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      創造奇跡的直線電機

      文章出處:責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2014-09-24 15:58:00【

          在很多OEM應用領域,直線電機曾一度被認為是昂貴且少見的,而現在,它們變成了極具價值且廣泛應用的設備。

          除了在半導體和機床領域能夠提供納米級別的精度,直線電機現在能夠滿足從醫療設備到封裝、印刷甚至金屬加工等多個領域的設計工程師的要求。

          由于需求不斷增長,這類電機的成本也在緩慢下降。“在過去兩年中,價格以每年10%~15%的速度逐步下降,”Incremotion Associates的顧問Dan Jones說,“能夠從中國獲得相對便宜的稀土磁鐵(直線電機的關鍵組件)是使這種電機的價格變得更加易于承受的重要因素。”

          直線電機產品及其應用有什么新的特點呢?Design News就這一問題咨詢了主要供應商。對于是何種力量帶來了對這類電機日益增長的興趣,請看他們的評價。

      Anorad: 消除了瓶頸

          作為直線電機的先驅者之一,Anorad公司關注電機在主流工業領域內應用的增長,例如,封裝工業、食品加工工業以及成形/填充機械工業。該公司最近發布了它的經濟型鐵核心直線電機的LC系列,它們是專門針對上述領域而設計的。該系列(在寬度上)具有六種尺寸結構,而每一種尺寸結構則可以選擇六種不同的長度,這種新型電機能夠提供從44lbs到2100lbs的瞬時力。

          最近,Anorad公司所供應的LC-50電機,以200和400的結構長度為一款曾使用氣缸的封裝機器提供兩個軸向上的運動。由于是改進設計,集成工程師開發了一種自定制的裝配件以實現螺栓定位。這種系統采用了一種現成的磁性線性編碼器,用于實現對霍爾電機換向的位置反饋。所有的軸向運動,包括若干旋轉伺服運動,均由Rockwell Automation 公司的ControLogix平臺控制,該平臺采用了SERCOS界面和Ultra 3000伺服驅動。

       


      Anorad公司的 LC系列直線電機致力于主流工業領域內的應用,
      如封裝設備

          應用工程師Claude Chirgnan說,集成的設計被用戶稱為是一個“巨大的成功”,而這部分設計僅在五天內就完成了。而且,由于直線電機能夠提供更高的加速度、速度以及更高的精度,并同時減少了由于紙張堵塞和其他問題帶來的停工時間,設備的生產率得到了提高。

      Aerotech:精密加工的簡明方案

          據Aerotech公司介紹,最近幾年,直線電機在定位領域的應用有著顯著的增長,這是由于,對比于傳統的滾珠絲杠驅動,它能提供更快的速度,更高的精度,以及更好的重復性。

          該公司的BLMC系統提供一種無刷無鐵芯直線電機,它以一種小體積封裝提供更大的力常數。無鐵芯設計的優點在于,驅動線圈(forcer coil)并不包含鋼片(鋼片在驅動部分(forcer)穿越磁道時會產生頓振現象)。此外,無刷的特點也消除了與機械換向器相伴隨的轉矩波動現象。這兩個特點使BLMC適用于需要平穩速度和高精度定位控制的應用場合,Aerotech的工程師們說。

          體現BLMC電機優點的一項應用是平板顯示器的制造過程。這種工藝以一種鼓式寫印技術為特點,它通過一臺像高科技機床一樣的機械系統,直接印制圖案于柱面上。印鼓水平定位于一個專用旋轉軸上,該軸與一個對應的線性軸毗連。通過以恒速(對印鼓的相對速度低于100微米/秒)移動一個激光源,這種寫印方法能夠產生具有微米級別特征的表面。由于工件的尺寸和表面圖形的量都相對較大,加工一個工件的總時間要超過48hrs。Aerotech的工程師們介紹,直線電機對于在如此長的時間和如此低的速度下保持很高的動態精度是十分必要的。

      Parker-Trilogy:低成本鐵芯方案

          在2004年12月收購了位于Texas的Trilogy Systems 公司后,工業巨人Parker-Hannifin公司在直線電機市場贏得一席之地。Parker-Trilogy公司的鐵芯電機采用了已經申請專利的防頓振技術。

          過去,鐵芯電機中有斜槽磁鐵或換向器,以削弱頓振現象。然而,那種方法也降低了電機的效率。通過引入分立的機械特性于電機中,以產生相等而反相的頓振推力,該公司的新技術采用相消干擾的方法來消除由于換向器部件產生的頓振現象。這一創新使鐵芯電機能夠適用于以往要求使用更加昂貴的無鐵設計方案的場合,產品經理Jack Marsh解釋說。


      Parker-Trilogy的R7-2A鐵芯直線電機是已經申請專利的防頓振技術系列的一部分

          在最近的應用方案中,一家大型半導體設備制造商需要一個線性平臺來定位一個重量超過600lbs的機器人。這一方案要求能夠在1秒中將機器人移動2m并安放下來。Parker Automation 公司提供了一款由R16鐵芯電機驅動的定位器,它采用LME5磁性編碼器。工程師們也選擇一款Compax3 drive/indexer來定位機器人,并通過I/O與系統控制器通訊。結果:一種節約成本且具有低維護要求的方案被應用于臨時設備中。

          Parker公司提供評估計算軟件,它基于經驗數據,預估溫度為直線電機帶來的變化,并阻止由于過大的電機負載帶來的失效。

      Baldor:連續負荷設備

          Baldor公司正在宣傳一種新型直線電機設計,據說,這種電機結合了傳統無刷線性伺服電機的性能優點和開環線性步進電機的成本優勢。這種新電機被稱作“HyCore”,它能夠提供閉環控制的許多優點,包括零間隙、高效率、無限行程、高速度和高加速度。HyCore的forcer組件包括一款閉環控制的三相伺服電機繞組,其反饋信號來源于外部編碼器。固定滾筒中沒有磁鐵,所以它可以根據應用場合的不同來調節長度。

          應用工程師John Mazurkiewicz 說,在一些需要長行程或承受高強度連續負荷的場合,Hycore具有很好的成本效益——它常用于替代滾珠絲杠機構和帶輪執行機構。一個這樣的例子是在物料輸送領域中,線性交流電機驅動裝有產品的貨車沿著軌道行駛。交流感應盤定位于貨車的底部,而主線圈組沿著導軌安裝。當在線圈繞組上加上交流電壓時,就產生了一個行波磁場。它在反作用盤中產生感應電流,這一電流又引起了交流感應盤自己的磁場。這兩個磁場的相互作用這兩個磁場的相互作用產生了驅動力驅動貨車直線運動。


      來自Baldor公司的HyCore直線電機具有閉環控制的零間隙、
      高效率、無限行程、高速度和高加速度優點

          Baldor公司的工程師們相信,很多現在使用流體動力的應用領域將會轉而采用直線電機,這樣可以節約能源。但是,直線電機的性能應當進一步發展以超越它現在在連續性和峰值力方面所能達到的極限值。

      Danaher Motion:速度和精度

          Danaher Motion公司的Platinum DDL(direct drive linear直接線性驅動)生產線生產無鐵芯和鐵芯的直線電機。其系統工程師Lee Stephens說。在對速度有很高要求的領域,沒有幾種能與直線電機匹敵的對手。一個例子是,某種加工要求以6m/s的速度在250 msec內完成對熔融金屬的截斷。過去,采用一對液壓缸和對置刀片以及與往復運動軸相連的凸輪系統來解決這一問題。

          在用直線電機設計取代上述機構后,用戶不必再安裝和維護液壓缸和凸輪了。而直線電機也使系統具有更強的魯棒性(適應性)。由于在加工過程中,熔融金屬的流動并不是恒速的,操作員需要調整流速以確保在截斷前有足夠的金屬流入孔中。當采用往復運動軸設計時,當流速改變或被調整時,會產生廢料。而當采用直線電機時,可以推遲截斷動作直到有足夠的金屬流入孔中,這樣在不需流動控制的條件下實現了長度的一致性。


      Danaher Motion公司的Platinum DDL(direct drive linear直接線性驅動)
      生產線生產無鐵芯和鐵芯直線電機

          Stephens也列舉了一個精度測量應用的例子,它要求沿著10ft軸的兩個軸承之間保持很高的平行度。采用一款無鐵芯直線電機,這種系統能使軸承以所能達到的最高精度被放置,Stephens解釋說。由于直線電機方法的可重復性,它也允許根據速度和磨損情況進行匹配,而這在采用滾珠絲杠時是做不到的。

          這些來自Danaher和其他主要供應商的例子證明了直線電機在運動控制方面的潛力。隨著OEM工程師越來越熟練的將這類電機應用于他們的設計中,隨著價格的進一步降低,這樣的應用將會倍增。 

       

      來源:中國電機網

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