直线电机选型:选择直线电机要考虑的三件事!

2023-12-16      阅读:268

“首要”考虑因素:有铁芯还是无铁芯?

直线电机有两种主要类型:有铁芯与无铁芯,指的是初级部分(类似于旋转电机中的定子)的绕组是安装在层压堆叠的铁层中还是安装在环氧树脂中。确定应用是需要有铁芯还是无铁芯直线电机通常是设计和选择的第一步。有铁芯直线电机最适合需要极高推力的应用。这是因为初级部件的层压包含“齿”(突起),这些“齿”将磁通量聚集到次级部件的磁铁(类似于旋转电机中的转子)。初级部分的铁芯和次级部分的永磁体之间的这种磁力使得电机能够提供更高的推力。

无铁芯直线电机推力通常是较低的,因此它们不适合冲压、机加工或成型等推力要求极高得应用中,但却更加擅长高速组装和运输。

无铁芯直线电机有时被称为“U型”直线电机,因为它们的次级部分形状类似“U”形,两个磁板相对安装。主要部分(也称为“推力器”)位于两个磁板之间的U槽中。

有铁芯的设计缺点是齿槽效应,这会降低运动的平滑度。齿槽效应的发生是因为初级部件的开槽设计使其在沿着次级部件的磁体行移动时具有“首选”位置。为了克服初级与次级磁铁对齐的趋势,电机必须产生更大的力来抵消趋势,这会导致速度的波动,称为齿槽效应。力和速度波动的这种变化会降低运动的平稳性,这在行程内的运动质量(不仅仅是最终定位精度)要求很高的应用中可能是一个重大问题。

制造商使用多种方法来减少齿槽效应。一种常见的方法是磁铁(齿)的位置倾斜排布,当初级穿过次级磁铁运动时会更加平滑。另外将磁铁的形状更改为细长的八边形时,也可以实现类似的效果。

另一种减少齿槽效应的方法称为分段绕组。在这种设计中,初级线圈的层压齿比次级中的磁铁多,并且层压堆叠具有特殊的形状。这两种设计共同抵消齿槽力。此外,可以通过软件的解决方案来解决这个问题。减少齿槽效应的算法允许伺服驱动器和控制器调整提供给初级线圈的电流,从而最大限度地减少力和速度的变化。

无铁芯直线电机不存在齿槽效应,因为它们的初级线圈封装在环氧树脂中,而不是缠绕在铁芯上。无铁芯直线电机的质量较低(环氧树脂比铁芯质量更轻,但是硬度较低),这使得在机电系统中能够实现最高的加速度、减速度和运行速度。无铁芯电机的稳定时间通常比有铁芯电机更好(更低)。初级线圈不使用铁芯,以及相关的齿槽效应或速度脉动的消失,也意味着无铁芯直线电机可以提供非常低速、稳定的运动,通常低速运行速度波动小于0.01%。

直线电机的集成程度如何?

与旋转电机相同,直线电机只是运动系统中的一个组件。完整的直线电机系统另外还需要轴承(导轨)来支撑与引导负载、电缆管理、反馈(通常是线性编码器)、伺服驱动器和控制器。经验丰富的设备制造商和机器制造商,或那些具有非常独特的设计或性能要求的用户,可以用内部功能和来自不同制造商的现成组件构建完整的系统。

直线电机系统设计可以说比基于皮带、齿轮齿条或丝杆的系统设计更简单,组件更少,劳动密集型装配步骤更少(无需对齐滚珠丝杠支架或张紧皮带)。直线电机是非接触式的,因此设计人员不必担心为驱动单元的润滑、调整或其他维护做好准备。但对于那些正在寻找交钥匙解决方案的原始设备制造商和机器制造商来说,完整的直线电机驱动执行器、高精度载物台,甚至笛卡尔和龙门系统都有无数种选择。

为有铁芯直线电机选择合适的直线导轨时,需要考虑初级和次级部件之间的吸引力,这可能会增加直线导轨上的负载。但无铁芯直线电机不存在这个问题,因为初级部分不使用铁芯意味着初级和次级之间没有吸引力。

工作环境是否适合直线电机?

直线电机通常是特殊环境中的首选解决方案,例如洁净室和真空环境,因为它们具有较少的移动部件,并且可以与几乎任何类型的线性导轨或电缆管理配对,以满足应用的颗粒产生、除气和温度要求。在极端情况下,次级(磁轨)可用作移动部件,而初级部件(绕组,包括电缆和电缆管理)保持静止。

但是,如果环境由金属碎屑、金属灰尘或金属颗粒组成,则直线电机可能不是最佳选择。对于有铁芯直线电机尤其如此,因为它们的设计本质上是开放的,使磁轨暴露在污染中。无铁芯直线电机的半封闭设计提供了更好的保护,但应注意确保次级部件中的槽不会直接暴露在污染源中。封闭式有铁芯和无铁芯直线电机的设计可以解决污染的问题,但却会降低电机的散热能力,可能会将一个问题换成另一个问题。

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