直线伺服电动机及其应用

直线伺服电动机及其应用

摘　要:　介绍了伺服用直线电动机的原理、种类、构造、应用领域和KOLLMORGEN及BALDOR公司的部分商品直线电机的典型参数,可供新的自动化装置研发过程中应用直线伺服电机时参考。

引　言

通常直线运动是由交流旋转电机和传动带、齿条及齿轮机构组合来完成的。如果使用直接驱动的直线电机,把控制对象和电机做成一体化结构,这与普通的旋转电机相比,在精度、快速性、耐久性等方面具有明显的优势。直线伺服电机是将输入信号电压转变为动子的位移或速度的输出,动子的行程方向和速度的大小随信号电压的方向和大小的变化而变化,并能带动一定大小的负载,在自动控制系统中可作为一种驱动执行元件。

1　直线电机原理

直线电机从工作原理上讲,与旋转电机是一致的。它相当于把旋转电机的定子和转子按圆柱面展开成平面,成为直线电机的定子和动子,见下页图1(以永磁直流旋转电机演变为永磁直流直线电机为例)。

2　直线电机的分类与应用

   直线电机一般可分为直线感应电机(LIM),直线直流电机(LDM),直线步进电机(LPM)和直线同步电机(LSM)。其中直线直流、步进、同步电机被用作伺服电机。

   2.1直线感应电动机

直线感应电动机多用在大推力,长行程的场合,如自动搬运装置,物料搬运系统,自动门以及悬浮列车。

图2所示为BALDOR公司的交流直线感应电动机的初级。配合实心钢(或实心钢+导电板)结构,可构成直线驱动系统。其特点是:大推力,15%工作循环时可达2225N,加速度可达1g,速度随电源频率的增加而增加,60Hz时6.85m/s,无接触,免维护,无限制长行程。电机的形成还有一种筒型结构,如图3。

图1旋转电机到直线电机的演变

图2 直线感应电机

图3 筒型直线感应电机

   2.2直线直流电动机

  直线直流电机的初级采用直流激磁,次级采用永磁体,采用电流控制电机的速度,电机的伺服性好,配合位置检测反馈和专用的芯片,定位精度可达μm级,它的典型应用是用作音圈电机,这种电机具有喇叭状的辐射状磁场。音圈绕制方向与磁场方向垂直,音圈通电后产生推动音圈运动的电磁推力,使音圈做直线运动,主要用于绘图仪、打印机、毛线编织机等。图4所示是BALDOR生产的直流有刷直线伺服电机,它的定位精度可达8.3μm,重复定位偏差在1μm以内。

图4　有刷直线伺服电机

2.3　直线步进电动机

直线步进电动机是由旋转步进电动机演变而来的。它将输入的电脉冲信号直接转换成相应的微步直线运动。直线步进电机的驱动控制发展非常迅速,专用的集成电路芯片被广泛采用。它主要用来做定位控制,特别适用于数控系统开环控制的直线定位系统,如:绘图仪,打印机等都是它的应用领域。图5-1、图5-2所示是BALDOR公司的单轴步进机和双轴步进机。它们分别采用开环控制和闭环控制,最小定位尺寸可达2.5μm.

图5-1 单轴直线步进电机

图5-2 双轴直线步进电机

2.4　直线同步电动机

直线同步电机的速度与电源频率始终保持准确的同步关系,控制电源的频率就能控制电机的速度。伴随着永磁材料性能的不断提高和应用技术的不断发展,电动机越来越多采用永磁材料。直线永磁同步电机以其高可靠性和高效率等优势而备受青睐。它在推力、速度、定位精度,效率等方面比直线感应电动机和直线步进电动机具有更多的优点,是一种非常合适的直线伺服电动机。直线同步电动机分为无铁心型和有铁心型。图6-1所示为KOLLMORGEN生产的无铁心永磁同步直线电机,它具有无齿槽效应,无吸力,加速度大的优点,其峰值推力800N,在速度小于1μm/s时仍能平滑运动。图6-2为BALDOR生产的无铁心永磁同步直线电机,它采用闭环系统,峰值推力达2300N,加速度10g,定位精度可达2.5μm,重复定位误差小于1μm.

图6-1 KOLLMORGEN公司无铁芯永磁同步直线电机

图6-2 BALDOR公司无铁芯永磁同步直线电机

图6-3所示为KOLLMORGEN生产的有铁心永磁同步直线电机,它具有很高的力密度和电动机常数,其峰值推力和连续推力均可达到8000N。电机本身采用削弱齿槽效应的专利技术,可减小不将磁体斜置时产生的齿槽效应。图6-4为BAL2DO

R公司的有铁心永磁同步直线电机产品,它采用的是将磁体斜置来减小齿槽效应,其推力可达6700N,加速度10g,它的定位精度为2.5μm,重复定位误差小于1μm。

图6-3　KOLLMORGEN公司有铁芯永磁同步直线电机

图6-4 BALDOR公司有铁心永磁同步直线电机

3　直线伺服电机的应用概况

直线伺服电机具有高刚度,宽的调整范围,高的系统动态特性,平滑运动,定位精确以及无磨损,无需维护等优点。被广泛应用到生产,生活的各个领域。

在工业自动化领域,直线电机在工业机器人,机床及各种需要直线运动的机械装置中都有应用,如数控机床的直线进给行程较短,一般不超过几百毫米,在很高的进给速度下,只有瞬间达到设定的高速状态和在高速下瞬时准确停止运动,这样的场合,直线伺服电动机最适用。应用的典型例子是美国Ingersoll铣床公司生产的高速卧式加工中心HVM800和X,Y,Z轴均采用永磁式同步直线伺服直线电动机驱动的HVM600,最大进给速度为76.2m/min,加速度a=(1-1.5)g.日本三井精机公司生产的高速工具磨床,Z轴上下移动采用的直线电动机可达400次/min,最高加速度为2.3g,加工效率提高2～3倍。德国西门子公司的永磁式直线同步电动机最大移动速度可达200m/min,最大推力可达6600N,最大位移为504mm,适用对象为高速铣床,曲轴车床,超精密车床,磨床等。还有德国MOOG公司的新产品DDV系列中采用直线力电机驱动的液压比例控制阀。

办公设备方面应用较多的是直流直线电机和步进电机,如硬盘和软盘驱动定位控制,激光盘系统的定位,跟踪及聚焦。步进电机应用于复印机,打字机,绘图仪中。

半导体加工中,直线电机被用在晶片加工,晶片检验,晶片切片,薄片焊接,连线,离子注入平版印刷等。