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创造奇迹的直线电机

文章出处:责任编辑:作者:人气:-发表时间:2014-09-24 15:58:00【

    在很多OEM应用领域,直线电机曾一度被认为是昂贵且少见的,而现在,它们变成了极具价值且广泛应用的设备。

    除了在半导体和机床领域能够提供纳米级别的精度,直线电机现在能够满足从医疗设备到封装、印刷甚至金属加工等多个领域的设计工程师的要求。

    由于需求不断增长,这类电机的成本也在缓慢下降。“在过去两年中,价格以每年10%~15%的速度逐步下降,”Incremotion Associates的顾问Dan Jones说,“能够从中国获得相对便宜的稀土磁铁(直线电机的关键组件)是使这种电机的价格变得更加易于承受的重要因素。”

    直线电机产品及其应用有什么新的特点呢?Design News就这一问题咨询了主要供应商。对于是何种力量带来了对这类电机日益增长的兴趣,请看他们的评价。

Anorad: 消除了瓶颈

    作为直线电机的先驱者之一,Anorad公司关注电机在主流工业领域内应用的增长,例如,封装工业、食品加工工业以及成形/填充机械工业。该公司最近发布了它的经济型铁核心直线电机的LC系列,它们是专门针对上述领域而设计的。该系列(在宽度上)具有六种尺寸结构,而每一种尺寸结构则可以选择六种不同的长度,这种新型电机能够提供从44lbs到2100lbs的瞬时力。

    最近,Anorad公司所供应的LC-50电机,以200和400的结构长度为一款曾使用气缸的封装机器提供两个轴向上的运动。由于是改进设计,集成工程师开发了一种自定制的装配件以实现螺栓定位。这种系统采用了一种现成的磁性线性编码器,用于实现对霍尔电机换向的位置反馈。所有的轴向运动,包括若干旋转伺服运动,均由Rockwell Automation 公司的ControLogix平台控制,该平台采用了SERCOS界面和Ultra 3000伺服驱动。

 


Anorad公司的 LC系列直线电机致力于主流工业领域内的应用,
如封装设备

    应用工程师Claude Chirgnan说,集成的设计被用户称为是一个“巨大的成功”,而这部分设计仅在五天内就完成了。而且,由于直线电机能够提供更高的加速度、速度以及更高的精度,并同时减少了由于纸张堵塞和其他问题带来的停工时间,设备的生产率得到了提高。

Aerotech:精密加工的简明方案

    据Aerotech公司介绍,最近几年,直线电机在定位领域的应用有着显著的增长,这是由于,对比于传统的滚珠丝杠驱动,它能提供更快的速度,更高的精度,以及更好的重复性。

    该公司的BLMC系统提供一种无刷无铁芯直线电机,它以一种小体积封装提供更大的力常数。无铁芯设计的优点在于,驱动线圈(forcer coil)并不包含钢片(钢片在驱动部分(forcer)穿越磁道时会产生顿振现象)。此外,无刷的特点也消除了与机械换向器相伴随的转矩波动现象。这两个特点使BLMC适用于需要平稳速度和高精度定位控制的应用场合,Aerotech的工程师们说。

    体现BLMC电机优点的一项应用是平板显示器的制造过程。这种工艺以一种鼓式写印技术为特点,它通过一台像高科技机床一样的机械系统,直接印制图案于柱面上。印鼓水平定位于一个专用旋转轴上,该轴与一个对应的线性轴毗连。通过以恒速(对印鼓的相对速度低于100微米/秒)移动一个激光源,这种写印方法能够产生具有微米级别特征的表面。由于工件的尺寸和表面图形的量都相对较大,加工一个工件的总时间要超过48hrs。Aerotech的工程师们介绍,直线电机对于在如此长的时间和如此低的速度下保持很高的动态精度是十分必要的。

Parker-Trilogy:低成本铁芯方案

    在2004年12月收购了位于Texas的Trilogy Systems 公司后,工业巨人Parker-Hannifin公司在直线电机市场赢得一席之地。Parker-Trilogy公司的铁芯电机采用了已经申请专利的防顿振技术。

    过去,铁芯电机中有斜槽磁铁或换向器,以削弱顿振现象。然而,那种方法也降低了电机的效率。通过引入分立的机械特性于电机中,以产生相等而反相的顿振推力,该公司的新技术采用相消干扰的方法来消除由于换向器部件产生的顿振现象。这一创新使铁芯电机能够适用于以往要求使用更加昂贵的无铁设计方案的场合,产品经理Jack Marsh解释说。


Parker-Trilogy的R7-2A铁芯直线电机是已经申请专利的防顿振技术系列的一部分

    在最近的应用方案中,一家大型半导体设备制造商需要一个线性平台来定位一个重量超过600lbs的机器人。这一方案要求能够在1秒中将机器人移动2m并安放下来。Parker Automation 公司提供了一款由R16铁芯电机驱动的定位器,它采用LME5磁性编码器。工程师们也选择一款Compax3 drive/indexer来定位机器人,并通过I/O与系统控制器通讯。结果:一种节约成本且具有低维护要求的方案被应用于临时设备中。

    Parker公司提供评估计算软件,它基于经验数据,预估温度为直线电机带来的变化,并阻止由于过大的电机负载带来的失效。

Baldor:连续负荷设备

    Baldor公司正在宣传一种新型直线电机设计,据说,这种电机结合了传统无刷线性伺服电机的性能优点和开环线性步进电机的成本优势。这种新电机被称作“HyCore”,它能够提供闭环控制的许多优点,包括零间隙、高效率、无限行程、高速度和高加速度。HyCore的forcer组件包括一款闭环控制的三相伺服电机绕组,其反馈信号来源于外部编码器。固定滚筒中没有磁铁,所以它可以根据应用场合的不同来调节长度。

    应用工程师John Mazurkiewicz 说,在一些需要长行程或承受高强度连续负荷的场合,Hycore具有很好的成本效益——它常用于替代滚珠丝杠机构和带轮执行机构。一个这样的例子是在物料输送领域中,线性交流电机驱动装有产品的货车沿着轨道行驶。交流感应盘定位于货车的底部,而主线圈组沿着导轨安装。当在线圈绕组上加上交流电压时,就产生了一个行波磁场。它在反作用盘中产生感应电流,这一电流又引起了交流感应盘自己的磁场。这两个磁场的相互作用这两个磁场的相互作用产生了驱动力驱动货车直线运动。


来自Baldor公司的HyCore直线电机具有闭环控制的零间隙、
高效率、无限行程、高速度和高加速度优点

    Baldor公司的工程师们相信,很多现在使用流体动力的应用领域将会转而采用直线电机,这样可以节约能源。但是,直线电机的性能应当进一步发展以超越它现在在连续性和峰值力方面所能达到的极限值。

Danaher Motion:速度和精度

    Danaher Motion公司的Platinum DDL(direct drive linear直接线性驱动)生产线生产无铁芯和铁芯的直线电机。其系统工程师Lee Stephens说。在对速度有很高要求的领域,没有几种能与直线电机匹敌的对手。一个例子是,某种加工要求以6m/s的速度在250 msec内完成对熔融金属的截断。过去,采用一对液压缸和对置刀片以及与往复运动轴相连的凸轮系统来解决这一问题。

    在用直线电机设计取代上述机构后,用户不必再安装和维护液压缸和凸轮了。而直线电机也使系统具有更强的鲁棒性(适应性)。由于在加工过程中,熔融金属的流动并不是恒速的,操作员需要调整流速以确保在截断前有足够的金属流入孔中。当采用往复运动轴设计时,当流速改变或被调整时,会产生废料。而当采用直线电机时,可以推迟截断动作直到有足够的金属流入孔中,这样在不需流动控制的条件下实现了长度的一致性。


Danaher Motion公司的Platinum DDL(direct drive linear直接线性驱动)
生产线生产无铁芯和铁芯直线电机

    Stephens也列举了一个精度测量应用的例子,它要求沿着10ft轴的两个轴承之间保持很高的平行度。采用一款无铁芯直线电机,这种系统能使轴承以所能达到的最高精度被放置,Stephens解释说。由于直线电机方法的可重复性,它也允许根据速度和磨损情况进行匹配,而这在采用滚珠丝杠时是做不到的。

    这些来自Danaher和其他主要供应商的例子证明了直线电机在运动控制方面的潜力。随着OEM工程师越来越熟练的将这类电机应用于他们的设计中,随着价格的进一步降低,这样的应用将会倍增。 

 

来源:中国电机网

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