一、直线电机的基本结构与工作原理
直线电机是展平了的旋转电机
1.1直线电机的几种常见机构
几种常见的旋转型电机
每一种旋转电机,都有相应的直线电机与之对应
1有铁芯直线电机
优点:推力大,低成本,散热好
缺点:有吸力,相当于推力的10倍齿槽、或挫顿力
2无铁芯直线电机:
优点:无吸力,无齿槽,动子质量轻
缺点:散热差,刚性差,推力较小
3无槽直线电机
是有铁芯和无铁芯的结合体
4磁轴式直线电机
优点:无磁槽,磁力线全部利用,体积小,散热好,工艺简单
缺点:推力小,刚性差,长度受限制
二、直线电机区别于传统传动方式
•高刚度,无传动间隙和柔度
•宽调速范围(1um/s—5m/s,丝杠<1m/s)
•高动态性能高加速度,可达10g
•极高的运动分辨率和定位精度
•无限行程
•无磨损免维护
•集成机械系统设计调整简单
大行程高精度的终极解决方案
当一个平台的精度要求很高时,比如微米级或者纳米级的精度时,这时直线电机是一个很好的选择,比如当直线电机和气浮导轨配合使用时,平台的定位精度可达几十纳米,这是其他形式的平台所达不到的。
三、直线电机工作基本原理
直线电机不仅从结构上是从旋转电机演变而来的,其工作原理也与旋转电机相似,遵循电机学的一些基本电磁原理。这里直流永磁直线电机为例子,说明一下直线电机的基本工作原理。
VLP0020-0160是一款音圈电机,和直线电机在某种程度上是一致的。区别在于,音圈电机只有一个线圈,磁极一般不超过2对,只被要求在一对磁极的范围里运动,也就不需要换相了。当需要突破这种行程限制,就必需要有更多的磁极,和更多的线圈来接力,这就是直线电机。所以音圈电机也叫做无换向直线电机。)
下图表示的是典型的平板直线电机的结构。图中的灰色的部分是底板,黄色的方块为一块块的永磁体,黄色和灰色部分组成了直线电机的定子。相邻两个永磁体的极性是相反的,所以磁力线的分布如图中所示。黄色的点表示次级线圈中导线的横截面。
可以看到导线的方向基本垂直于磁力线的方向,当导线中通过电流时,会产生安培力。由左手定则可以得知,根据导线中电流方向的不同,可以使线圈产生向左或者向右的力。这个力就是使直线电机直接做直线运动的推力。
直线电机绝大部分为直流永磁同步直线电机。其他种类的直线电机,如交流永磁同步直线电机、交流感应直线电机、步进直线电机。这些电机工作的基本原理都是类似的。
位于磁场中的载流导体,该导体受到力的作用,力的方向可按左手定则确定。力的大小由下面公式确定:
绕组形式:
交叉覆盖方式,三个线圈组合占一个极距,空间利用率高,动子较短。线圈无效的两边可排列在磁场外,可以增加散热效果。
非覆盖平铺方式,三个线圈占2个极距,一般用于大推力电机,线圈的成型工艺简单,但线圈中央必须留空,磁场利用率较低。
对于带铁芯直线电机通常需要采用消齿槽的工艺,斜槽一个方法,还有就是采用分数槽,错开磁极和铁芯的整倍数关系。
四、直线电机
•小推力款型采用小极距设计(30mm),相同驱动下提高电流分辨率,负面的影响是电机较宽
•线圈的有效长度比例增加,用于循环的无效长度比例减少,单位重量的推力有所增大
•采用线圈定型工艺,最终线圈排布精确,控制精度高
•大推力款型X系列高于大部分竞争对手,如kollmorgen1600N,Hiwin1900N,Baldor2300N,Accel3000N9
•Hall传感器采用分体可脱卸设计,增加可维护性,
•高导热树脂
五、直线电机参数
•极距(ElectricalCycleLength)
——一对磁极所占的长度,通常是N-N的距离,一般地推力大的电机,极距也大,这和一对磁极间所能容纳的导线匝数和长度有关
•推力常数(ForceConstant)
——每一安培电流所能产生的推力
•反电动势常数(BackEMFConstant)
——每1米/秒速度产生的反电势电压
•电机常数(MotorConstant)
——线圈产生的推力与消耗功率的比值
•持续电流(ContinuousCurrent)
——线圈可以承受的连续通过的电流,持续通过这个电流时,线圈不会因为超过一定的温度而有被损坏的危险
•持续推力(ContinuousForce)
——当线圈通过100%负载率的持续电流时产生的推力
•峰值电流(PeakCurrent)
——线圈短时间内可以通过的最大电流,一般峰值电流通过的时间不超过1秒
•峰值推力(PeakForce))
——线圈的通过峰值电流时产生的推力
•线圈最高温度(MaximumWindingTemperature)
——线圈可以承受的最高温度
•电机电阻(Resistance25°C,phasetophase)
——线圈在25°C时的相间电阻
•电机电感(Inductance,phasetophase)
——线圈的相间电感
Hall位置反馈
光栅位置反馈
霍尔效应传感器设在马达里被激活的磁体的面上。在这些信号放大器转换成适当的相电流。正弦换相是使用线性编码器信号回到控制器。一个共同的技术是利用霍尔效应同步磁场位置,然后切换到正弦换相。在任何情况下,换相的速度并非是限制因素。
六、直线电机的选型
6.1直线电机选型的重要性
直线电机系统的结构与旋转电机系统的结构有所不同。旋转电机往往通过丝杠、皮带轮等转动部件转化为直线运动。而直线电机采用直接驱动技术,直线电机的性能起到了决定性的作用。直线电机用户往往对负载的运动有一系列的要求。这样就需要我们为客户选择一款合适的电机。如果选择不当,则可能达不到客户的要求,或者给客户造成成本不必要的上涨。并不是所有的传统传动机构都能被直线电机替代,如果工作状态不能发挥直线电机的高速性能,这种替代可能是不合理的。
传统的旋转电机可以通过减速机构保证功率的正常发挥,而直线电机系统的持续推力和最大推力是有限制的,且却不能通过减速等方式产生更大的力。所以当速度很低时,力也不能变大,所以正常的功率不能被发挥出来。
另外对于成本问题,直线电机的前期成本虽然高于丝杆,但对于高精度的应用时,高等级的丝杆的采购成本也会比较高,并且此时丝杆系统也需要考虑安装线性编码器,这样直线电机和丝杆之间的成本差距就会变得很小;并且丝杆传动的平台还存在着使用中的维护和磨损问题,由此带来的人工成本和维护成本也不容小视,最后,随着直线电机的生产技术的提高以及量产化的不断扩大,其采购成本也在不断降低。
6.2根据客户的要求选择电机
直线电机的使用目前还没有旋转电机广泛,了解直线电机的用户还不是很多。用户在想使用直线电机时,没有自行选择直线电机的能力。这样就需要我们根据用户的要求来帮用户选择。
由于用户没有选择的能力,所以用户只会提供他们的要求。根据直线电机应用场合,这些要求往往是:行程、加速度、最高速度等。实际上,我们的客户都不会给我们这些数据。因为这些数据时需要计算出来的,用户往往不会去计算,或者计算出来的数据并不准确。这时候就需要我们想客户了解,直线电机需要带动什么样的负载,这个负载要做什么样的运动。
6.2.1确定运动曲线
在确定负载的运动曲线之前,我们先要了解客户的负载是什么样的。很多客户的负载都是加工件或者其他物料,直线电机除了驱动物料以外,还需要驱动放置或者固定这些物料的置具或抓具。这些置具或抓具往往比物料更大、更重。我们需要了解的是直线电机驱动的整个运动部分的质量。
这是我们选型时用到的真正负载
直线电机选型的基本原则是根据马达的自身参数,利用数学关系计算出运动曲线中所需要的最大推力和RMS力。当直线电机的最大推力和持续推力满足这些要求时才可以选择。
我们以最常见的运动曲线为例,要求从负载在t时间内从该轴的A点运动到B点,距离为s。当负载加速到某一速度v以后做匀速运动,到达B点时速度为0,停顿一段时间后,再从B点返回A点,返回时的要求与之前一样,就这样做来回往复运动,直到加工完成。
这样,我们可以根据客户的要求把t分为三部分:
加速时间:t1
匀速时间:t2
减速时间:t3
我们把停顿时间命名为t4。
根据行程s,我们可以计算出t1、t2、t3,以及加速度a、减速度‐a。这样我们就可以绘出运动曲线(v‐t),如下图
6.2.2计算和选择
运动曲线图上每个部分的力都可以计算出来,具体的计算方法如下:加速阶段的力:
F1=(M1+M2)a+Fc
匀速阶段的力:
F2=Fc
减速阶段的力:F3=(M1+M2)(‐a)+Fc停顿时电机不出力:
F4=0
其中:
a是加速阶段和减速阶段的加、减速度
M1是总的运动负载的质量M2是电机线圈的质量
Fc是克服摩擦力的需求力,精密直线导轨的摩擦系数一般为0.01,所以一般设Fc=0.01(M1+M2)1k
这样,我们就可以算出整个过程中的RMS力和最大力
RMS力可由以下公式算出
而最大推力Fmax=Max(F1,F2,F3,F4)算出RMS力和最大推力以后,可以按照一定的流程来选择一款合适的直线电机
以上的计算只是在相对理想的条件下,实际应用时,系统往往对力有更高的需求,所以我们在实际选型时,需要在计算中加入适当的余量。