直線伺服電動機及其應用

摘　要:　介紹了伺服用直線電動機的原理、種類、構造、應用領域和KOLLMORGEN及BALDOR公司的部分商品直線電機的典型參數(shù),可供新的自動化裝置研發(fā)過程中應用直線伺服電機時參考。

引　言

通常直線運動是由交流旋轉電機和傳動帶、齒條及齒輪機構組合來完成的。如果使用直接驅動的直線電機,把控制對象和電機做成一體化結構,這與普通的旋轉電機相比,在精度、快速性、耐久性等方面具有明顯的優(yōu)勢。直線伺服電機是將輸入信號電壓轉變?yōu)閯幼拥奈灰苹蛩俣鹊妮敵?動子的行程方向和速度的大小隨信號電壓的方向和大小的變化而變化,并能帶動一定大小的負載,在自動控制系統(tǒng)中可作為一種驅動執(zhí)行元件。

1　直線電機原理

直線電機從工作原理上講,與旋轉電機是一致的。它相當于把旋轉電機的定子和轉子按圓柱面展開成平面,成為直線電機的定子和動子,見下頁圖1(以永磁直流旋轉電機演變?yōu)橛来胖绷髦本€電機為例)。

2　直線電機的分類與應用

   直線電機一般可分為直線感應電機(LIM),直線直流電機(LDM),直線步進電機(LPM)和直線同步電機(LSM)。其中直線直流、步進、同步電機被用作伺服電機。

   2.1直線感應電動機

直線感應電動機多用在大推力,長行程的場合,如自動搬運裝置,物料搬運系統(tǒng),自動門以及懸浮列車。

圖2所示為BALDOR公司的交流直線感應電動機的初級。配合實心鋼(或實心鋼+導電板)結構,可構成直線驅動系統(tǒng)。其特點是:大推力,15%工作循環(huán)時可達2225N,加速度可達1g,速度隨電源頻率的增加而增加,60Hz時6.85m/s,無接觸,免維護,無限制長行程。電機的形成還有一種筒型結構,如圖3。

圖1旋轉電機到直線電機的演變

圖2 直線感應電機

圖3 筒型直線感應電機

   2.2直線直流電動機

  直線直流電機的初級采用直流激磁,次級采用永磁體,采用電流控制電機的速度,電機的伺服性好,配合位置檢測反饋和專用的芯片,定位精度可達μm級,它的典型應用是用作音圈電機,這種電機具有喇叭狀的輻射狀磁場。音圈繞制方向與磁場方向垂直,音圈通電后產(chǎn)生推動音圈運動的電磁推力,使音圈做直線運動,主要用于繪圖儀、打印機、毛線編織機等。圖4所示是BALDOR生產(chǎn)的直流有刷直線伺服電機,它的定位精度可達8.3μm,重復定位偏差在1μm以內。

圖4　有刷直線伺服電機

2.3　直線步進電動機

直線步進電動機是由旋轉步進電動機演變而來的。它將輸入的電脈沖信號直接轉換成相應的微步直線運動。直線步進電機的驅動控制發(fā)展非常迅速,專用的集成電路芯片被廣泛采用。它主要用來做定位控制,特別適用于數(shù)控系統(tǒng)開環(huán)控制的直線定位系統(tǒng),如:繪圖儀,打印機等都是它的應用領域。圖5-1、圖5-2所示是BALDOR公司的單軸步進機和雙軸步進機。它們分別采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制,最小定位尺寸可達2.5μm.

圖5-1 單軸直線步進電機

圖5-2 雙軸直線步進電機

2.4　直線同步電動機

直線同步電機的速度與電源頻率始終保持準確的同步關系,控制電源的頻率就能控制電機的速度。伴隨著永磁材料性能的不斷提高和應用技術的不斷發(fā)展,電動機越來越多采用永磁材料。直線永磁同步電機以其高可靠性和高效率等優(yōu)勢而備受青睞。它在推力、速度、定位精度,效率等方面比直線感應電動機和直線步進電動機具有更多的優(yōu)點,是一種非常合適的直線伺服電動機。直線同步電動機分為無鐵心型和有鐵心型。圖6-1所示為KOLLMORGEN生產(chǎn)的無鐵心永磁同步直線電機,它具有無齒槽效應,無吸力,加速度大的優(yōu)點,其峰值推力800N,在速度小于1μm/s時仍能平滑運動。圖6-2為BALDOR生產(chǎn)的無鐵心永磁同步直線電機,它采用閉環(huán)系統(tǒng),峰值推力達2300N,加速度10g,定位精度可達2.5μm,重復定位誤差小于1μm.

圖6-1 KOLLMORGEN公司無鐵芯永磁同步直線電機

圖6-2 BALDOR公司無鐵芯永磁同步直線電機

圖6-3所示為KOLLMORGEN生產(chǎn)的有鐵心永磁同步直線電機,它具有很高的力密度和電動機常數(shù),其峰值推力和連續(xù)推力均可達到8000N。電機本身采用削弱齒槽效應的專利技術,可減小不將磁體斜置時產(chǎn)生的齒槽效應。圖6-4為BAL2DO

R公司的有鐵心永磁同步直線電機產(chǎn)品,它采用的是將磁體斜置來減小齒槽效應,其推力可達6700N,加速度10g,它的定位精度為2.5μm,重復定位誤差小于1μm。

圖6-3　KOLLMORGEN公司有鐵芯永磁同步直線電機

圖6-4 BALDOR公司有鐵心永磁同步直線電機

3　直線伺服電機的應用概況

直線伺服電機具有高剛度,寬的調整范圍,高的系統(tǒng)動態(tài)特性,平滑運動,定位精確以及無磨損,無需維護等優(yōu)點。被廣泛應用到生產(chǎn),生活的各個領域。

在工業(yè)自動化領域,直線電機在工業(yè)機器人,機床及各種需要直線運動的機械裝置中都有應用,如數(shù)控機床的直線進給行程較短,一般不超過幾百毫米,在很高的進給速度下,只有瞬間達到設定的高速狀態(tài)和在高速下瞬時準確停止運動,這樣的場合,直線伺服電動機最適用。應用的典型例子是美國Ingersoll銑床公司生產(chǎn)的高速臥式加工中心HVM800和X,Y,Z軸均采用永磁式同步直線伺服直線電動機驅動的HVM600,最大進給速度為76.2m/min,加速度a=(1-1.5)g.日本三井精機公司生產(chǎn)的高速工具磨床,Z軸上下移動采用的直線電動機可達400次/min,最高加速度為2.3g,加工效率提高2～3倍。德國西門子公司的永磁式直線同步電動機最大移動速度可達200m/min,最大推力可達6600N,最大位移為504mm,適用對象為高速銑床,曲軸車床,超精密車床,磨床等。還有德國MOOG公司的新產(chǎn)品DDV系列中采用直線力電機驅動的液壓比例控制閥。

辦公設備方面應用較多的是直流直線電機和步進電機,如硬盤和軟盤驅動定位控制,激光盤系統(tǒng)的定位,跟蹤及聚焦。步進電機應用于復印機,打字機,繪圖儀中。

半導體加工中,直線電機被用在晶片加工,晶片檢驗,晶片切片,薄片焊接,連線,離子注入平版印刷等。