄漏是电机内电场容量的指标。低通量泄漏通常是优选的,以防止磁场影响系统的其他部件。磁通泄漏还表明电动机的电效率较低。


移动质量是电机运动部件的质量。较高的移动质量意味着两个电机的加速度较低,每个电机具有相同的力输出。

齿槽力(也称为制动力)存在于使用铁的任何线性马达中,并且是铁对永磁体的吸引力。当电动机通电并移动时,会在行程范围内产生周期性的力波动。


除了这四个主要属性之外,尺寸和成本也因可用的不同解决方案而异。

在短篇文章中涵盖所有类型或配置的线性电机具有挑战性,因此以下部分将重点介绍与高精度定位系统相关的三个区别特征:

(1)平面与U形电机轨道,

(2)动圈与动磁铁轨道,以及

(3)铁芯与无铁靴。请记住,大多数(但不是全部)直线电机由相同的主要部件组成:内衬永久磁铁的磁铁轨道,压力机和高分辨率线性编码器。


平面与U形

扁平线性电动机,如图3a所示,具有单个磁轨。它们通常具有较低的轮廓和较低的成本,因为它们仅需要一个磁轨。扁平线性电动机通常具有较高的磁通泄漏和较低的力重比。如图3b所示,U形电动机具有与第一磁轨相对的附加磁轨,其中压头在轨道之间移动。

直线电机

图3a:扁平直线电机。                                                             图3b:U形线性马达。




移动线圈与移动磁铁轨道

在无刷旋转电动机中,绕组通常是定子,因为如果它们是移动转子的一部分,则到达它的导线将卷起。在直线电机中,这不是一个考虑因素; 行程是有限的和线性的,所以到强迫器的电线不能卷起来。虽然压力机可以是固定的“定子”,但也可以在压力机移动的位置设置直线电机。通常,这两种系统称为动圈或动磁轨道电动机。


如图4a所示,动圈式线性马达通常用于较长的行走装置,以保持较低的移动质量。任何线性电机级的行程都限于其磁道的长度。对于短行程阶段,磁轨也很短,这使其保持相对较轻并适合于移动的磁轨平台。对于长行程阶段,磁轨很长并且变得非常重,并且移动线圈更有意义。动圈式线性马达的缺点是,到压头的电缆也总是在移动,因此需要进行电缆管理。通常,动圈式线性马达具有较低的移动质量以获得更大的加速度。


移动线圈直线模组

          图4a:移动线圈。


对于行程范围有限的要求,移动磁道系统(如图4b所示)可能更好,因为它们能够实现更高的精度。这是可能的,因为电动机的移动部分是电和热解耦的,这意味着它更热稳定并且具有更少的电噪声。固定式压脚在电流流过时会加热,安装在系统的底座上,作为散热器,确保整个系统具有更好的热稳定性。



移动磁道直线电机平台

        图4b:移动磁道。


铁心vs无铁

典型的铁芯电机有一个安装在压头上的铁背板,线圈缠绕在铁叠片上,如图5a和图5b所示。在压头上加铁可以减少漏磁,增加磁通密度和力输出。向电动机添加铁还会引入齿槽力,以及由于对永磁体的吸引力而对轴承的负载。铁芯配置的变型称为无槽铁芯,其中压头的线圈不缠绕铁叠片。这有助于减轻齿槽力,但也会降低磁通密度。没有铁芯的电动机被称为无铁心直线电动机,如图5c和图5d所示,当速度稳定性比高力更重要时可以使用。无铁芯直线电机还可在整个行程中实现更均匀的力分布。对于动圈式直线电机,铁芯可能很重,因此无铁制的推进器可提供较低的移动质量


铁芯直线电机

图5a:扁平铁芯线性电动机的侧视图。                               图5b:观察扁平的铁芯直线电机。


无铁芯直线电机

图5c:U形无铁芯线性马达的侧视图。                               图5d:观察U形无铁芯直线电机。


为什么选择杭州摩森机电直线电机

摩森直线电机设备使用可提供卓越性能的配置。它们结合了许多应用所需的高精度,高精度,高速度和加速度。特别是,我们的设备:

使用U形电机设计可实现低漏磁通和增加磁通密度。

无铁芯直线电机更轻,在运动过程中提供更好的精度和速度稳定性。

可用于动圈或移动磁轨配置。

有内置控制器,驱动程序和高分辨率编码器。

预先发货,使用免费软件快速轻松地调整调整参数。


结论

精确定位设备的选项可能看起来令人生畏,但杭州摩森机电的应用工程团队可以帮助您为您的设置选择最佳产品。凭借我们广泛的标准和定制直线电机和直线模组设备,我们可以满足大多数系统的要求,如果您需要我们产品范围之外的产品,我们很乐意为您提供一些建议。



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