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直驱式线性运动日趋成熟

作者:Frank J. Bartos P.E.2009.07.24阅读 4879

  与传统线性运动系统相比,直驱式线性(DDL)电机具有高速度、高加速度、高负载定位精确性、快速循环等优点。不过,DDL运动系统具有更高的初始成本,并要求与特定设备或系统更紧凑地集成在一起。
  典型DDL系统的核心是线性电机。简单来说,线性电机由主级和次级组成,对应于回转电机的转子和定子,只是线性电机的定子是平的。主级(或滑块)相对于次级作线性运动,两者之间由空气间隙相隔。线性电机的设计还有很多变种。

  成熟并发展着
  博世力士乐公司, Electric Drives公司和Controls Division公司认为DDL电机系统虽然已是成熟技术,然而对其的改进仍然大有可为。公司列举了如下例子:改进的冷却套设计可以让定子和机座之间的温差最小化至2K以内;优化的磁体形状可以减少输出力抖动和材料损耗;由不锈钢外壳保护的磁轨有各种预装长度,方便系统安装和操作。
  博世力士乐公司自动化与机床工具部的工业经理Karl Rapp说:“直驱式线性电机系统以较为简单的机械结构,达到了高速率、高加速度和高精度。这使得设备开发商可以开发出从前很难完成的新型设计。”
  例如,在工业玻璃切割应用中,相比于传统的伺服电机和货架系统,DDL线性运动将生产时间减少了大约20%。德国Hegla公司的玻璃板切割机采用了博世力士乐公司的IndraDyn L线性电机,可以达到3.5m/s(11.5ft/s)的x-y轴速度和12 m/s2的加速度,在20 m2的玻璃板区域内可以将容差控制在±0.05 mm (±0.002 in.)左右,与此相比,之前运动系统的精度只有±0.2 mm。
  今天的智能数字驱动与DDL电机的结合可以实现在驱动端就获得十分快速的闭环控制循环,而无需在控制器端完成。IndraDrive的力/扭矩抖动补偿、纳米级别插补以及超高精度正弦反馈等功能据称可以获得极高的动态/静态刚性和运动精度。Rapp表示:“有了自动通讯功能,就不用绝对反馈或者霍尔效应传感器箱了,虽然它们也能得到很好地支持。”
  安川电机公司更重视DDL运动系统设置快速和简便的特点,并因此设计出了Sigma-5系列伺服放大器。安川电机美国 (YEA)公司的产品工程师Paul Zajac解释道,它的先进功能包括免调整功能,据称可以“立即奏效”;以及先进的自调整功能www.cechina.cn,可以达到更高性能。
  另一个特性是高级振动抑制技术,据Zajac称控制工程网版权所有,它可以降低设备共振时间和调节时间,还可以消除由设备共振和负载扰动引起的振动。他说:“这个功能可以自动检测并将共振频率抑制在1kHz以下,也可以使用一个陷波滤波器来控制1kHz以上的频率。”
  纽约州机电自动化供应商Parker Hannifin Corp. ,将DDL电机系统的优越性能、较小的运动误差与当今控制器和驱动器的强大功能完美结合。Parker公司的产品经理Jay W. Schultz介绍说:“控制器性能得以提高的原因,是因为其可以解决伺服误差www.cechina.cn,此误差与速度的一阶导数和二阶导数相关(即加速度和加加速度),而后两者通常由摩擦、静态阻力和其他重复干扰导致。误差降低和性能提高在DDL系统中尤为显著,因为负载直接与电机相连,即直接与反馈设备相连。”
  不断的创新促进了线性电机产品的更新换代,西门子能源与自动化公司对此表示认同。西门子E&A商业开发顾问Jeff Gerlach指出,线性电机的第6个版本于2008年上半年发布,这印证了公司对线性电机产品线的努力。 “新型的1FN6系列线性电机控制工程网版权所有,具有自冷却和无刷同步的特点,并且采用了非磁性二级导轨,既节省了成本,又便于安装。”他说。无磁性的导轨非常适用于要求较长横档的场合;而其无需水冷的特点,更是实现简便低廉安装的保证。

  主流电机种类
  DDL电机主要有两类:无刷PM(永磁)同步和LIM(线性感应电机)。第一种类型是目前的主流。博世力士乐公司的Rapp陈述理由如下:
  ■  更高的力密度和效率;
  ■ 由于具有永驻磁场,所以响应更快;
  ■  传导到设备结构内的热量损耗更少;
  ■  更低的总层厚度。
  西门子公司的第一台线性电机是LIM型,但是其技术重点已经向无刷PM同步电机转移。Gerlach解释道CONTROL ENGINEERING China版权所有,无刷PM同步电机的优势包括功率/力密度、效率和更低的功耗。他说:“例如,我们的老式同步LIM电机的力密度是新型1FN6系列的30%”。
  罗克韦尔自动化公司也认为无刷同步线性电机比LIM电机更具有成本效益。例如,每牛顿推力的功耗更低。
  为了进一步解释,罗克韦尔公司的线性电机和致动器产品经理Steve Feketa指出,典型的具有2356N(526lbf)峰值推力的PM同步电机的线圈容量只有1816cm3 (或者 1.30 N/cm3),而LIM电机最多输出22

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