作者:M Babb
2009年9月05日
与传统的直线运动系统相比，直接驱动直线(DDL)电机提供卓越的速度、加速度、负载定位精度、快速循环等。然而，DDL运动系统具有较高的初始成本，并且需要与特定机器或整体系统进行更紧密的设计集成。
典型的DDL系统的核心是直线电机。简单地说，直线电机由一个主要元件和一个次要元件组成。它们分别对应于旋转电机的转子和定子，定子被压平。主滑块(或滑块)相对于副滑块线性移动，由气隙隔开。存在几种线性电机设计变体。
它始于机床直接驱动直线运动(DDL)技术起源于机床行业，应用于高质量的加工、珩磨、磨削、冲孔和激光切割等领域。直线电机系统后来扩展到龙门架/材料处理，飞切断设备，金属成型，装配梭/输送机，和食品加工机械。
博世力士乐的卡尔·拉普说:“最初，大多数高端机器都包含直线电机，但今天越来越多的主流和“经济型机器”利用了DDL电机的好处。”
他认为DDL电机系统是一项成熟的技术，而且还在不断取得进步。该公司列举了一些例子，例如改进的冷却剂夹套设计，将定子和机床床之间的温差降至小于2 K，优化的磁铁形状，以减少力波动和材料成本，以及由预先组装的各种长度的不锈钢盖保护的磁铁轨道，以简化系统安装和操作。
拉普说:“直接驱动直线电机系统在相当简单的机器结构中结合了高速和高精度的加速度。”“这使得机器制造商能够开发出以前很难或不可能实现的新设计。”
例如，在工业玻璃切割应用中，与传统的伺服电机和机架系统相比，DDL直线运动将生产时间缩短了约20%。海格拉银河平板玻璃切割机(见图)采用博世力士乐IndraDyn L直线电机，x-y轴速度可达3.5米/秒，加速度为12米/s2，在20平方米的玻璃面积内可保持±0.05毫米的公差。相比之下，之前的运动系统只有±0.2毫米的精度。
另一个由于DDL运动而改进工艺的例子是曲轴销的轨道磨削。拉普解释说，以前，每个销都必须分别居中和研磨，但在新工艺中，曲轴绕其中心旋转。
x轴直线电机利用其较高的动静态刚度跟随销，并保持1 μ m以下的圆度精度。此外，两个砂轮可以很容易地同时工作在两个销。该工艺的最新成功是用于船舶推进的巨大曲轴的大抛量磨削。
简单快捷今天的智能数字驱动器与DDL电机相结合，可以在驱动器中而不是在控制器中实现非常快速的控制环路关闭。IndraDrive中的功能，如力/转矩脉动补偿、纳米级插值和超高分辨率正弦反馈，据说可以带来优越的动态/静态刚度和运动精度。
拉普说:“此外，自动换向功能可以消除对绝对反馈或霍尔效应传感器盒的需求，尽管它们也得到了支持。”
安川电气强调快速和简单的DDL运动系统设置的重要性。安川的产品工程师P必威betaul Zajac解释说，新款Sigma-5系列伺服放大器的先进功能使这成为可能。这些功能包括必威bet少调优功能，据说可以提供“即时性能”，以及高级自动调优功能，以实现更高的性能。
另一个特点是增强振动抑制，减少机器共振和沉降时间。它还消除了由于机器共振和负载扰动引起的振动。
该功能自动检测和抑制1khz以下的振荡频率。还有一个陷波滤波器可以控制1khz及以上的频率。”
Parker Hannifin将DDL电机系统中提高的性能和减少的运动误差与当今控制器和驱动器的功率连接起来。Parker的产品经理Jay W. Schultz说:“控制器提高了性能，因为它们可以预先解决与速度的一阶导数和二阶导数(分别是加速度和加速度)相关的伺服误差，这些误差通常是由摩擦、摩擦和其他可重复的干扰引起的。”
“在DDL系统中，由于负载直接与电机耦合，从而与反馈设备耦合，因此可以减少错误并提高性能。”
没有磁铁在西门子，直接驱动直线运动技术的扩展被认为已远远超出机床应用。西门子(Siemens)顾问杰夫•格拉赫(Jeff Gerlach)将较新的应用领域概括为包装和自动分拣机，以及高速输送系统。
DDL运动可以特别具有成本效益的输送机，因为比带式或辊式安排的速度要高得多。该公司正在利用其最新一代无刷永磁同步直线电机(自冷却1FN6系列)来追求这些应用。
关于1FN6的不同寻常之处在于它有一个无磁的次级轨道，这使得它非常便宜，特别是在穿越距离很长的情况下。它被定位为具有齿轮齿条或滚珠丝杠等机械传动元件的经典驱动解决方案的替代方案，以及异步线性或磁阻电机等其他类型电机的替代方案。
在机床领域的许多应用中，长穿越距离必须快速和精确地行进。由于永磁体的成本或在很难保护第二段轨道免受污垢的应用中，以前的直线电机的使用范围有限。具有非常大气隙的应用程序也可以使用1FN6实现。
在机床的情况下，1FN6特别适用于使用水射流或激光束切割的应用。就穿越距离而言，任何数量的辅助截面都可以相邻安装。此外，几个主要路段可以在次要路段轨道上运行。
1FN6直线电机的第一级输送被设计为自冷却版本，功率范围为880 N至7920 N。
不再有“黑色艺术”长期以来，Festo以其每年生产800万台气动执行器而闻名，现在，Festo决定推出自己的基于直线电机的高性能电动执行器品牌。第一个产品是ELGL-LAS直线电机轴，采用磁预加载气垫轴承，以确保精确定位和线性度。
据Festo英国驱动器经理奈杰尔·道森(Nigel Dawson)说，Festo的加入“有望促使人们重新评估他们对这类技术的看法”。
“到目前为止，在高动态定位应用中使用直线电机，特别是那些需要精确重复性的应用，已经被证明是一种黑魔法。我们打算改变这一点，这样系统设计师最终会把我们的直线电机视为另一种驱动技术的选择。为了实现这一点，我们有效地重新发明了直线电机，提出了一个管状设计，可以集成在执行器与我们的气动产品相同的形状因素(见方框，管状电机)。必威官方登陆
但是，回到ELGL-LAS。电机采用常规线性同步设计;定子采用固定床的形式，移动小车中的绕组由电机控制器发出的驱动信号馈电。轿厢的特点是集成位移传感器必威bet，为控制器提供数字位置反馈，最多可在同一床上使用三个轿厢，并独立控制。
Festo电机的真正新颖之处在于:轿厢包含一系列嵌入式永磁体，以提供集成的锁定制动功能。只有当气垫克服磁铁对固定床的吸引力时，轿厢才能自由移动。为了提供空气轴承，必须将压缩空气送入电机，以保持4巴的压力。
气垫轴承的使用最大限度地减少了导向部件的摩擦，使润滑和日常维护成为不必要的。如果压缩空气或电力被关闭到电机，它立即锁定到位置，使它不能再。这对于垂直应用尤其重要，在垂直位置上保持部件可能对安全至关重要。这是一个内置的故障安全制动器。
有六个ELGL-LAS直线电机轴可供选择;一款车型的标准冲程长度为1米，而其他五款车型的冲程长度为2米，并提供各种不同的加速度、速度和推力评级。最强大的2米轴可以处理高达50米/秒/秒的加速度和高达4米/秒的速度，并可以产生349牛的连续力，峰值额定463牛。所有六种型号都具有±0.01毫米的极高重复精度。2米的型号有现货;费斯托还将根据特殊订单生产行程长度可达6米的车型。
电机类型(另见本文末尾的“直线电机类型和术语”)
DDL电机主要分为两大类:无刷PM(永磁)同步和LIM(直线感应电机)。第一种类型占主导地位，主要是因为由于现有的磁场，它们具有更高的力密度和效率以及更快的响应。它们还允许更少的热损失转移到机器结构，并且通常在堆栈高度较低。
西门子的第一个直线电机是LIM型，但该技术已迁移到无刷永磁同步电机。老式异步LIM的力密度只有我们新1FN6系列的30%。
lim在运输、仓储和一些娱乐应用方面有市场吸引力，但大多数通用自动化供应商只提供无刷PM同步直线电机系统。
重要的反馈装置直到最近，玻璃尺度的光学编码器是唯一适合DDL运动系统的反馈设备。由于这种编码器成本和灵敏度的结合，ddl运动系统仅限于清洁环境电子和半导体应用。(一个例外是在成功应用光反馈(包括金属秤)的机床上。)
低成本磁性技术等技术的进步现在允许自动化控制供应商应用磁性编码器，这带来了两个主要好处:首先，它们更坚固，适用于工业使用，因为它们对灰尘、污垢和碎片的敏感度低于玻璃编码器。其次，它们有助于降低DDL运动系统的成本。
较新的磁性编码器设备可以集成，成本是玻璃尺寸编码器的十分之一。光学编码器更精确，但对于某些行业，1和5微米的磁编码器分辨率就足够了。
安川直线电机系统兼容绝对线性编码器，特别是电磁感应型，耐油和水污染。它们的分辨率为0.1或0.5微米，长度可达6米。非接触设计是高速，高加速度直线电机应用的最佳选择。使用绝对编码器消除了寻的需要以及磁极检测。
总拥有成本直接驱动直线运动系统的初始成本(成本主要在电机上)可能高于替代方案。不过，博世力士乐的拉普说，许多原始设备制造商承认，一旦采用了直线电机技术，并将其合理设计到机器中，整个机器的成本就会降低。这是由于更简单的结构，减少了组装和启动时间，以及更好的机器性能的产品质量。
西门子的格拉赫指出，DDL运动系统的部件数量较少，而伺服电机/滚珠丝杠系统的所有部件都可能出现故障。
他补充道:“使用滚珠丝杠还涉及更多步骤，比如将扭矩和螺距变化映射到控制计算中。对于直接驱动系统，潜在的部件故障仅限于直线电机的主要部分和反馈装置。”
派克汉尼汾将DDL运动系统的成本效益与精度、速度和灵活性的互补优势联系起来。舒尔茨解释说，在使用带轮传动时，客户以精度换取速度，现在可以改用DDL电机，在不牺牲速度的情况下将精度提高一个数量级。
此外，还可以在同一个次级电机上运行多个电机线圈——这是带磁轨的系统中最昂贵的部分——因为每个线圈在物理上与力传递分离。他说:“这增加了灵活性，降低了每个轴的成本，并可以在许多应用程序中提高吞吐量和节省空间。”
市场地位虽然与通用运动控制相比，DDL技术的市场规模相对较小，但行业营销人员估计，DDL技术目前在全球的市场规模为7.25亿美元，并且每年以10% -12%的速度增长，大约是通用运动控制解决方案增长率的两倍。
但增长并不均匀:在某些领域可能是15%，而在其他领域，如半导体制造，增长却在下降。
磁性编码器反馈和成本较低的磁性材料等发展有助于DDL越来越多的采用，这大大降低了总体成本。
有人说，传统的旋转伺服技术已经达到了极限，这迫使机器制造商寻找替代技术来将性能提升到一个新的水平。
西门子注意到，DDL运动系统的询问量每天都在增加，特别是来自定制机械制造商。格拉赫说，随着原始设备制造商更新产品线，我们还看到他们对将线轴(和旋转轴)转换为现有机器设计的直驱电机的兴趣越来越大。
下一个合乎逻辑的步骤是将伺服电机、滚珠丝杠和相关部件替换为线性电机的主要部分和足够的次要部分，以覆盖导线长度。
安川的扎亚克说，他看到DDL运动的销量增长了10倍，特别是针对半导体和太阳能电池板行业。
Parker称其直线电机是最容易集成到应用中的，这主要是由于其“慷慨的气隙”设计。舒尔茨强调了这一点，据报道，他曾用日常工具组装了一个DDL电机系统，尽管他“只是个搞营销的”。直驱直线运动系统已经达到成熟，但并没有失去创新的能力。
直线电机的类型和术语
永磁(PM)无刷同步电机主导了当今的直驱直线(DDL)运动系统。这种直线电机类型有几个变种和子类。
动磁式类型包含永磁体在主要和线圈在次要。这允许更简单的设计与固定的电力电缆和更容易集成的反馈设备。动圈反转直线电机结构。电机线圈在第一段，第二段有磁铁轨道。这意味着需要更多的永磁体(特别是对于长导线)，并且需要电缆与初级和反馈集成一起移动往往更加复杂。
Ironcore指在磁铁轨道上添加钢层，以增加磁通，以提高每帧尺寸的推力。此外，存在单磁轨道和双磁轨道的变化。后者具有平衡初级线圈和磁铁轨道之间发展的高磁力的优点。
无铁的指初级只含有铜线圈(和环氧树脂封装)。平滑的“无齿轮”运动产生，因为线圈和磁铁之间不存在吸引力-但在低力输出的代价
无槽指的是一种特殊的钢片设计，其中绕组穿过定子的孔而不是槽。其结果是磁体表面更加光滑。这种设计还通过消除吸引力的变化来减少齿槽。
管状直线电机绕着与它的长度平行的轴向上滚动平坦的线性结构。在一种方式中，携带电机线圈的外部推力块包围并沿着装有磁铁的固定推力杆移动。另一种风格是在中心磁棒中加入磁铁，相对于外部定子元件移动。由于推力杆的两端必须支撑，或者对于移动杆版本，推力杆的一端必须支撑，因此行程受到限制。
基于直线电机的执行器
THK主要以其线性运动(LM)和笼形球LM导轨而闻名，还开发了四种线性电机驱动的执行器模型。
该公司表示，大多数应用都可以使用GLM和KLM系列单元，但也有一些无芯模型可以满足特殊需求，如更高的精度，减少低速纹波或非常有限的空间。
通用GLM基于紧凑的矩形截面铝型材，有四种尺寸可供选择。推力范围为30 ~ 3100n，标准配置的最大行程为4000mm。多个滑块可以独立地合并和控制，也可以在单轴上以高定位精度同步。
KLM型的设计集成了电机系统和高刚性钢结构的直线运动导轨，类似于滚珠丝杠驱动的THK驱动器KR和SKR。这种设计提供了一个非常紧凑的设计和高刚性的组合。
这些直线电机执行器的最大行驶速度指定为5米/秒，最高允许加速度等于10克。光学线性编码器作为标准，提供高达±0.3 μ m的定位重复性。由于其宽截面设计，GLM系列产品的最高推力超过3000n。
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