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直线电机工作原理及选型深度分析

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发表于 2019-7-17 11:14:46 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
一、直线电机的基本结构与工作原理
* P! u& N: i" a( b6 K
' [! j$ d! X+ l. k直线电机是展平了的旋转电机
2 W. G: C  p8 ~2 j) j! t
& p' c/ Y# i. z: n, v7 L1 {" `; {" A7 {# J- d
3 c! q1 q8 d6 p7 ~& h
1.1 直线电机的几种常见机构
, q" ]! I4 i6 `, {& S; M$ e  g1 G
1 i( [* \0 w7 X6 j6 Y/ C7 f几种常见的旋转型电机5 q' i) F. Z0 T. q: X
每一种旋转电机,都有相应的直线电机与之对应
" |0 d9 X& }; [2 l5 c: J! \, @) U! _9 f: z9 ?3 y2 W

5 z' A+ \5 ~" l6 m  \
5 X$ F, w% W+ Y( |- K有铁芯直线电机
! J; E* x+ E2 W. k0 \% h% @8 h
) i( o% ?5 A( q. |; y$ E& T# L优点: 推力大,低成本,散热好- j5 g$ L' Y! P9 V1 U: f
缺点: 有吸力,相当于推力的10倍齿槽、或挫顿力
2 A3 Z- e7 @) Y' q4 w" H
% Z9 D3 o6 c3 K2 A+ |7 x' F7 p5 z3 w: W$ h- J$ D% w7 W
$ g  r% ]+ c6 X$ j
无铁芯直线电机
4 p& E4 A$ I4 R% c) |' U8 n  ?

0 i* k5 {. g5 K- b6 A& h0 f优点:无吸力,无齿槽, 动子质量轻6 u) i7 b& f  W0 i& U& }6 f
缺点: 散热差,刚性差,推力较小
3 V0 r5 V7 `# Q; o. y9 u6 V1 k. N4 |* k0 F5 F* A$ G- R% Q
, `' B" ]7 u6 e9 p! C& w% w

- {3 x5 v/ x* e无槽直线电机

  W! |0 n6 `; M, e1 `: l1 m% o6 s+ ~. h- d
是有铁芯和无铁芯的结 合体$ H" R+ h/ x0 X5 ^2 a$ C! X* W

2 n6 h: ?4 b' c! |& H! S
. L! }; g1 u, C" o, Q. L
4 W2 J, D  G% W- s' d( J磁轴式直线电机

0 a5 Q$ F* ~+ ~! S1 {+ R) Q8 x5 {, k0 g7 q# V
优点:无磁槽,磁力线全部利用,体积小,散热 好,工艺简单& d& h+ r/ ?. c+ i+ J
缺点:推力小,刚性差,长度受限制
# P) Q9 u' A3 \. L' @4 n$ g$ _$ S( n- t8 \8 y0 T
  Z& y( W' k6 d/ t) O& B* [
二、直线电机区别于传统传动方式
& R: o2 C( N5 Z- M+ j/ o4 X
8 j; p+ r: x5 q) t
•高刚度,无传动间隙和柔度6 j0 {8 K* A! b( q! }9 i( x
•宽调速范围(1um/s—5m/s,丝杠<1m/s)
9 |& P% U# Y' N1 M+ G•高动态性能高加速度,可达10g
: V+ I* E" d8 g- M) `6 M+ m% O2 {•极高的运动分辨率和定位精度
4 v) `- R  A  a•无限行程
  \8 D9 g: c3 K$ C•无磨损免维护
( h! D  f4 ?" U! r•集成机械系统设计调整简单
9 o9 G. h$ V7 t' n6 @% I! y( _0 ?1 Q1 C

8 {' O+ m, M( A0 b0 D! B4 D/ B" ]# s: p2 Q7 `9 T* Y: T
大行程高精度的终极解决方案
' a& L7 V# `% x2 K+ [7 l) V6 m' I; K4 S  q7 O2 l

8 h" w  Z8 R% B6 Q! m6 C6 ]7 {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。
( e( m, i1 @$ `; X
- V" V/ d3 M/ a( t) n/ \5 X% ?, K; a) A" {' F* K

3 s( s3 n" ^. w* |% H  l2 {" O0 S* P/ N0 ^' y0 e
三、直线电机工作基本原理
  b, S  U% r/ _' O# Y
& g4 u# f0 c9 X) a9 g# w7 S$ `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。
- J4 G8 w7 Z6 `7 K6 T7 m& {7 @) e5 I( h0 {/ b( ~4 G& k2 ?8 D; R
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。
' p2 U4 E  m' P! j1 n
1 P* I5 l4 u# N0 Z6 K1 P" e$ m2 f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。
7 y1 Y1 }) K, d" F( Q# [1 x
. R: S$ N6 D( Z$ _7 [7 l8 e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。
& q- |0 g) o: _7 D6 M" K# K) G
2 c! L  {+ P8 J5 n3 C
0 A1 w! m8 e' P5 |( ^% m* W
7 ~: D- L% Z' [; X/ m3 R- F6 ?& \, E. [
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:; ~0 z, ]# k7 q5 }0 L
4 f0 |2 j- r) M" k5 d; k
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:
; M( |2 V# m, r2 H
( T' |: ~. f+ T1 T2 v* e; ^; N9 \
' P+ y7 Q# X8 E" T" W- A
& R; t; d, U% L4 Y) R绕组形式, a7 i5 ]- Y9 k; C3 q, k
( `$ v9 R& j& A* g7 u
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9 v. q$ t! T& u0 X% S/ t0 r4 i. }

0 ^. v( P( Z3 N7 q8 l( V2 E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
, r! |# p  {2 J0 g4 P! l' M& R5 }  p7 \: ?$ L, g
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
. E2 F( I' ^" t" l; Y2 g, A, r( F: h% e% ^0 i8 O  }, }. F! v
四、直线电机
/ V% |" Z" @9 w5 y( o) O6 g
& y: T/ ]0 I* @/ A7 Y•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8 [$ D( i+ f5 q  O
•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9 v3 P/ B0 e4 y) v' C2 M
•采用线圈定型工艺,最终线圈排布精确,控制精度高
& p& r/ S9 Z5 G; d•大推力款型X系列高于大部分竞争对手,如 kollmorgen 1600N,Hiwin1900N,Baldor 2300N,Accel 3000N( z  |+ [$ b1 b! _6 t
•Hall    传感器采用分体可脱卸设计,增加可维护性
6 r7 G2 `! y$ E•高导热树脂0 S) ?. D/ {9 j. [- j9 w

' ^, n2 s6 }$ E3 @五、直线电机参数3 @4 e# n7 s- d" `+ S' r

6 |2 s% v# o8 k9 v6 p* x- v, u* P•极距(Electrical Cycle Length)% k2 P! v, ^9 |; F+ \$ F6 ?
——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# v" v. i8 t  L6 Z
•推力常数(Force Constant)
- k% e$ C) Z% ~/ C  n+ S8 ^——每一安培电流所能产生的推力
+ K" F. P* N  a) l•反电动势常数(Back EMF Constant): y1 A4 D9 J) K8 n0 c% g0 B
——每1米/秒速度产生的反电势电压' T2 \3 E3 ]' t. I/ L6 M5 I
•电机常数(Motor Constant)+ @8 Y. |; c9 e  I( i$ W
——线圈产生的推力与消耗功率的比值( f# {0 t) ?9 I: K5 I
•持续电流(Continuous Current)
$ k  L" |. K9 o! Y7 G# C7 G——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
  W" ~5 s/ o+ _  j•持续推力(Continuous Force)# o: U1 P/ Q' N6 ~
——当线圈通过100%负载率的持续电流时产生的推力+ e' {1 y) e  E& Y; y; l
•峰值电流(Peak Current)8 T0 x+ P- L: E, U
——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* [! T7 I" c7 [4 T/ D+ }' f; F
•峰值推力(Peak Force)
8 q4 l4 _9 a2 v% L——线圈的通过峰值电流时产生的推力
- w. {) ^) h. i& |" ^0 u•线圈最高温度(Maximum Winding Temperature)  g  R; G! X; N' x5 g8 @
——线圈可以承受的最高温度
: Z: m; q! v9 R$ n8 c•电机电阻(Resistance 25°C, phase to phase)
; |4 G( {( i: H4 v( @0 A——线圈在25°C时的相间电阻
% `$ X9 |& p8 K+ J•电机电感(Inductance, phase to phase)( m4 o$ N4 O" O1 r
——线圈的相间电感
# _8 u$ h8 K* K! t, b7 _& e# @. X) q8 @
Hall位置反馈0 j4 H" y* |! I( e9 g& y. W: @
光栅位置反馈

; ?" F. i5 D3 ?2 @# K2 W# `  H, h9 D6 s7 U% R
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。
8 @8 W$ T  n( v' |6 R! u! C
0 _& s8 p7 ]7 B- j4 u. z% X# ?  {. b; ~* m& t

& s0 t, ]1 w2 E0 J, M- H' M# f  t, p5 H) e% P/ K
六、直线电机的选型

$ H% M) C# Q7 L. Y) B8 T. [& u+ n' h( \- o
6.1 直线电机选型的重要性$ P$ W/ [4 r3 b

) u% J2 B( Z' A. l5 b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。
" X  b2 w6 |% c+ E
2 H8 d  j0 z( U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。$ T  b; B1 `5 E) r  i
0 e/ O' g. P4 m3 c: ^
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。9 }$ O# @; z$ |7 A+ @
# W' L0 [4 m4 T  j; M  K* G
6.2 根据客户的要求选择电机2 }7 y! b. E4 c! A
( b6 }' S# \  w) {
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。  [* e2 d- L$ }# X
9 H) P  b) U+ w/ Z  I9 V( O
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。. p% r$ q: N  f3 a$ P9 v( l

3 n$ l8 q% R/ m7 @- m  O- t+ c
  [: F; m9 w" `0 }+ \! [; r6.2.1 确定运动曲线
: `5 A" a5 N; N% w+ ]8 ^2 ]& ?% V9 B  O% V+ X7 N
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。
( U. e: l* j6 K" A& D  E这是我们选型时用到的真正负载:M1
& K- X, L& S' i& B, g2 N$ A) l, Q7 Y: G  D5 M: U7 |  Z& r( b
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。+ f, P& q8 V( F. W( w5 F) S: i

" R; Y- u. R. k" Z" N, J. j3 q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。
; k7 y! h2 k4 r9 b5 l这样,我们可以根据客户的要求把t分为三部分: 加速时间:t13 C+ ~1 b. Z9 K$ Z' E
匀速时间:t2 减速时间:t35 l+ w, S- ^- P- l7 E$ n; m1 W
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
/ r. @! `  w3 k5 D5 N3 g% D9 \  F! X  Q7 u

- D8 F( C, e' D0 G( v/ ~' ?4 n6.2.2 计算和选择
' [. }; W2 {. ~/ a4 I! D( p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:8 c' M8 d" U+ |- c
F1=(M1+M2)*a+Fc) `/ w7 F2 ?- S) S- S$ n/ }
匀速阶段的力:8 R" o" F( j) @4 J% v# l/ T9 U- E( y+ E

" z  y3 p# Y! \# M% q0 JF2=Fc
8 w7 l8 i, j5 L$ r/ j减速阶段的力: F3=(M1+M2)*(‐a)+Fc 停顿时电机不出力:
8 _1 h6 n7 s- Z7 W/ G& F! ]F4=0  ~) T3 w' [$ b5 T
其中:
- Z+ M! t4 W6 k" V  F6 ~5 z( H) Ja是加速阶段和减速阶段的加、减速度
0 j$ T" N* C6 r# OM1是总的运动负载的质量 M2是电机线圈的质量
( l; q, X. O6 E# z8 RFc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)7 r3 {- M# I% E( }. ?* }
这样,我们就可以算出整个过程中的RMS力和最大力3 ?- {+ N  X2 P! y1 b: {5 {* g* q( x
RMS力可由以下公式算出9 S9 v% s2 v* a4 e4 q. o. L

9 f* E% V1 H1 S, \% r5 j7 \& v0 x  j5 m. s  T
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
9 K" K- X& I: R* t8 I+ t
" m" b. G- ~- k3 a( q" d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。
- A4 @. \5 B9 _* k2 y  ^0 \- d' K0 C8 ^$ R* ]( d
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2#
发表于 2019-7-17 14:30:12 | 只看该作者
学习了。
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3#
发表于 2019-7-18 15:55:23 | 只看该作者
写的非常详细,很专业,方便留个联系方式,以后沟通吗?
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4#
发表于 2019-7-23 15:57:47 | 只看该作者
感谢分享
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5#
发表于 2019-8-13 15:43:53 | 只看该作者
学习 学习了
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6#
发表于 2019-8-23 10:21:49 | 只看该作者
谢谢分享
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7#
发表于 2019-8-25 15:14:34 | 只看该作者
学习了
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8#
发表于 2019-8-29 09:12:41 | 只看该作者
厉害,学到老
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9#
发表于 2019-9-29 10:41:22 | 只看该作者
留着
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10#
发表于 2019-10-17 13:36:36 | 只看该作者
学习,网上资料看得晕,这个一看清清楚楚
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