直接驱动线性运动生命!

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边栏:首次获得UL认可的直线电机

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从技术上讲，他们已经成功了。与基于旋转电机的系统相比，直接驱动线性运动系统省去了齿轮箱、滚珠丝杠、皮带、联轴器或其他电机和负载之间的旋转到线性运动转换器，从而提供了更高的速度、加速度、负载定位精度和快速行程循环。

然而，所有这些都带来了更高的成本和复杂性。制造商正在努力突破这些限制，为直接驱动线性(DDL)运动系统带来新的生命。由于经济持续低迷，再加上消费者不愿从现有设计的短距离舒适转向具有长程增益潜力的新技术，他们的任务变得更加困难。

供应商为DDL运动产品注入附加值的一种方式是将电机、轴承和反馈装置集成到一个完整的组件中，并提供匹配的控制。

市场的看法

目前，直接驱动运动系统在所有线性运动应用中只占相对较小的一部分(6-10%)，但DDL领域正在增长。市场规模的一个指标来自Motion Tech Trends (Inglewood, CA)在其报告“北美的直接驱动直线电机，2002年和2007年”中，MTT估计2002年北美DDL电机市场为1.08亿美元，其中近78%的使用用于工厂自动化(包括半导体设备和机床)，近20%用于仪器系统(包括医疗)，2.6%用于所有其他。

MTT总裁George Gulalo预计，DDL设备在未来几年将以每年15-20%的速度增长，2007年将达到2.42亿美元左右。按用途划分的分项数字预计与2002年大致相同。美国约占全球DDL运动设备市场的35%。

2002年11月frost&sullivan(伦敦，英国)的一份报告《欧洲直线电机市场》预测，在不久的将来，该行业将“强劲、持续增长”。F&S的报告预计，2001年至2008年间，收入将从5700万美元翻倍至1.25亿美元，销量将从33300台增至125,500台，增长近四倍。该公司表示，“一个更大的、不断扩大的客户群”将推动直线电机解决方案的应用、数量和收入的增长。

博世力士乐公司(Hoffman Estates, IL)电气驱动和控制技术副总裁Scott Hibbard表示:“直接驱动直线运动技术正处于成熟阶段。DDL技术不再局限于少数前沿应用，如高速加工和半导体生产。如今，随着生产数量的增加和电机设计的改进，应用领域的知识基础更加广泛，经济效益也有所提高，或者像希巴德所说的“单位功率成本”也有所提高。

更好的密封性，热管理

快速的点对点运动和高加速度，使DDL技术成为可能，在电机中产生额外的加热。需要快速循环的应用会加剧这种情况。

在目前推进DDL运动的举措中，博世力士乐正在改进直线电机的密封和热管理，许多机器开发商希望直线电机的密封和热管理与旋转电机相匹配。考虑到直线电机暴露在恶劣的加工环境中的开放特性，这是一项艰巨的任务。“我们已经制定了一个设计原则，封装电机的初级和次级侧，并达到IP65等级，”Hibbard先生说。

对于直线电机来说，热管理是一个特殊的问题，因为所有产生的热量都必须通过周围的机器部件消散，而旋转电机则将相当一部分热量直接通过外壳传递到周围的空气中。“热增长会对机器加工产生负面影响，比如金属切割，”他补充道。传统的流体冷却可以起到作用，但仍然会留下“热点”。博世力士乐报告称，其热封装技术将马达整个安装表面的流体入口和外壳之间的温差限制在2°C。

高性能直线电机的热管理同样是西门子能源与自动化运动控制系统(Elk Grove, IL)的重点。西门子E&A项目经理Meredith Johnson表示:“热损失几乎全部发生在主(定子)部分，并通过集成的精密冷却系统消散。”西门子的两条主线永磁密封同步直线电机1FN1和1FN3采用双回路冷却概念。商标thermosandwich，低成本的冷却设计(使用空气或水)限制热量传递到周围的结构通过热解耦电机从机器。避免热变形是精密加工的关键。

1FN1和1FN3电机的设计特点是定子和永磁体在二次段之间的气隙较大，以适应机器结构的变化。Johnson先生说:“由于初级部分的缠绕槽与次级部分的倾斜磁铁，因此可以在较小的框架尺寸下实现更大的推力和最小的力波动。”

用于加工应用，1FN1电机具有精度和低力波动的特点。1FN3适合高动态应用，并提供多种电机尺寸和选项。Johnson先生解释说，任何一种类型的多个电机都可以应用于一个轴(或轨道)上，以增加连续和峰值力输出。

这些直线电机与simmodrive数字611D和模拟611U驱动器一起工作。该系统的CNC部分，使机床以及其他运动控制应用，可以集成在驱动器内，在一个单独的单元(例如，Sinumerik 840D)，或在第三方控制。

材料改进，成本问题

改进的材料和电机线圈的热性能，加上由于大批量生产而降低的成本，是贯穿几家制造商发展的共同主题。罗克韦尔自动化旗下的Anorad公司认为，上述因素有助于DDL电机在新应用中取代传统的旋转电机/滚珠丝杠组合。

安川电机的TW直线电机的“平衡铁芯”结构(右)消除了铁芯线圈和永磁轨道构件之间的磁力吸引力的影响。这与正常铁芯设计中产生的有害的高吸引力形成对比(左图)。

高通量磁体材料的可用性在两个方向上提供了进步。现有尺寸的电机可以提供更高的输出力;Anorad产品经理Michael J. Pitka解释说，还可以开发“高功率微型直线电机”。每种方法产生的新电机都扩展了公司DDL技术与替代设计的应用。

先进材料包括用于封装电机线圈的改进成型化合物，这导致更好的热性能，如在冷却器运行电机方面进行测量。更少的热量提高了电机效率，从而提高了每帧尺寸的输出力。更好的成型化合物是Anorad新LC钢芯无刷(同步)直线电机系列的一部分，该系列最近获得了UL认证(见侧边栏)。

从Anorad的角度来看，DDL电机的使用量正在增加，因为该技术从半导体生产转移到工业领域，例如包装机。因此，皮特卡指出，大批量生产工艺的优势可以降低这些电机的成本。他补充说:“随着直线电机在更大的尺寸和力范围内满足行业标准，再加上价格更低，直线电机将大大取代旋转电机。”

博世力士乐的其他举措是解决DDL电机的成本和尺寸效率问题。希巴德说，正在开发的设计承诺，在给定的框架尺寸下，连续和峰值力输出将增加两位数。这对推动DDL运动系统的性能效益和改善成本问题具有重要意义。

博世力士乐驳斥了DDL技术比类似的旋转运动系统更昂贵的说法，理由是在某些应用中大幅度节省了系统成本。该公司的直接驱动线性产品包括输出功率为200-22,000 N (45-4,950 lb f)的电机，额定功率高达20 kW的Ecodrive控制器和各种标准通信接口。

安川电气美国公司(YEA, Waukegan, IL)专注于消除潜在用户对DDL技术不确定的担忧，以此作为扩大应用的一种方式。最近的发展提高了所有三种类型的YEA直线电机的性能。例如，正在申请专利的高密度线圈缠绕方法(Sigma旋转电机的延续)导致70%的空间填充系数，这大大高于非优化电机设计，YEA线性机电工程经理Fred G. Zahradnik解释道。使用高通量密度钕铁硼(Nd-Fe-B)磁铁也提高了性能。安川强调将其线性西格玛电机“无缝集成”到通用的西格玛- ii旋转交流伺服电机和控制器产品线中。

gw型直线电机的无芯结构消除了齿槽。根据Zahradnik先生的说法，通过放置在移动线圈两侧的双面移相绕组设计(正在申请专利)，力波动减少到目前竞争对手的1/4。线圈骑在“u型通道”磁铁轨道内，两侧装有钕铁硼磁铁。

fw型直线电机由一个移动线圈和在载板上斜排稀土磁体的单面固定磁道组成。Yaskawa说，在铁芯末端形成的“亚齿”正在申请专利，与没有亚齿的设计相比，它有助于显着减少边缘开齿力。

平衡磁力

第三种直线电机，tw型，大大降低了铁芯电机固有的高吸引力，从而减轻了对结构设计和承载能力的要求。这种“平衡铁芯设计”将磁铁安置在移动线圈组件的两侧(见图)，因此静止部件和移动部件之间的吸引力被抵消。在不平衡的情况下，磁性引力可高达电机产生的峰值推力的5-6倍。

通过平衡设计，单轨可以在龙门式应用的每侧引导TW直线电机，而不是典型的双导轨组。可以更容易地获得对齐任务和运行并行性。

Zahradnik先生提到了线性电机伺服控制和换向的反馈信息可靠性问题。他指出，噪声感应和电压降是两种最常见的线性反馈信号故障，而Sigma-II系统编码器方法提供了“良好的抗扰度”。

另一个平衡设计的发展来自派克汉尼汾公司，Compumotor分部(Rohnert Park, CA)，推出了BLMA(平衡直线电机执行器)系列。BLMA定位在垂直方向的磁棒两侧的线圈绕组。Parker Compumotor定制伺服电机产品协调员Marc Feyh说，“平衡设计”消除了垂直于运动方向的磁力，因此“提供了铁芯执行器的所有力，而磁轨成本只有一半。”与高磁力相关的热产生问题也在致动器设计中得到解决。据报道，BLMA产生的热量只有同等尺寸的标准铁芯直线电机的50%。

同时，派克电脑通过提高性能和降低成本，扩大了其无槽SL系列直线电机的市场范围。SL系列可作为直线电机组件，用于直接OEM集成到机器中，以节省大量成本和空间。为了简化小型oem和最终用户的安装和现场工程，SL系列组件还构成了帕克Daedal部门提供的直线电机工作台的封装线。Feyh先生补充说:“较低的价格和出色的性能使其成为与各种传统的基于伺服的定位系统(如皮带和丝杠工作台)竞争的选择。”

不要忘记lim

大多数宣传都集中在同步电机系统上，但直接驱动线性感应电机(lim)也是大画面的一部分。Baldor Electric Co. (Fort Smith, AR)的产品经理John Mazurkiewicz提到了感应式直线电机功率因数校正(PFC)的最新进展。PFC寻求最小化控制电机的电压和电流之间的相位角。“这样做的好处是节省能源。你可以获得高达40%的力量，”他说。

修正功率因数的明显好处是降低了电机的运行成本。然而，Mazurkiewicz先生也注意到PFC通过适当控制lim获得的其他优势。更高的功率因数意味着每个尺寸的电机具有更高的功率容量(或输出的力)，更低的电压降及其相关问题，并且由于运行的电机更冷而提高效率。

作为吸引更多应用和用户的一种方式，Baldor Electric开发了一种称为“混合核心”的无刷直线电机。只有电动机的初级(动力)携带磁铁;在这种低成本的方法中，开槽的次级(压板)被切割到所需的行程长度。马祖凯维奇解释说，混合型核心电机有两种初级电机。两相，步进式初级提供开环性能使用标准步进控制。对于要求更高的应用，三相伺服型主电机使用伺服驱动器和客户提供的线性编码器提供闭环控制。根据Baldor的说法，强制空气冷却将电机的连续功率等级延长了约20%。

Danaher Motion/ kollmorgan (Radford, VA)正在追求三个发展目标，以定位直接驱动线性产品，使其与传统技术更具竞争力:提高性能，改善易用性，降低成本。DDL产品经理Dave Riebe预计，Danaher Motion将通过“研究新的潜在电磁设计”提高性能。该计划的其他要素是使用新的销售工具和完整的解决方案-控制器，驱动器，电机和机械装配-使客户更容易使用DDL运动系统。至于产品经济性，Riebe先生补充道:“产量的增加、供应链的改进和更高效的制造技术降低了成本。”

来自丹纳赫/科尔摩根的最新直线电机系列是白金DDL，可采用无铁结构(主零件和次级零件之间没有吸引力)或铁芯结构，每帧尺寸提供高输出力(见图)。

直接驱动直线电机表现出丰富多样的形式，如封面图形所示。在“进一步阅读”框中可以找到其他DDL电机类型和产品表的来源。

评论?电子邮件fbartos@reedbusiness.com

第一个直线电机获得UL认可

认证绝缘系统的完整性和产品的安全性可能被认为是理所当然的旋转伺服电机，但这是直线电机的大新闻。

作为罗克韦尔自动化的一部分，Anorad公司(Shirley, NY)在2003年2月获得美国保险商实验室(UL)对其新型LC系列钢芯无刷直线电机的认可，声称其直线电机是“第一”。Anorad的营销总监Michael Backman解释说，满足UL的额外绝缘要求对这些电机的无框结构提出了性能和包装挑战。新的绝缘系统和电机线圈设计提供了解决方案，实现了H级180°C保护和650 V直流母线额定电压。此外，在LC电机系列开发中使用最新一代稀土磁铁导致力密度比以前的型号增加。

Anorad表示，该公司利用有限元分析优化了LC直线电机正在申请专利的层压钢芯设计，使线圈组件中的铜含量达到了85%。(比之前的钢芯电机高出7%。)钢芯与大量的铜之间的关系导致了热效率的提高。

最初，两种线圈尺寸可用，在两种电机模型中提供62磅和94磅的输出。LC电机与标准的三相无刷伺服驱动器兼容。对于需要换向反馈的伺服驱动器，可以将霍尔效应模块安装到电机的移动线圈上。电机换向由软件是可能的控制，提供这一功能。

在线

得到线性运动

从旋转运动转换

直线执行器和产生直线运动的电动机驱动装置在工业和商业产品中很常见。专家估计，工业市场中约75%的运动应用需要沿线性轴移动负载。

直接驱动线性(DDL)运动系统在数量上要少得多，但与基于旋转电机的运动系统相比，它具有更高的速度、加速度、负载定位精度和快速行程循环。他们通过消除齿轮箱，滚珠丝杠，皮带，联轴器来实现这些结果-简而言之，电机和负载之间的任何旋转到线性运动转换器。

同时，DDL运动的应用更加复杂，成本也更高。制造商在简化使用和降低成本方面取得了长足的进步。增加直接驱动直线运动系统价值的一个例子是将轴承和反馈装置集成到与DDL电机相同的组件中，这降低了系统成本，使其更容易应用。这种方法的例子包括线性运动产品

随着越来越多的潜在用户了解直接驱动线性运动，它正在经历各种新应用的增长。西门子能源与自动化，运动控制系统，提到了高动态机床，激光加工，拣选和放置，以及适合DDL运动技术的其他利基应用。www.sea.siemens.com

博世力士乐公司(Bosch Rexroth Corp.)的Electric Drives and Controls.www.boschrextroth-us.com表示，自动化和物料处理应用，如飞行切断装置、塑料注塑机卸料机和电子装配系统，都可以从直接驱动直线运动的生产力进步中受益

Etel Inc.将电子/光电子组装、半导体制造和制药生产列为可能的应用。www.etelusa.com

低成本铁芯电机设计铁芯(或钢)和无芯电机构成了DDL运动装置的两个基本设计品种，提供了成本和平滑运动之间的权衡;在上面链接的主文章中查看更多内容。

Motion Tech Trends (MTT)指出，在低功率应用中，无芯和铁芯直线电机正获得越来越多的认可，其中后者“获得的收益最多”。具有铁芯电机的直线电机以较低的成本提供给定的力。“使用铁芯的直线电机的成本大约是无铁芯(或无铁芯)直线电机的一半。由于许多原因，包括更小的尺寸，更少的磁铁和更低的组装成本，铁芯品种更便宜。”

无铁芯，直接驱动直线电机权衡较低的受力能力和较高的成本，从而提供平稳的性能和高加速度。www.motioninfo.com

直接驱动直线运动产品由众多公司制造。例如，请参阅“控制工程”中的产品表，1999年4月，第62-70页。

以下是DDL新运动产品的样本:

IndraDyn L是新一代永磁同步直线电机来自

TT微型直线电机来自

TT Micro直线电机的性能特点包括峰值力45牛，加速度高达250米/秒

其他一些直接驱动直线运动技术的开发商和供应商包括:

公司
适用的产品
联系

Adept Technology SmartAxis;(Livermore, CA) SmartModules
SmartAxis;SmartModules
www.adept.com

航空技术公司(匹兹堡，宾夕法尼亚州)
ATS 1000线性级
www.aerotech.com

CLD(加州卡尔斯巴德)
4000、5000系列管状直线电机
www.calinear.com

Copley Controls(Canton, MA)
TT微型直线电机;M3810推力杆直线电机
www.copleycontrols.com

Etel (Schaumburg, IL;Môtiers，瑞士
TLC系列定位阶段;DSCD-P控制器
www.etelusa.com

LinMot (Delavan, WI;Zurich, Switzerland)
林莫特家族
www.linmot.com

THK Inc. (Schaumburg, IL)
LSA系列线性伺服执行器
www.thk.com

Trilogy Systems(韦伯斯特，德克萨斯州)
1轴、2轴、3轴或4轴直线电机系统
www.trilogysystems.com

欲获取信息，请访问www.globalelove.com/freeinfo并在公司名称下搜索。

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