克服线性电机的应用障碍

通过摒弃线性转换结构及其相关惯性,直接驱动线性电机具有出色的速度、加速度和稳定特性。免除了滚珠导螺杆齿隙和污溅液(slop)意味着更高的精度和可靠性。线性电机的运行噪声相当小,并能提供非常长的行程。此外,没有了快速旋转的导螺杆就不会喷溅出污染的润滑剂。

在带宽方面,线性电机为涉及快速短程增量(rapid short-distance increment)的应用提供了很高的性能,尤其是在重复性X-Y定位系统中,速度、加速度和稳定时间的结合提供了无可匹敌的生产力。但线性电机也有一些应用障碍,使一些设计人员避而远之。

●外形因子与传统的电机完全不同。因此,在一开始,必须先设计自动控制设备来调节形状及运行特性。

旋转-线性转换装置具有一种机械优势,而这种优势直接驱动线性电机达不到。

●用于伺服反馈的外接编码器的成本常常几乎与电机本身的成本等高,使整体的复杂性雪上加霜。

● 标准U型线性电机采用暴露的永磁轨,这带来了操作上的困难,并需要保护以免受污染。周围环境的隔绝也是一个问题,而隐蔽处和裂隙处堆积尘粒,会形成热斑。U型电机的激励线圈从永磁轨内部穿过,引发散热问题,往往需要强迫空气冷却。

● 有暴露轨道的卷筒型(Platen-type)电机在线圈组和轨道之间产生磁引力。这种多余的引力阻碍了负载工作。

为了克服这些问题,伺服管(ServoTube)线性电机在设计中颠倒线圈和磁结构,并把永磁铁密封在一个不锈钢管中。磁线圈动子装置围绕推力管中的密封磁铁,形成了一个没有侧力的对称磁场,故减小了引力。动子在空气中转动,创建了有效的热设计,从而无需风扇冷却。其它优点如下:

无编码器:一种获专利的磁场设计能使霍尔效应精度提高差不多10倍,这样整体的霍尔定位传感器的公差在20微米范围以内。这种电机设计比较简单,免除了外接编码器花费及其易碎性,带来了极具竞争性的价格,并满足国际IP67强度规范。

多个动子:该电机简明提供了利用导螺杆和皮带传动不可能实现的具独创性的应用。例如,在一根推力杆上两个独立控制的动子,一个动子卸载的同时另一个加载,因而使生产力加倍。此外,多个动子还能同步协调运动,以获多倍的驱动力。海军承包商VSSL已开发出了一种采用6个长程线性电机的仿真器,每个电机都有4个动子以获得4倍的驱动力。

致动器功能:伺服管的推力杆一般由两端支撑,由动子定位负载。但Copley公司把动子和推力杆的功能颠倒过来形成一个高速的直接驱动致动器,适合推/拉/举三种方式材料处理的应用。按照业内标准安装方法,该电机可以十分方便的替换传统的闭环汽动定位装置。

控制多功能性:控制器宽广的选择范围可提供成熟精密的凸轮系统和指标能力以及CANopen网络, 允许线性电机无缝集成在PLC控制系统中。

作者:George Procter

运动系统部门副总裁

Copley Controls公司