引
直線電機1845年英國人就已經發明,但當時的直線電動機氣隙過大導致效率很低,無法應用。19世紀70年代科爾摩根也推出過,但因成本高效率低限制其發展。直到20世紀70年代以后,直線電機才逐步發展并應用于一些特殊領域,20世紀90年代直線電機開始應用于機械制造業,現在世界一些技術先進的加工中心廠家開始在其高速機床上應用,國外知名企業例如DMG、Ex-cell-O、Ingersoll、CINCIATI、GROB、MATEC、MAZAK、FANUC、SODICK都推出了使用直線電機的高速高精加工中心。
在技術層面,直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能,而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉電機按徑向剖開,并展成平面而成。直線電機比機械系統比有很多獨特的優勢,如非常高速和非常低速、高加速度、幾乎零維護(無接觸零件)、高精度、無空回等。完成直線運動只需電機無需齒輪,聯軸器或滑輪,對很多應用來說很有意義的,把那些不必要的,減低性能和縮短機械壽命的零件去掉了。
本期將就直線電機及其應用做一些討論:
1、直線電機適合高速直線運動,這個速度有何限制?
2、直線電機的價格一直是用戶所關注的問題,因為直線電機目前都采用稀土永磁材料,材料價格比較昂貴,您認為如何解開用戶這個心結?
3、直線電機采用全閉環控制,這個閉環控制有何特點?與伺服相比,優點在哪里?
行業觀點
北京和利時電機技術有限公司
副總經理張浩
我們在很多場合可以看到,許多直線驅動裝置或系統都是采用旋轉電機通過中間轉換裝置(例如鏈條、鋼絲繩、同步帶、齒條或絲杠等機構)轉換為直線運動的。由于這些裝置或系統有中間轉換傳動機構,所以整機存在著體積大、效率低、精度低等問題。近些年直線電機的高速發展,已經在各個領域中得到了廣泛的應用。直線電機的速度通常指線速度,相當于旋轉電機的轉速。直線電機的速度,遠遠高于旋轉電機通過機械部件,形成直線位移運動的速度。這個速度的大小,代表了直線電機的性能,生產制造商的技術水平。直線電機的應用,與旋轉電機有些區別,它與負載的情況有很大的關系。所以,我們提到的速度,通常指空載下的直線移動速度。普通旋轉電機由于受到離心力的作用,其旋轉速度受到限制;而直線電機運行時,它的零部件和傳動裝置不像旋轉電機那樣會受到離心力的作用,因而它的直線速度可以不受限制。
直線電機由于技術含量、制造工藝和材料的問題,所以成本較高。并不單一是因為永磁材料的成本高,主要還有對制造直線電機的加工設備要求較高,例如怎么樣保證較長行程的加工精度等,需要高精尖的數控機床才能完成。隨著我國數控機床產業的不斷提升,加工工藝和加工精度都會逐步提高,相信再過幾年,直線電機的機械制造成本會大大降低。談到稀土永磁材料的成本,的確這段時間增長的較快,很多應用到該材料的電機成本都在上漲。如何能夠更好的應用稀土永磁材料,已經是一個關系到材料方面的新課題,這個需要生產永磁材料的廠家研究。例如,現有的稀土永磁體都是采用燒結工藝,磁密度較大,是否有的場合可以采用粘結工藝,磁密度偏小些,可以應用到一些輕負載、小功率的電機上等。
直線電機采用的全閉環控制,是指電機本體上裝有光柵尺,時刻反饋動子的位置,由于光柵尺的位置精度很高,所以用直線電機驅動負載,可以提高控制精度。與標準伺服驅動的直線單元比,采用直線電機驅動的傳動裝置,不需要任何轉換裝置而直接產生推力,簡化了整個系統,保證了運行的可靠性,提高了傳動效率,降低了制造成本,易于維護。直線電機是通過電能直接產生直線電磁推力的,它在驅動裝置中,其運動可以無機械接觸,使傳動零部件無磨損,從而大大減少了機械損耗,例如直線電機驅動的磁懸浮列車就是如此。普通伺服驅動的直線運動,其機械結構在運行中,噪聲是不可避免的;而直線電機是靠電磁推力驅動裝置運行,所以整個裝置的噪音很小或無噪音,運行環境好。由于直線電機結構簡單,且它的初級鐵心在嵌線后可以用環氧樹脂等密封成整體,所以可以在一些特殊場合中應用。例如可在潮濕甚者水中使用,可在有腐蝕性氣體或有毒、有害氣體中應用,甚至在高溫或低溫下使用。
直線電機的簡單結構也使散熱效果較好,由于初級的鐵心和繞組端部都暴露在空氣中,次級很長,具有很大的散熱面,熱量很容易散發掉,所以直線電機的熱負荷可以取得較高,并且不需要附加冷卻裝置。
同時,直線電機的動態響應速度是普通伺服驅動方式比不了的,用直線電機驅動,可以大大提高設備的加工效率。當然,直線電機的不足之處在于效率和功率因數較低,尤其是低速時比較明顯。
主要原因:
一是直線電機的初次級氣隙一般比旋轉電機的氣隙大,因此所需的磁化電流較大,使損耗增加;二是由于直線電機初級鐵心兩端斷開,產生了所謂的邊端效應,從而引起波形畸變等問題,也會導致損耗增加。但從整個裝置或系統來看,由于采用直線電機后可省去中間傳動裝置,所以,系統的效率有時還是比采用旋轉電機的高。
企業觀點
深圳市大族電機科技有限公司
產品線經理王書華
1、直線電機適合高速直線運動,這個速度有何限制?
總體來講,速度受供電電壓、導軌、反饋元件分辨率和采樣速率、電機參數的限制,電機本體不是瓶頸。
速度方面,基于直驅結構特點的直線電機具有相當大的優勢,速度一般可達300m/min(以永磁同步直線電機為例,感應直線電機更高),加速度達到20g,能滿足絕大多數應用場合。直線電機高速限制與幾個因素有關(假設電機參數已定):(1)供電電壓,直線電機一般作為電動機使用,其反電勢會抵消母線電壓,進而限制速度,提高電壓可以提高電機的速度上限;(2)鐵心材料,
同步轉速等于二倍的極距和頻率乘積,當極距一定,高速意味著更高的電流激勵頻率,而高的頻率帶來更多的鐵損,增加發熱,而一般使用的硅鋼片在設計時限制在一定頻率使用范圍;(3)其他系統組件,比如導軌允許運行的最大加速度一般小于5g、光柵尺以1um分辨率運行的速度一般低于5m/s。在高速應用系統中,要充分考慮各個組件的特點。
因此,直線電機針對不同的應用要進行不同的設計,主要有以下幾個因素(假設電壓一定):1、合理的極距設計,滿足最大速度時低于一定頻率的要求,限制鐵損發熱;2、合理的繞組設計,根據速度要求設計電機力常數(對應反電勢常數)、電阻、電感,以滿足最高速度時的供電電壓需求;
3、加強冷卻,直線電機在改善發熱后速度還可以進一步提高。
因此,理論上講,如果沒有空間、電壓和其它性能參數的限制,單純對速度要求而言,電機本體設計不是瓶頸;但實際應用中,需求是復雜的,需要綜合考慮;直線電機在高速應用中,不僅要考慮電機本身的耐受能力,還要綜合電機的外圍因素。但不論如何,直線電機的高運動性能仍是其明顯優勢之一。
2、直線電機的價格一直是用戶所關注的問題,因為直線電機目前都采用稀土永磁材料,材料價格比較昂貴,您認為如何解開用戶這個心結?
價格方面,直線電機的價格要是要高出一些。在一個10μm定位精度的系統中,使用直線電機的綜合成本大致是滾珠絲杠的2倍。但是隨著對精度和速度要求的提高,使用滾珠絲杠的系統成本大幅增加,直線電機在高精高速的應用中具備明顯的優勢。
正常情況下直線電機的成本較高主要取決于幾個方面:
(1)材料成本,比如高性能的永磁體、銅等;這個材料成本和傳統電機的差距比較明顯,但從使用成本上來講,對于精度/可靠性和壽命等要求比較高的應用場合,還是有性價比的;
(2)規模化,直線電機還是小批量產品,沒有規模優勢,因此折合單個產品成本偏高;限于結構特點,沒有形成標準、統一的尺寸規格,需要根據實際應用改進各種結構配合;
(3)應用成本,直線電機配套的系統附件成本較高,比如直線光柵尺、驅動器(運動控制困難,雖然直線電機的理論速度與加速度都很誘人,但實際上只有合理的配置負載、驅動才能實現最佳效果);這些產品核心技術仍掌握在國外,短期內價格降不下來;
(4)應用技術不成熟,直線電機的普遍應用需要熟悉其技術的工程師,需要眾多廠商的成熟應用經驗和市場經驗,這些條件目前還未具備。
因此,直線電機的應用還是根據實際需求,它的價格和性能優勢只有在部分高端或特殊應用中才能體現,比如長行程、高速、高精度、高可靠性、單軸多動子和免維護的應用場合;客戶應合理利用直線電機技術,比如直線電機的高速、高精度等特點,決定著它在電子裝備業的硬性需求:加工各種微米級、納米級的高精度產品,并把直線電機技術運用到生產中,以大力提高生產能力和生產水平。希望客戶了解更全面的信息,進行合理選擇、理性消費。
3、直線電機采用全閉環控制,這個閉環控制有何特點?與伺服相比,優點在哪里?
以運動平臺舉例比較:傳統運動平臺是由旋轉電機驅動,帶動絲杠、皮帶等傳動部件驅動的,在旋轉電機與工作臺及工件之間存在絲杠、皮帶、齒輪等中間環節,傳動鏈長;滾珠絲杠又是一種細而長的非剛性傳動元件,當運動速度要求較高時,由于滾珠絲杠傳動慣量大、扭矩剛度低、傳動誤差大、磨損嚴重、彈性變形引起爬行、反向間隙引起非線性誤差等一系列缺陷,從而影響運動平臺的動態性能。直線電機應用,動子與負載直接剛性連接在一起,采用直線光柵尺等位置反饋直接檢測動子和負載的位置,去除傳統絲桿、聯軸器的反向間隙、磨擦、扭曲變形等等因素,系統的剛性和線性度大大提高,系統控制性能如快速性,控制精度、動態響應能力大大提高,并且由于結構簡單,所以維護簡單,理論上行程可實現無限長,磨損少壽命長,同時系統控制性能隨時間的變化影響很小。