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標(biāo)題: 直線電機工作原理及選型深度分析 [打印本頁]

作者: szjfjdcn 時間: 2019-7-17 11:14
標(biāo)題: 直線電機工作原理及選型深度分析
一、直線電機的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

直線電機是展平了的旋轉(zhuǎn)電機

1.1 直線電機的幾種常見機構(gòu)

幾種常見的旋轉(zhuǎn)型電機
每一種旋轉(zhuǎn)電機，都有相應(yīng)的直線電機與之對應(yīng)

有鐵芯直線電機

優(yōu)點：推力大，低成本，散熱好
缺點：有吸力，相當(dāng)于推力的10倍齒槽、或挫頓力

無鐵芯直線電機

優(yōu)點：無吸力，無齒槽，動子質(zhì)量輕
缺點：散熱差，剛性差，推力較小

無槽直線電機

是有鐵芯和無鐵芯的結(jié) 合體

磁軸式直線電機

優(yōu)點：無磁槽，磁力線全部利用，體積小，散熱好，工藝簡單
缺點：推力小，剛性差，長度受限制

二、直線電機區(qū)別于傳統(tǒng)傳動方式

•高剛度，無傳動間隙和柔度
•寬調(diào)速范圍（1um/s—5m/s，絲杠<1m/s）
•高動態(tài)性能高加速度，可達(dá)10g
•極高的運動分辨率和定位精度
•無限行程
•無磨損免維護(hù)
•集成機械系統(tǒng)設(shè)計調(diào)整簡單

大行程高精度的終極解決方案

當(dāng)一個平臺的精度要求很高時，比如微米級或者納米級的精度時，這時直線電機是一個很好的選擇，比如當(dāng)直線電機和氣浮導(dǎo)軌配合使用時，平臺的定位精度可達(dá)幾十納米，這是其他形式的平臺所達(dá)不到的。

三、直線電機工作基本原理

直線電機不僅從結(jié)構(gòu)上是從旋轉(zhuǎn)電機演變而來的，其工作原理也與旋轉(zhuǎn)電機相似，遵循電機學(xué)的一些基本電磁原理。這里直流永磁直線電機為例子，說明一下直線電機的基本工作原理。

VLP0020-0160是一款音圈電機，和直線電機在某種程度上是一致的。區(qū)別在于，音圈電機只有一個線圈，磁極一般不超過2對，只被要求在一對磁極的范圍里運動，也就不需要換相了。當(dāng)需要突破這種行程限制，就必需要有更多的磁極，和更多的線圈來接力，這就是直線電機。所以音圈電機也叫做無換向直線電機。

下圖表示的是典型的平板直線電機的結(jié)構(gòu)。圖中的灰色的部分是底板，黃色的方塊為一塊塊的永磁體，黃色和灰色部分組成了直線電機的定子。相鄰兩個永磁體的極性是相反的，所以磁力線的分布如圖中所示。黃色的點表示次級線圈中導(dǎo)線的橫截面。

可以看到導(dǎo)線的方向基本垂直于磁力線的方向，當(dāng)導(dǎo)線中通過電流時，會產(chǎn)生安培力。由左手定則可以得知，根據(jù)導(dǎo)線中電流方向的不同，可以使線圈產(chǎn)生向左或者向右的力。這個力就是使直線電機直接做直線運動的推力。

直線電機絕大部分為直流永磁同步直線電機。其他種類的直線電機，如交流永磁同步直線電機、交流感應(yīng)直線電機、步進(jìn)直線電機。這些電機工作的基本原理都是類似的：

位于磁場中的載流導(dǎo)體，該導(dǎo)體受到力的作用，力的方向可按左手定則確定。力的大小由下面公式確定：

繞組形式

交叉覆蓋方式，三個線圈組合占一個極距，空間利用率高，動子較短。線圈無效的兩邊可排列在磁場外，可以增加散熱效果

非覆蓋平鋪方式，三個線圈占2個極距，一般用于大推力電機，線圈的成型工藝簡單，但線圈中央必須留空，磁場利用率較低

對于帶鐵芯直線電機通常需要采用消齒槽的工藝，斜槽一個方法，還有就是采用分?jǐn)?shù) 槽，錯開磁極和鐵芯的整倍數(shù)關(guān)系

四、直線電機

•小推力款型采用小極距設(shè)計（30mm），相同驅(qū)動下提高電流分辨率，負(fù)面的影響是電機較寬
•線圈的有效長度比例增加，用于循環(huán)的無效長度比例減少，單位重量的推力有所增大
•采用線圈定型工藝，最終線圈排布精確，控制精度高
•大推力款型X系列高于大部分競爭對手，如 kollmorgen 1600N，Hiwin1900N，Baldor 2300N，Accel 3000N
•Hall 傳感器采用分體可脫卸設(shè)計，增加可維護(hù)性
•高導(dǎo)熱樹脂

五、直線電機參數(shù)

•極距（Electrical Cycle Length）
——一對磁極所占的長度，通常是N-N的距離，一般地推力大的電機，極距也大，這和一對磁極間所能容納的導(dǎo)線匝數(shù)和長度有關(guān)
•推力常數(shù)（Force Constant）
——每一安培電流所能產(chǎn)生的推力
•反電動勢常數(shù)（Back EMF Constant）
——每1米/秒速度產(chǎn)生的反電勢電壓
•電機常數(shù)（Motor Constant）
——線圈產(chǎn)生的推力與消耗功率的比值
•持續(xù)電流（Continuous Current）
——線圈可以承受的連續(xù)通過的電流，持續(xù)通過這個電流時，線圈不會因為超過一定的溫度而有被損壞的危險
•持續(xù)推力（Continuous Force）
——當(dāng)線圈通過100%負(fù)載率的持續(xù)電流時產(chǎn)生的推力
•峰值電流（Peak Current）
——線圈短時間內(nèi)可以通過的最大電流，一般峰值電流通過的時間不超過1秒
•峰值推力（Peak Force）
——線圈的通過峰值電流時產(chǎn)生的推力
•線圈最高溫度（Maximum Winding Temperature）
——線圈可以承受的最高溫度
•電機電阻（Resistance 25°C, phase to phase）
——線圈在25°C時的相間電阻
•電機電感（Inductance, phase to phase）
——線圈的相間電感

Hall位置反饋
光柵位置反饋

霍爾效應(yīng)傳感器設(shè)在馬達(dá)里被激活的磁體的面上。在這些信號放大器轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)南嚯娏鳌Ｕ覔Q相是使用線性編碼器信號回到控制器。一個共同的技術(shù)是利用霍爾效應(yīng)同步磁場位置，然后切換到正弦換相。在任何情況下，換相的速度并非是限制因素。

六、直線電機的選型

6.1 直線電機選型的重要性

直線電機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)電機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有所不同。旋轉(zhuǎn)電機往往通過絲杠、皮帶輪等轉(zhuǎn) 動部件轉(zhuǎn)化為直線運動。而直線電機采用直接驅(qū)動技術(shù)，直線電機的性能起到了決定性的作用。直線電機用戶往往對負(fù)載的運動有一系列的要求。這樣就需要我們?yōu)榭蛻暨x擇一款合適的電機。如果選擇不當(dāng)，則可能達(dá)不到客戶的要求，或者給客戶造成成本不必要的上漲。并不是所有的傳統(tǒng)傳動機構(gòu)都能被直線電機替代，如果工作狀態(tài)不能發(fā)揮直線電機的高速性能，這種替代可能是不合理的。

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機可以通過減速機構(gòu)保證功率的正常發(fā)揮，而直線電機系統(tǒng)的持續(xù)推力和最大推力是有限制的，且卻不能通過減速等方式產(chǎn)生更大的力。所以當(dāng)速度很低時，力也不能變大，所以正常的功率不能被發(fā)揮出來。

另外對于成本問題，直線電機的前期成本雖然高于絲桿，但對于高精度的應(yīng)用時，高等級的絲桿的采購成本也會比較高，并且此時絲桿系統(tǒng)也需要考慮安裝線性編碼器，這樣直線電機和絲桿之間的成本差距就會變得很��；并且絲桿傳動的平臺還存在著使用中的維護(hù)和磨損問題，由此帶來的人工成本和維護(hù)成本也不容小視，最后，隨著直線電機的生產(chǎn)技術(shù)的提高以及量產(chǎn)化的不斷擴大，其采購成本也在不斷降低。

6.2 根據(jù)客戶的要求選擇電機

直線電機的使用目前還沒有旋轉(zhuǎn)電機廣泛，了解直線電機的用戶還不是很多。用戶在想使用直線電機時，沒有自行選擇直線電機的能力。這樣就需要我們根據(jù)用戶的要求來幫用戶選擇。

由于用戶沒有選擇的能力，所以用戶只會提供他們的要求。根據(jù)直線電機應(yīng)用場合，這些要求往往是：行程、加速度、最高速度等。實際上，我們的客戶都不會給我們這些數(shù)據(jù)。因為這些數(shù)據(jù)時需要計算出來的，用戶往往不會去計算，或者計算出來的數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確。這時候就需要我們想客戶了解，直線電機需要帶動什么樣的負(fù)載，這個負(fù)載要做什么樣的運動。

6.2.1 確定運動曲線

在確定負(fù)載的運動曲線之前，我們先要了解客戶的負(fù)載是什么樣的。很多客戶的負(fù)載都是加工件或者其他物料，直線電機除了驅(qū)動物料以外，還需要驅(qū)動放置或者固定這些物料的置具或抓具。這些置具或抓具往往比物料更大、更重。我們需要了解的是直線電機驅(qū)動的整個運動部分的質(zhì)量。
這是我們選型時用到的真正負(fù)載：M1

直線電機選型的基本原則是根據(jù)馬達(dá)的自身參數(shù)，利用數(shù)學(xué)關(guān)系計算出運動曲線中所需要的最大推力和RMS力。當(dāng)直線電機的最大推力和持續(xù)推力滿足這些要求時才可以選擇。

我們以最常見的運動曲線為例，要求從負(fù)載在 t 時間內(nèi)從該軸的A點運動到B點，距離為 s 。當(dāng)負(fù)載加速到某一速度 v 以后做勻速運動，到達(dá)B點時速度為0，停頓一段時間后，再從B點返回A點，返回時的要求與之前一樣，就這樣做來回往復(fù)運動，直到加工完成。
這樣，我們可以根據(jù)客戶的要求把t分為三部分：加速時間：t1
勻速時間：t2 減速時間：t3
我們把停頓時間命名為t4。根據(jù)行程s，我們可以計算出t1、t2、t3，以及加速度a、減速度‐a。這樣我們就可以繪出運動曲線（v‐t），如下圖

6.2.2 計算和選擇
運動曲線圖上每個部分的力都可以計算出來，具體的計算方法如下：加速階段的力：
F1=(M1+M2)*a+Fc
勻速階段的力：

F2=Fc
減速階段的力： F3=(M1+M2)*（‐a）+Fc 停頓時電機不出力：
F4=0
其中：
a是加速階段和減速階段的加、減速度
M1是總的運動負(fù)載的質(zhì)量 M2是電機線圈的質(zhì)量
Fc是克服摩擦力的需求力，精密直線導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)一般為0.01，所以一般設(shè) Fc=0.01(M1+M2)
這樣，我們就可以算出整個過程中的RMS力和最大力
RMS力可由以下公式算出

而最大推力Fmax=Max（F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4）算出RMS力和最大推力以后，可以按照一定的流程來選擇一款合適的直線電機

以上的計算只是在相對理想的條件下，實際應(yīng)用時，系統(tǒng)往往對力有更高的需求，所以我們在實際選型時，需要在計算中加入適當(dāng)?shù)挠嗔俊?br />

作者: 未來第一站 時間: 2019-7-17 14:30
學(xué)習(xí)了。

作者: 上海伺服 時間: 2019-7-18 15:55
寫的非常詳細(xì)，很專業(yè)，方便留個聯(lián)系方式，以后溝通嗎？

作者: jiangjun-24 時間: 2019-7-23 15:57
感謝分享

作者: 老男孩man 時間: 2019-8-13 15:43
學(xué)習(xí) 學(xué)習(xí)了

作者: longer2 時間: 2019-8-23 10:21
謝謝分享

作者: 麥田守望者bj 時間: 2019-8-25 15:14
學(xué)習(xí)了

作者: 大力金鋼 時間: 2019-8-29 09:12
厲害,學(xué)到老

作者: 孤鷹GE 時間: 2019-9-29 10:41
留著

作者: 13725573482 時間: 2019-10-17 13:36
學(xué)習(xí)，網(wǎng)上資料看得暈，這個一看清清楚楚

作者: Mechanical_Ken 時間: 2021-12-28 19:52
非常優(yōu)秀！點贊！學(xué)些了

作者: 飯?zhí)叵?20 時間: 2021-12-30 13:41

學(xué)習(xí)了。

作者: 葉落黃昏灬 時間: 2023-4-11 11:24
學(xué)習(xí)了

作者: zhangcau 時間: 2023-4-12 08:15
謝謝分享

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