直线电机可以实现高加速度和长行程长度,具有良好的推力和极高的定位精度,而其他驱动机构,如皮带,螺钉,或齿条和小齿轮,必须牺牲至少一个这些要求,以实现其他。这就是为什么直线电机是高度动态应用如计量和半导体制造的首选。
事实上,基于他们的性能规格,直线电机似乎是解决竞争需求的完美解决方案经常在线性运动应用中发现。但这又引出了一个问题,“为什么直线电机没有得到更广泛的应用?”
为了理解为什么直线电机仍然落后于其他驱动技术-如皮带,螺钉,或齿条和小齿轮传动-让我们看看一些优点和缺点的直线电机设计。
产热与散热
在确定电机尺寸和选择电机时——无论是旋转电机还是直线电机——首要考虑的因素之一是热。事实上,扭矩(或力)与速度曲线,描述了给定电机驱动组合的连续和间歇运行范围,是基于电机在指定的操作条件下散热的能力。
产生的热量对直线电机比对旋转电机更有问题,因为负载被安装到钳子,其中包含电机绕组。(在一些直线电机设计中,负载可以安装在磁铁轨道上,尽管这可能只适用于短行程。)而在无铁心的线性马达在美国,绕组被封装在环氧树脂中,不像铁或铝等金属那样容易散热。
这意味着热量很容易传递到负载和周围的组件,导致热膨胀、退化,或者,在极端情况下,损坏或失效。即使负载不受影响,积聚的热量可以减少电机的持续力输出。为了解决这个问题,一些应用程序需要强制空气或液体冷却,这增加了成本、占地面积和复杂性。
防止污染
由于它们的开放式设计和暴露的磁铁,铁芯直线电机u型槽无铁设计可能很难防止污染。而支撑的线性导轨可以用各种现成的保护海豹和刮刀,直线电机的暴露磁铁可以吸引铁粒子从加工操作或简单的空气污染,经常发现在制造和工厂环境。液体污染会损坏敏感电子设备或干扰反馈系统。
当然,防护罩和外部结构可以设计成防止污染,但它们会使电机散热更加困难,加剧上述与热有关的问题。
补偿振动和振荡
直线电机解决方案的一个关键卖点是,它不需要在电机和负载之间使用机械动力传输组件,如螺钉、皮带、齿轮箱和联轴器。这意味着直线电机不受间隙、绕组和顺应性的影响,这是它们能够实现非常高的定位精度和执行高动态运动的一个主要因素,具有快速的加速和减速速率。
但是,机械传动组件在运动系统中是有益的,因为它为振荡提供了一个阻尼机构,并衰减了干扰,例如加工力的反应或负载运动引起的振动。如果没有这种“内置”的阻尼效应,振荡和振动会阻止直线电机实现所需的定位精度或稳定时间。
为了确保系统能够对这些无阻尼振动和振荡的影响做出反应,并进行修正,直线电机系统通常需要更高的频率速度、位置和电流(力)控制回路,以及更高的电流回路带宽。位置反馈系统-典型的光学或磁线性编码器-还需要有更高的分辨率,以便控制器可以更准确地跟踪电机和负载的位置。甚至机架或支撑结构也必须足够坚固(具有较高的固有频率),以保持相对不敏感的冲击和振动,并承受直线电机产生的力。
换句话说,因为有更少的组件来帮助补偿振动和干扰,反馈和控制回路必须能够更快、更准确地通信,以便系统实现动态、高精度的性能。
前期成本与总拥有成本
最后,一个关键的限制因素广泛采用线性电机继续是前期成本。尽管有很多比较证明所有权的总成本较低在某些应用中,直线电机系统的前期成本仍然是工程师和设计师采用线性电机系统的一个障碍,他们的任务是在有限的预算内满足性能规格。案例说明:对于行程非常长的应用——直线电机解决方案的优势之一——磁铁和高分辨率线性编码器的成本,以满足行程要求,可以考虑线性电机解决方案的价格。
非传统应用驱动线性电机采用率的增长
尽管有产生热量、保护免受污染、高带宽控制和成本带来的潜在困难,线性电机的采用率是增长。铁芯、无铁和管式直线电机曾经被视为半导体、计量和重型机械加工应用的小范围解决方案,现在被用于汽车、食品、包装和印刷应用,在这些应用中,移动可能不那么具有挑战性,或精度要求不那么高,但更少的组件、更少的停机时间和更高的吞吐量的好处,证明了额外的成本和设计考虑。