现如今,直线电机应用越来越广泛,尤其是高端应用场所取代丝杆+伺服是必然的趋势,那什么是直线电机呢?

直线电机工作原理:

直线电机是指一种利用电磁作用原理,将电能直接转换成直线运动动能的驱动装置,它是一种能实现往复直线运动的电动机。

直线电机无论是从结构上还是工作原理上看,都是从旋转电机而来的。首先从结构上来讲,可以认为直线电机是将旋转电机沿其轴向剖开,然后将其定子和转子展开,变成如图1所示的由定子和动子组成的直线电机。



其次从工作原理来讲,在旋转电机中,当三相绕组中通入三相对称正弦电流后,会在气隙中产生按正弦分布的旋转磁场。与此类似,在直线电机中通入三相电流后,也会在气隙中产生磁场,如果不考虑端部效应,磁场在直线方向也呈正弦分布,只是这个磁场是平移而不是旋转的,因此称为行波磁场。行波磁场与次级相互作用便产生电磁推力,驱动动子沿定子作往复直线运动。这就是直线电机运行的基本原理。

直线电机分类:

由于直线电机和旋转电机之间存在上述对应关系,因此每种旋转电机都有相应的直线电机,但直线电机的结构形式比旋转电机更灵活,另外,由于直线电机的某些性能参数与应用场合密切相关,所以直线电机除了可按工作原理分类外,还可按结构形式分类和性能分类。

按工作原理分类:如上所述,每种旋转电机都有相应的直线电机与之对应,即有:直线直流电机、直线感应电机、直线同步电机、直线磁阻电机、直线压电电机等。

按结构形式分类:根据不同的使用场合,直线电机的结构形式和分为:平板式、U 形、圆筒式,如下图所示:

平板直线电机


U槽型直线电机


轴棒直线电机


直线电机应用:

①高推力(高推力、大位移)直线电机:其典型应用行业有高速、高精数控机床、高速加工中心和并联(杆机构)机床等;数控机械如传输机械、冶金机械、纺织机械等;及其他高速、高精且需要高推力、大位移的场合,如飞行模拟器、弹射器,加速滑轨等。

②高响应(高频响、小位移)直线电机:其典型应用行业有往返频率高、位移小、推力不高的各类精密机床,如非圆截面加工机床、高速磨床、电火花成型加工机床等;快速成形、图像传递、光电医疗、激光加工等设备或装置上的三维振镜扫描动态聚焦系统;电子制造行业的装备:插件机、线路板检测和钻孔、半导体行业:芯片加工、切片、连线、离子注入、光刻、芯片检验等装备;计算机外围驱备:X-Y绘图机、高速打印机、扫描仪、数控坐标测量仪、软盘驱动设备等。

直线电机的特点:

直线电机的特点在于直接产生直线运动,与间接产生直线运动的“旋转电机+滚珠丝杠”相比,其优点在于:(具体性能见表1):

1.没有机械接触,传动力是在气隙中产生的,因此没有金属和金属的接触,除了导轨外没有其它摩擦;

2.结构简单,体积小,以最少的零部件数量实现直线驱动,而且是只有一个运动的部件;

3.行程理论上不受限制,而且性能不会因为行程的改变而受到影响;

4.可以提供很宽的速度范围,从每秒几微米到数米,特别是高速是其一个突出的优点;

5.加速度很大,最大可达10g;运动平稳,这是因为除了起支撑作用的直线导轨或气浮轴承外,没有其它机械连接或转换装置的缘故;

6.精度和重复精度高,因为消除了影响精度的中间环节,系统的精度取决于位置检测元件,有合适的反馈装置可达亚微米级;

7.维护简单,由于部件少,运动时无机械接触,从而大大降低了零部件的磨损,只需很少甚至无需维护,使用寿命更长。

直线电机缺点:

以上特点可以看出直线电机具有作为伺服电机的全部特性,有着回转式电机无可比的卓越性能。然而任何事物都具有两面性,直线电机也有其缺点。首先直线电机端部磁场的畸变影响到行波磁场的完整性,使直线电机损耗增加,推力减少,而且存在较大的推力波动,这就是直线电机特有的"端部效应(Edge Effect),直线电机的结构特点决定了端部效应是不可避免的。其次直线电机的控制难度大,因为在电机的运行过程中负载(如工件重量、切削力等)的变化、系统参数摄动和各种干扰(如摩擦力等),包括端部效应都直接作用到电机上,没有任何缓冲或削弱环节,如果控制系统的鲁棒性不强,会造成系统的失稳和性能的下降。其他缺点包括安装困难、需要隔磁、效率低、成本高等。

直线电机模组核心组成:
直线电机(动定子)
直线电机驱动器
导轨(精度高,不易变形,性价比高)
光栅尺或磁栅尺(高分辨率,安装方便,性价比高)

机械设计及加工件

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