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直线电机基本结构、工作原理、选型





1、直线电机的基本结构与工作原理

直线电机是展平了的旋转电机


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直线电机工作基本原理
直线电机不仅从结构上是从旋转电机演变 而来的,其工作原理也与旋转电机相似,遵循电机学的一些基本电磁原理。这里直流永磁直线电机为例子,说明一下直线电机的基本工作原理。
 VLP0020-0160是一款音圈电机,和直线电机在某种程度上是一致的。区别在于,音圈电机只有一个线圈,磁极一般不超过2对, 只被要求在一对磁极的范围里运动,也就不需要换相了。

当需要突破这种行程限制,就必需要有更多的磁极,和更多的线圈来接力, 这就是直线电机。所以音圈电机也叫做无换向直线电机。下图表示的是典型的平板直线电机的结构。图中的灰色的部分是底板, 黄色的方块为一块块的永磁体,黄色和灰色部分组成了直线电机的定子。相 邻两个永磁体的极性是相反的,所以磁力线的分布如图中所示。黄色的点表 示次级线圈中导线的横截面。 可以看到导线的方向基本垂直于磁力线的方向,当导线中通过电流时, 会产生安培力。由左手定则可以得知,根据导线中电流方向的不同,可以使 线圈产生向左或者向右的力。这个力就是使直线电机直接做直线运动的推力。

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直线电机绝大部分为直流永磁同步直线电机。其他种类 的直线电机,如交流永磁同步直线电机、交流感应直线电机、步进直线电机。 这些电机工作的基本原理都是类似的: 位于磁场中的载流导体,该导体受到力的作用,力的方向可按左手定则确 定。力的大小由下面公式确定:

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2.直线电机选型的重要性


直线电机系统的结构与旋转电机系统的结构有所不同。旋转电机往往通过丝杠、皮带轮等转 动部件转化为直线运动。而直线电机采用直接驱动技术,直线电机的性能起到了决定性的作用。 直线电机用户往往对负载的运动有一系列的要求。这样就需要我们为客户选择一款合适的电机。 如果选择不当,则可能达不到客户的要求,或者给客户造成成本不必要的上涨。并不是所有的传 统传动机构都能被直线电机替代,如果工作状态不能发挥直线电机的高速性能,这种替代可能是 不合理的。

传统的旋转电机可以通过减速机构保证功率的正常发挥,而直线电机系统的持续推力和最大推 力是有限制的,且却不能通过减速等方式产生更大的力。所以当速度很低时,力也不能变大,所 以正常的功率不能被发挥出来。

另外对于成本问题,直线电机的前期成本虽然高于丝杆,但对于高精度的应用时,高等级的丝 杆的采购成本也会比较高,并且此时丝杆系统也需要考虑安装线性编码器,这样直线电机和丝杆 之间的成本差距就会变得很小;并且丝杆传动的平台还存在着使用中的维护和磨损问题,由此带 来的人工成本和维护成本也不容小视,最后,随着直线电机的生产技术的提高以及量产化的不断 扩大,其采购成本也在不断降低

(1)根据客户的要求选择电机

直线电机的使用目前还没有旋转电机广泛,了解直线电机的用户还不是很多。用 户在想使用直线电机时,没有自行选择直线电机的能力。这样就需要我们根据用户的 要求来帮用户选择。

由于用户没有选择的能力,所以用户只会提供他们的要求。根据直线电机应用场合,这些要求往往是:行程、加速度、最高速度等。实际上,我们的客户都不会给我 们这些数据。因为这些数据时需要计算出来的,用户往往不会去计算,或者计算出来 的数据并不准确。这时候就需要我们想客户了解,直线电机需要带动什么样的负载, 这个负载要做什么样的运动。


(2)确定运动曲线

在确定负载的运动曲线之前,我们先要了解客户的负载是什么样的。很多客户的 负载都是加工件或者其他物料,直线电机除了驱动物料以外,还需要驱动放置或者固 定这些物料的置具或抓具。这些置具或抓具往往比物料更大、更重。我们需要了解的 是直线电机驱动的整个运动部分的质量。

这是我们选型时用到的真正负载:M1 

直线电机选型的基本原则是根据马达的自身参数,利用数学关系计算出运动曲线 中所需要的最大推力和RMS力。当直线电机的最大推力和持续推力满足这些要求时才可 以选择。 

我们以最常见的运动曲线为例,要求从负载在 t 时间内从该轴的A点运动到B点, 距离为 s 。当负载加速到某一速度 v 以后做匀速运动,到达B点时速度为0,停顿一段 时间后,再从B点返回A点,返回时的要求与之前一样,就这样做来回往复运动,直到 加工完成。 这样,我们可以根据客户的要求把t分为三部分: 

加速时间:t1匀速时间:t2减速时间:t3 

我们把停顿时间命名为t4。根据行程s,我们可以计算出t1、t2、t3,以及加速度a、减 速度a。这样我们就可以绘出运动曲线(vt),如下图

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(3)计算和选择

运动曲线图上每个部分的力都可以计算出来,具体的计算方法如下: 加速阶段的力:

F1=(M1+M2)*a+Fc 

匀速阶段的力:

F2=Fc 

减速阶段的力:

F3=(M1+M2)*(a)+Fc

停顿时电机不出力

: F4=0

其中:

a是加速阶段和减速阶段的加、减速度

M1是总的运动负载的质量 M2是电机线圈的质量

Fc是克服摩擦力的需求力,精密直线导轨的摩擦系数一般为0.01,所以一般设 Fc=0.01(M1+M2)

这样,我们就可以算出整个过程中的RMS力和最大力 

RMS力可由以下公式算出 

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而最大推力Fmax=Max(F1,F2,F3,F4) 算出RMS力和最大推力以后,可以按照一定的流程来选择一款合适的直线电机 

以上的计算只是在相对理想的条件下,实际应用时,系统往往对力有更高的需求,所 以我们在实际选型时,需要在计算中加入适当的余量。







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