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线性电机在动态应用中的优点和缺点

通过丹妮尔柯林斯|2021年3月31日

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直线电机可以实现高加速率和长行程,具有良好的推力和极高的定位精度,而其他驱动机构,如皮带、螺钉或机架和小齿轮,必须至少牺牲其中一项要求,才能实现其他要求。这就是为什么直线电机是计量和半导体制造等高动态应用的首选。

直线电机的好处
图片信用:ETEL

事实上,根据它们的性能规格,直线电机似乎是最好的选择解决竞争性需求的完美解决方案通常在线性运动应用中发现。但这就引出了一个问题,“为什么直线电机没有被更广泛地采用?”

要了解为什么线性电机仍然落后于其他驱动技术 - 如带,螺钉或机架和小齿轮驱动器 - 让我们看看线性电机设计的一些好处和缺点。


热的产生和消散

在确定和选择电机(无论是旋转电机还是直线电机)的尺寸时,主要考虑的因素之一是热。事实上扭矩(或力)与速度曲线,描述给定电机驱动组合的连续和间歇工作范围,基于电机在指定工作条件下的散热能力。

无铁直线电机
在大多数线性电动机应用中,负载直接连接到挡板,含有绕组。这可以使发热尤其有问题,因为来自电动机的热量可以直接转移到负载。
图片学分:Aerotech

热的产生可能是更成问题的直线电机比它是旋转电机,因为负载是安装到强迫,其中包含电机绕组。(在一些直线电机设计中,负载可以安装到磁体轨道上,尽管这可能只适用于短行程。)而在无铁直线电机,绕组封装在环氧树脂中,环氧树脂不像铁或铝等金属那样容易散热。

这意味着热量很容易传递到负载和周围部件,导致热膨胀、退化,或者在极端情况下,导致损坏或失效。即使负载不受影响,热量的积聚也会降低电机的持续力输出。为了解决这一问题,一些应用程序需要强制空气或液体冷却,这会增加成本、占地面积和复杂性。


防止污染

由于他们的开放式设计和暴露的磁铁,平坦,铁芯直线电机u型槽无铁设计很难防止污染。而配套的直线导轨可以用各种现成的保护海豹和刮刀,线性电动机的暴露磁铁可以吸收加工操作的黑色颗粒或简单地从制造和工厂环境中发现的空气传播污染。液体污染可能会损坏敏感的电子器件或干扰反馈系统。

当然,盖子和外部结构的设计可以防止污染,但它们会使电机散热更加困难,从而加剧上述与热相关的问题。

chieftek-enclosed-ironcore-motors-for-harsh-applications
在有金属碎片或液体污染的环境中,直线电机有时需要防护罩和外壳。但是,它们会阻止电机散发足够的热量,从而降低电机输出力。
图片来源:Chieftek Precision

补偿振动和振荡

线性电机解决方案的关键销售点之一是,它消除了对电机和负载之间的螺钉,带,齿轮箱和联轴器作为螺钉,带,齿轮箱和联轴器的需要。这意味着线性电机不会遭受间隙,卷绕和遵守的影响,这是其实现非常高的定位精度和执行高度动态移动的能力的主要因素,以及快速加速和减速率。

但是,机械传动部件在运动系统中是有益的,因为它为振动和衰减干扰提供了阻尼机制,例如加工力的反应或负载运动引起的振动。如果没有这种“内置”阻尼效应,振荡和振动会阻止直线电机达到所需的定位精度或稳定时间。

为了确保系统能够对这些无阻尼振动和振荡的影响做出反应并作出修正,直线电机系统通常需要更高的频率速度、位置和电流(力)控制环,以及更高的电流环带宽。职位反馈系统——典型的光学或磁性线性编码器-还需要具有更高的分辨率,以便控制器能够更准确地跟踪电机和负载的位置。即使是机架或支撑结构也必须具有足够的刚度(具有较高的固有频率),以保持相对不受冲击和振动的影响,并承受直线电机产生的力。

线性电机的优点
X=位置,V=速度,I=电流,F=力,L=自感,R=电阻
为了达到直线电机所能达到的定位精度,控制系统需要高带宽的电流环、高频控制环和高分辨率反馈。
图片信用:Beckhoff

换句话说,由于用于补偿振动和扰动的组件较少,因此反馈和控制回路必须能够更快、更准确地进行交流,以便系统实现动态、高精度的性能。


前期成本与总体拥有成本

最后,一个关键的限制因素,广泛采用直线电机继续是前期成本。尽管有大量的比较可以证明所有权的总成本较低在一些应用中,与传统的皮带、螺杆或齿条和齿轮解决方案相比,线性电机解决方案的TCO,线性电机系统的前期成本仍然是工程师和设计师采用的障碍,他们的任务是在有限的预算内满足性能规格。举个例子:对于行程长度非常长的应用(这是线性电机解决方案的优势之一),满足行程要求的磁铁和高分辨率线性编码器的成本可以忽略线性电机解决方案的价格。


非传统应用推动直线电机采用率的增长

尽管存在潜在的困难,如产生热量,防止污染,高带宽控制和成本,线性电机的采用率是增长。一度被视为利基半导体解决方案、计量和重型加工应用,铁芯,无铁心的,现在和管式直线电机用于汽车、食品和包装和印刷应用,移动的可能不是挑战或精度要求苛刻,但是更少的组件的好处,更少的停机时间和更高的吞吐量证明了额外的成本和设计考虑是合理的。

管式直线电机的应用
管状直线电机可在一系列包装和装配应用中取代气动和电动气缸。
图像信用:kunlin技术

根据以下文件提交:线性运动提示


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