直线电机原理与选型

无铁芯电机
无铁芯电机结构的优势和劣势总结如下： 无铁芯电机的优势： • 无吸引力 – 平衡的双磁轨，安全，便于操作， 在组装的过程中不存在吸引力的问题。 • 无齿槽效应– 无铁芯施力部件不存在齿槽效应， 可以确保最佳平稳度。 • 轻型施力部件– 因为没有铁芯，所以加速度和减 速度更大，机械带宽也更高。 • 采用气隙调整– 便于对齐和安装。
集成的直线电机系统
大多数线性编码器都有一个递增脉冲串， 可以在编码器“读数头”沿着“直线刻度” 移动的过程中为运动控制器提供离散的 “数量”信息。通常情况下，读数头安装 在负载附近，直线刻度则位于定位器底座 上。有两种线性编码器比较常用：光学编 码器和磁编码器。
集成的直线电机系统
光学编码器使用反射光扫描方法来提供反 馈信息，其分辨率和准确度非常高。光学 编码器的反馈信号分辨率可以达到纳米量 级。磁编码器使用感应扫描方法来提供反 馈信号，其成本较低，但是准确度和分辨 率要比光学编码器低很多。磁编码器的分 辨率通常可以达到1到5微米。
电机轨道 例如: CUM1-TL63-B 型号 轨道长度 CUM1 TL63 TL84 TL105
系列号 B
CUM系列 无铁芯直线电机
CUM2系列 ● 最大的连续力为44 N/ 9.9 lb ● 最大的峰值力为176 N/ 39.5 l b
CUM2系列
铁芯电机
铁芯电机的优势： • 单位尺寸的作用力很大 – 使用铁芯汇聚 流场。 • 成本更低– 采用开面结构，只使用一排磁 体。 • 散热性能好– 因为采用了铁芯，表面积很 大，所以很容易散热。
铁芯电机
铁芯电机的劣势： • 正常吸引力 – 相当于电机所产Βιβλιοθήκη Baidu的作用 力的5到13倍。 • 齿槽效应 – 限止运动的平稳度，并导致 速度波动。 的电机既可以作为部件，也可以作为预制 的全集成定位系统。
集成的直线电机系统
图9-1：伺服控制器（位置传感器位于电机 处）
集成的直线电机系统
图9显示了伺服电机控制系统的传统级联结构，同 样的结构也适用于直线电机。这种结构的一个优 势就是位置传感器通常可以放置在负载右侧或者 附近，从而增加整个系统的准确度。 有很多种方法可以为运动控制器提供直线位置反 馈信息，其中包括模拟传轮式电位计以及激光干 涉仪。每种设备都有相应的准确度和成本。不过 总的来说，直线电机定位系统最常用的反馈设备 是线性编码器。感器、齿条齿
直线电机的类型
通过选择合适的直线电机部件，用户可以制定经济实用的 解决方案，从而通过非常灵活的方式实现与机器的集成。 不过，为了实现此目标，机器制造商需要掌握非常专业的 知识。设计工程师必须了解电机的特性、线性反馈技术、 冷却方法以及伺服放大器和控制系统的性能。 通过选择合适的集成直线电机定位系统，设计工程师可以 获得结构耐用并经过全面检测的预制产品包。这样一来就 可以不必担心轴承、编码器、散热器、连线、连接器、行 程限止器以及限位/原位传感器的设计和匹配问题。直线 电机产品包提供了所有上述功能以及其它一些功能，安装 起来很方便，可以随时投入使用。
集成的直线电机系统
如果直线刻度没有与导向轴承对齐，那么可能因 为“余弦误差”而影响准确度。 集成直线电机系统主要是通过反馈装置的运用达 到高精度的性能。该集成直线电机采用了一种特 殊的线性编码器，它是一种特殊材料制成的，能 够防止编码器在直线电机上被磁化，而影响编码 器的性能从而降低整个系统的精度，造成不必要 的损失。 这种集成的直线电机系统避免了用户自己安装编 码器所造成的误差，提高了整个系统的精度，还 使得整个的安装更为简单方便，大大节省了人力 和时间。
无铁芯电机
此外，无铁芯电机中的施力部件的质量比 有铁芯电机中的施力部件质量更小，因而 这种结构的电机能够产生很大的加速度， 整体动态性能非常好。无铁芯结构没有齿 槽效应，也没有吸引力，因此可以增加轴 承的使用寿命，在某些情况下还可以使用 更小的轴承。
无铁芯电机
因为无铁芯电机结构具有出色的动态性能， 在运动过程中不会出现齿槽效应，因而功 能非常强大，但是它们的散热效率不如铁 心电机。因为接触面积较小，从绕组底座 到冷却板的导热通道较长，所以这些电机 的满负载功率较低。此外，为了达到合适 的作用力和行程而采用的双排磁体结构也 增加了这个电机的总成本。
铁芯电机
图5：有铁芯直线电机
铁芯电机
铁芯电机的施力部件架在一个磁轨上（图 5）。施力部件是用铜绕组包在铁芯外面形 成的。位于后侧的铁片为磁通量提供了一 个高效的通道，可以使其在电机和磁轨间 循环。此外还有一个保证电机高效散热的 通道。这种铁芯结构可以产生很大的作用 力，并实现高效冷却功能。实际上，铁芯 结构使每个单元都最具有最大的作用力。 最后，铁芯结构是一种很经济的方案，因 为只需要使用一排磁材料即可。
无铁芯电机
无铁芯电机的劣势： • 散热 – 更高的热阻。 • 单位产品包的功率– 与铁芯结构相比有效 值功率较低。 • 成本更高– 使用的磁体数量是铁芯电机的 两倍。 就目前市场上提供的无铁芯电机包括部件 套装和预制定位系统两种形式。
集成的直线电机系统
集成的直线电机系统
直线电机是一种特殊的电机。目前，随着 科技的发展，直线电机对于精确度和运动 动力性能的要求越来越高，不过，系统的 整体性能还依赖于其它部件，尤其是所用 的伺服控制和反馈装置。
规 格CUM1-S1-BCUM1-S2-BCUM1-S3-BCUM1-S4-B性能参数 单位 串联串联并联并联连续力，线圈 @100℃N3.06.08.911.9lb0.71.32.02.7峰值力 N11.923.835.747.6lb2.75.38.010.7电机常数 N/SqRt(W)1.672.422.983.46lb/SqRt(W)0.370.540.670.78 连续功率W3.26.19.011.8峰值功率W50.997.1143.3189.6电线周长 mm21212121in0.8270.8270.8270.827最大总线电压 V60606060最大线圈温度℃125125125125热耗散系数 W/°C0.040.080.120.16连续电流A1.71.71.71.7峰值电流 A6.86.86.86.8力常数N/A1.753.505.257.00lb/A0.40.81.21.6 反电势常数V/m/s2.04.06.18.1V/in/s0.050.100.150.21感应系数 mH0.110.220.310.41终端电阻@25℃Ohms1.102.103.104.10电 气时间常数ms0.100.100.100.10机械参数线圈质量 g25.050.075.0100.0oz0.8821.7642.6463.527线圈长度 mm22436485in0.871.692.523.35导轨质量（/63mm） g149oz5.256电磁吸力N(1b)0
43.0
6
16.5
CUM1-S3-B
64.0
8
18.0
CUM1-S4-B
85.0
8
25.0
CUM系列 无铁芯直线电机
电机线圈 例如：CUM1-S-S2-0.3-B 型号 连接方式 尺寸 系列号 CUM1 B P=并联 S=串联 S1 霍尔 空格=无霍尔模块 电缆长度 3.0 = 300m
S2
HN=有霍尔模块 S3 S4
CUM系列 无铁芯直线电机
无铁芯技术 零齿槽力专利技术 具有最高的电机常数和最短的线圈长 度的无铁芯直线电机具有大的持续力和 峰值力
CUM系列 无铁芯直线电机
CUM1系列 ● 最大的连续力为11.9 N/ 2.7 lb ● 最大的峰值力为47.6 N/ 10.7 lb
CUM系列 无铁芯直线电机
直线电机
直线电机是一种具有广阔前景的新颖电机，直线电机主要是直线电动机， 它是一种直接将电能转换为直线运动机械能且不需要任何中间转换结构 的传动装置。信息时代的高新技术推动了传统产业的迅速发展， 在机械工业自动化中出现了一些运动控制新技术，直线电机凭借高速度、 高加速、高精度及行程不受限制等特性在物流系统、工业加工与装配、 信息及自动化系统、交通与民用以及军事等领域发挥着十分重要的作用。
CUM2系列
CUM系列 无铁芯直线电机
电机线圈 型 号线圈 长度EACUM1-S1B22.0412.0CUM1 -S2B43.0616.5CUM1 -S3B64.0818.0CUM1 -S4-B85.0825.0
电机线圈 型 号 线圈长度 E A
CUM1-S1-B
22.0
4
12.0
CUM1-S2-B
直线电机
简单的说，直线电机就是“展开的”旋转 电机。在很多应用中，直线电机与传统的 旋转驱动系统相比具有明显的优势：
直线电机
虽然线性编码器部件的成本较高，但用户可以根 据应用需求来优化选择反馈系统。比如， Parker为客户提供了超高分辨率的光学编码器， 可以满足非常严格的精度要求。此外，Parker 还提供了分辨率和成本较低的磁编码器，可以帮 助用户控制系统总成本。实际上，在很多情况下， 采用经济实用的反馈功能的直线电机不仅比采用 精确接地滚珠丝杠的旋转系统性能更好，而且实 际的成本也与后者相仿，甚至更低。
2013-8-21 3
直线电机的类型
直线电机分为很多种，它们各有优势，都 能为用户提供便利。直线电机现目前我知 道的分为三类直线电机：无铁芯电机、 铁芯电机、 以及一种采用“无槽”结构的独特电机。
直线电机的类型
图3：直线电机包括分离线圈和磁轨
直线电机的类型
直线电机可以作为单独的部件，也可以作 为完整的系统。电机部件（或者称为“套 件”）如（图3）所示，其中包含一个电机 线圈和分离的磁轨。线圈组件称为“施力 部件”，在某些情况下也称为“主级”元 件。施力部件一般包括电机线圈，此外还 有一个附板或安装条，可以把线圈连接到 载物台上去。
铁芯电机
铁芯结构的一个缺点是电机的施力部件和磁轨之 间的吸引力太大，其数值相当于电机额定作用力 的5-13倍。电机的轴承系统必须为该作用力提供 支撑。此外，因为吸引力太大，所以安装过程要 比其它直线电机困难。 铁芯结构的另外一个缺点是存在齿槽力。为了把 电机安置在磁体上合适的位置，需要使用铁芯对 电机施加一个水平力，这时候就会出现齿槽效应。 齿槽效应会限制运动系统的平稳度，这是因为必 须根据具体位置来调整电机所产生的作用力以保 持恒速。 铁芯电机的优势和劣势总结如下：
集成的直线电机系统
还有一种线性编码器是正弦编码器。正弦 编码器产生的信号是模拟正弦和余弦信号， 而不是离散脉冲。很多先进的运动控制器 都可以通过插值算法将这些模拟信号转换 为超高分辨率信息。
集成的直线电机系统
所有上述编码器都提供了递增定位信息，因而每次控制器 失去位置信息（比如断电）的时候，都需要确认“起始位 置”。在某些情况下，需要了解 “绝对反馈”信息（可 以马上知道电机的实际位置，但是没有起始序列）。一些 编码器制造商现在正在生产通过同步串行接口（SSI）来 传输数据的绝对线性编码器。 在使用线性编码器的时候，必须正确安装扫描器（读数） 头。如果安装有误，可能会出现机械共振效应，因为传感 器头的振动而导致测量的位置信息出现误差。在这种情况 下，会显著降低能够达到的控制环路带宽，进而降低最大 定位刚度。在某些情况下还会丢失大段位置信息，从而使 系统变得非常不准确。
直线电机的类型
电机线通常从产品包的一侧接出来。磁轨 有些情况下也称为“次级”元件。根据所 用直线电机的类型，磁轨可以是一排磁体， 也可以采用双面结构，这样可以产生平衡 的吸引力。
直线电机的类型
图4：直线电机系统包括一个底座、轴承、 载物台、反馈装置
直线电机的类型
一个完整的直线电机系统（图4）通常包括 个体电机部件、底座、轴承、反馈元件以 及连线管理功能。
无铁芯电机
无铁芯电机的施力部件架在两个磁轨之间 （图8）。它们也称为“aircore” 或“U通 道”电机。施力部件的线圈中没有任何铁 芯，所以叫无铁芯电机。它的铜绕组是包 封起来的，位于两排磁体中间的气隙内。 因为电机没有铁芯，所以在施力部件和磁 轨之间不会产生吸引力或齿槽力。
无铁芯电机
图8：无铁芯直线电机