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直线电机介绍及行业分析


  1845年英国人发明了直线电机,当时的直线电动机气隙过大导致效率很低,无法应用。19世纪70年代科尔摩根也推出过,因成本高效率低限制其发展。直到20世纪70年代以后,直线电机才逐步发展并应用于一些特殊领域,20世纪90年代直线电机开始应用于机械制造业,现在世界一些技术先进的加工中心厂家开始在其高速机床上应用,国外知名企业例如DMG、Ex-cell-O、Ingersoll、CINCIATI、GROB、MATEC、MAZAK、FANUC、SODICK都推出了使用直线电机的高速高精加工中心。

   
 
  在技术层面,直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能,而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开,并展成平面而成。直线电机比机械系统比有很多独特的优势,如非常高速和非常低速、高加速度、几乎零维护(无接触零件)、高精度、无空回等。完成直线运动只需电机无需齿轮,联轴器或滑轮,对很多应用来说很有意义的,把那些不必要的,减低性能和缩短机械寿命的零件去掉了。
 
  本期将就直线电机及其应用做一些讨论:
 
  1、直线电机适合高速直线运动,这个速度有何限制?
 
  2、直线电机的价格一直是用户所关注的问题,因为直线电机目前都采用稀土永磁材料,材料价格比较昂贵,您认为如何解开用户这个心结?
 
  3、直线电机采用全闭环控制,这个闭环控制有何特点?与伺服相比,优点在哪里?

            行业观点


  我们在很多场合可以看到,许多直线驱动装置或系统都是采用旋转电机通过中间转换装置(例如链条、钢丝绳、同步带、齿条或丝杠等机构)转换为直线运动的。由于这些装置或系统有中间转换传动机构,所以整机存在着体积大、效率低、精度低等问题。近些年直线电机的高速发展,已经在各个领域中得到了广泛的应用。直线电机的速度通常指线速度,相当于旋转电机的转速。直线电机的速度,远远高于旋转电机通过机械部件,形成直线位移运动的速度。这个速度的大小,代表了直线电机的性能,生产制造商的技术水平。直线电机的应用,与旋转电机有些区别,它与负载的情况有很大的关系。所以,我们提到的速度,通常指空载下的直线移动速度。普通旋转电机由于受到离心力的作用,其旋转速度受到限制;而直线电机运行时,它的零部件和传动装置不像旋转电机那样会受到离心力的作用,因而它的直线速度可以不受限制。

  直线电机由于技术含量、制造工艺和材料的问题,所以成本较高。并不单一是因为永磁材料的成本高,主要还有对制造直线电机的加工设备要求较高,例如怎么样保证较长行程的加工精度等,需要高精尖的数控机床才能完成。随着我国数控机床产业的不断提升,加工工艺和加工精度都会逐步提高,相信再过几年,直线电机的机械制造成本会大大降低。谈到稀土永磁材料的成本,的确这段时间增长的较快,很多应用到该材料的电机成本都在上涨。如何能够更好的应用稀土永磁材料,已经是一个关系到材料方面的新课题,这个需要生产永磁材料的厂家研究。例如,现有的稀土永磁体都是采用烧结工艺,磁密度较大,是否有的场合可以采用粘结工艺,磁密度偏小些,可以应用到一些轻负载、小功率的电机上等。
 
  直线电机采用的全闭环控制,是指电机本体上装有光栅尺,时刻反馈动子的位置,由于光栅尺的位置精度很高,所以用直线电机驱动负载,可以提高控制精度。与标准伺服驱动的直线单元比,采用直线电机驱动的传动装置,不需要任何转换装置而直接产生推力,简化了整个系统,保证了运行的可靠性,提高了传动效率,降低了制造成本,易于维护。直线电机是通过电能直接产生直线电磁推力的,它在驱动装置中,其运动可以无机械接触,使传动零部件无磨损,从而大大减少了机械损耗,例如直线电机驱动的磁悬浮列车就是如此。普通伺服驱动的直线运动,其机械结构在运行中,噪声是不可避免的;而直线电机是靠电磁推力驱动装置运行,所以整个装置的噪音很小或无噪音,运行环境好。由于直线电机结构简单,且它的初级铁心在嵌线后可以用环氧树脂等密封成整体,所以可以在一些特殊场合中应用。例如可在潮湿甚者水中使用,可在有腐蚀性气体或有毒、有害气体中应用,甚至在高温或低温下使用。
 
  直线电机的简单结构也使散热效果较好,由于初级的铁心和绕组端部都暴露在空气中,次级很长,具有很大的散热面,热量很容易散发掉,所以直线电机的热负荷可以取得较高,并且不需要附加冷却装置。
 
  同时,直线电机的动态响应速度是普通伺服驱动方式比不了的,用直线电机驱动,可以大大提高设备的加工效率。当然,直线电机的不足之处在于效率和功率因数较低,尤其是低速时比较明显。
 
  主要原因:
 
  一是直线电机的初次级气隙一般比旋转电机的气隙大,因此所需的磁化电流较大,使损耗增加;二是由于直线电机初级铁心两端断开,产生了所谓的边端效应,从而引起波形畸变等问题,也会导致损耗增加。但从整个装置或系统来看,由于采用直线电机后可省去中间传动装置,所以,系统的效率有时还是比采用旋转电机的高。
 
  企业观点
 
  1、直线电机适合高速直线运动,这个速度有何限制?
 
  总体来讲,速度受供电电压、导轨、反馈元件分辨率和采样速率、电机参数的限制,电机本体不是瓶颈。
 
  速度方面,基于直驱结构特点的直线电机具有相当大的优势,速度一般可达300m/min(以永磁同步直线电机为例,感应直线电机更高),加速度达到20g,能满足绝大多数应用场合。直线电机高速限制与几个因素有关(假设电机参数已定):(1)供电电压,直线电机一般作为电动机使用,其反电势会抵消母线电压,进而限制速度,提高电压可以提高电机的速度上限;(2)铁心材料,
 
  同步转速等于二倍的极距和频率乘积,当极距一定,高速意味着更高的电流激励频率,而高的频率带来更多的铁损,增加发热,而一般使用的硅钢片在设计时限制在一定频率使用范围;(3)其他系统组件,比如导轨允许运行的最大加速度一般小于5g、光栅尺以1um分辨率运行的速度一般低于5m/s。在高速应用系统中,要充分考虑各个组件的特点。
 
  因此,直线电机针对不同的应用要进行不同的设计,主要有以下几个因素(假设电压一定):1、合理的极距设计,满足最大速度时低于一定频率的要求,限制铁损发热;2、合理的绕组设计,根据速度要求设计电机力常数(对应反电势常数)、电阻、电感,以满足最高速度时的供电电压需求;
 
  3、加强冷却,直线电机在改善发热后速度还可以进一步提高。
 
  因此,理论上讲,如果没有空间、电压和其它性能参数的限制,单纯对速度要求而言,电机本体设计不是瓶颈;但实际应用中,需求是复杂的,需要综合考虑;直线电机在高速应用中,不仅要考虑电机本身的耐受能力,还要综合电机的外围因素。但不论如何,直线电机的高运动性能仍是其明显优势之一。


  2、直线电机的价格一直是用户所关注的问题,因为直线电机目前都采用稀土永磁材料,材料价格比较昂贵,您认为如何解开用户这个心结?
 
  价格方面,直线电机的价格要是要高出一些。在一个10μm定位精度的系统中,使用直线电机的综合成本大致是滚珠丝杠的2倍。但是随着对精度和速度要求的提高,使用滚珠丝杠的系统成本大幅增加,直线电机在高精高速的应用中具备明显的优势。
 
  正常情况下直线电机的成本较高主要取决于几个方面:
 
  (1)材料成本,比如高性能的永磁体、铜等;这个材料成本和传统电机的差距比较明显,但从使用成本上来讲,对于精度/可靠性和寿命等要求比较高的应用场合,还是有性价比的;
 
  (2)规模化,直线电机还是小批量产品,没有规模优势,因此折合单个产品成本偏高;限于结构特点,没有形成标准、统一的尺寸规格,需要根据实际应用改进各种结构配合;
 
  (3)应用成本,直线电机配套的系统附件成本较高,比如直线光栅尺、驱动器(运动控制困难,虽然直线电机的理论速度与加速度都很诱人,但实际上只有合理的配置负载、驱动才能实现最佳效果);这些产品核心技术仍掌握在国外,短期内价格降不下来;
 
  (4)应用技术不成熟,直线电机的普遍应用需要熟悉其技术的工程师,需要众多厂商的成熟应用经验和市场经验,这些条件目前还未具备。
 
  因此,直线电机的应用还是根据实际需求,它的价格和性能优势只有在部分高端或特殊应用中才能体现,比如长行程、高速、高精度、高可靠性、单轴多动子和免维护的应用场合;客户应合理利用直线电机技术,比如直线电机的高速、高精度等特点,决定着它在电子装备业的硬性需求:加工各种微米级、纳米级的高精度产品,并把直线电机技术运用到生产中,以大力提高生产能力和生产水平。希望客户了解更全面的信息,进行合理选择、理性消费。
 
  3、直线电机采用全闭环控制,这个闭环控制有何特点?与伺服相比,优点在哪里?
 
  以运动平台举例比较:传统运动平台是由旋转电机驱动,带动丝杠、皮带等传动部件驱动的,在旋转电机与工作台及工件之间存在丝杠、皮带、齿轮等中间环节,传动链长;滚珠丝杠又是一种细而长的非刚性传动元件,当运动速度要求较高时,由于滚珠丝杠传动惯量大、扭矩刚度低、传动误差大、磨损严重、弹性变形引起爬行、反向间隙引起非线性误差等一系列缺陷,从而影响运动平台的动态性能。直线电机应用,动子与负载直接刚性连接在一起,采用直线光栅尺等位置反馈直接检测动子和负载的位置,去除传统丝杆、联轴器的反向间隙、磨擦、扭曲变形等等因素,系统的刚性和线性度大大提高,系统控制性能如快速性,控制精度、动态响应能力大大提高,并且由于结构简单,所以维护简单,理论上行程可实现无限长,磨损少寿命长,同时系统控制性能随时间的变化影响很小。

郑州微纳科技有限公司是专业研究和生产直线电机的高新科技企业,在直线电机领域已获得多项国家专利,处于国内领先水平。微纳科技为高校研发的教学直线电机系列,已成功应用于多所高校,取得了良好的效果。