直线电机和控制寻求主流
作为一项新技术，直接驱动直线运动系统显示出越来越多的各种配置。顾名思义，电机和负载直接连接，省去了齿轮系、皮带、滚珠丝杠和滑轮，以实现卓越的速度、精度和可靠性。线性运动系统在性能至关重要的地方表现出色。
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作为一项新技术，直接驱动直线运动系统显示出越来越多的各种配置。顾名思义，电机和负载直接连接，省去了齿轮系、皮带、滚珠丝杠和滑轮，以实现卓越的速度、精度和可靠性。线性运动系统在性能至关重要的地方表现出色。
与此同时，直线电机比旋转电机应用更复杂，生产成本也更高。现在，新的发展、设计改进和制造成本的下降趋势寻求向更广泛的受众开放直接驱动线性系统。
很多努力都集中在简化这项技术上。在Anorad公司(Hauppauge, ny)，增强机床应用的电机功能是目前的发展之一。例如，它的新LXB-S系列动圈式(MC)电机(见产品表)用不锈钢覆盖磁铁板，允许雨刷保持表面干净的黑色芯片和金属封装提高了对冷却剂污染的保护。连接器连接到线圈组件，便于安装。直线电机业务发展总监Boaz Eidelberg解释道:“用于线圈和磁铁组件的冷却流形，可以捕获穿透敏感结构材料的热量。
低成本和易于使用的一般自动化是背后的Anorad的引进动磁式(MM)直线电机(见图表)。这种电机类型(MM-NS型)消除了移动电缆，提高了电机的可靠性。每个线圈只有当磁铁正上方时才能通电。因此，在高占空比应用中，MM电机的运行温度比动圈电机低得多，只要行程比磁铁长度长。“线圈具有即插即用连接器，便于安装。移动磁铁的操作也更安全，因为所有的磁通量都被线圈捕获，”Eidelberg博士说。
Anorad是直线运动技术的先驱，于1998年秋成为罗克韦尔自动化(密尔沃基，威斯康星州)的一个业务部门。
Kollmorgen (Radford, Va.)注意到直线电机解决方案的增长应用高可靠性，而不是高性能，是主要的标准。成本前景也同样光明。Kollmorgen直线电机技术支持经理Claude Chirignan表示:“如今，与传统方法(滚珠丝杠)相比，直线电机的成本差异可以低至10%至20%。“电机供应商已经改进了他们的设计，使制造更加容易，并采用了成本更低的磁铁材料。”
具有“独特的市场差异化”的最终产品是直线电机的另一个属性。Chirignan先生引用了制药工艺、人员运输和机器人应用方面的新例子。他认为高端应用，如激光切割、水射流切割、数控机床和压力机进料仍然很强大。通用、精确的X-Y表也得到了认可。在这里，预先设计的解决方案可以大大缩短开发时间，迅速将新产品推向市场，”他补充道。
简化,提高
Aerotech Inc.(宾夕法尼亚州匹兹堡)也提到了简化直线电机的进展。所引用的例子包括结合编码器和支撑轴承的执行器包;移动磁铁直线电机消除了“电缆管理问题”，允许线圈保持静止。
为了从固定线圈尺寸中获得更大的力输出，高密度磁铁代表了磁铁轨道设计的一种方法。Aerotech驱动部件部门的产品经理Ed Novak表示:“这允许在不适合具有等效输出力的大型电机的情况下使用较小的框架电机。”
去年，直线运动技术领域的并购活动最为活跃。1998年3月，Baldor Electric Co. (Fort Smith, Ark.)收购了Northern Magnetics (Santa Clarita, california)。
Baldor线性产品专家罗杰•布洛克(Roger Bullock)指出，需要更大力、低惯性电机的应用正在出现。无齿槽(无铁)线性无刷电机正在开发中，其峰值力可达1,500磅(6,672牛)，预计于1999年下半年发布。“无齿槽，低惯性电机具有更大的加速能力，具有出色的低速性能(无力或速度波动)，”布洛克先生评论道。Baldor的其他发展还包括将直线电机、编码器、轴承等结合在一起的预包装产品，以减少用户在产品集成、测试和设计方面的密集任务。
成本，风险，变化
Trilogy Systems (Webster, Tex.)总裁布鲁斯·比克利(Bruce Beakley)认为，在过去十年中，“高性能定位应用”越来越依赖直线电机。但需求一直局限于能够证明成本合理并要求最高产量的少数市场，例如半导体晶圆厂和电子组装。
Beakley先生提到了更广泛用户接受的障碍。这些包括高成本电机和其他系统元件;风险也就是说，不愿意尝试新的(更昂贵的)技术;而且不熟悉这迫使工程师们“从不同的角度思考”机器设计，例如，最小化重量以减少电机发热。设计方法的改变是缓慢发生的。“消除这三大障碍的发展扩大并推动了直线电机的市场，”他说。
Trilogy刚刚推出了线性编码器模块(LEM)，据说是第一个基于线性电机的编码器，使用磁轨的实际永磁体作为位置反馈。作为Trilogy的一项发明，LEM的成本低于标准线性编码器(长度较长没有成本损失)，可在恶劣环境下工作，并提供电机换向信号以及家用和旅行终点限制传感器。分辨率和重复性为5微米(0.0002英寸)。
Etel SA (Môtiers，瑞士)强调精确定位和速度稳定性的能力，这是视觉检测和扫描应用的主要运动要求，只能通过直线电机和高质量的电子控制来满足。能力的例子是1纳米的位置稳定性，用于晶圆检测和0.1%的速度稳定在6毫米/秒的图像扫描。
Etel直接驱动与系统部门负责人丹尼斯·皮亚杰(Denis Piaget)指出，电子芯片制造是线性技术可以提高生产率和可靠性的另一个领域。最主要的要求是能很快到达一个位置，“但也要有最短的停留时间和平稳的运动轮廓。”皮亚杰列出了使用Etel设备的拾取放置机的典型性能:40毫秒内移动50毫米M窗口- 2公斤有效载荷。
不全是高准确度
并不是所有的应用都要求高精度。皮亚杰认为，长行程输送机(水平和垂直)的市场正在打开，其位置精度为1-2毫米就足够了，“但运动的平稳性很重要。”电子控制和低成本编码器完成这个经济的解决方案。
Baumüller (Nürnberg，德国;位于康涅狄格州布卢姆菲尔德的美国办事处)还专门从事模块化，长行程线性运动系统，用于海运集装箱码头和停车场的重载应用。该公司生产PM无刷电机和放大器，用于这些和更高精度的工业应用(见产品表)。
改进冷却和封装PM直线电机正在力士乐Indramat (Hoffman Estates，伊利诺伊州)进行开发。其标准的PM直线电机，可与液冷初级，具有IP64保护等级的一般自动化。然而，新型热封装电机具有IP65等级的目标机床和高精度用途。一个环氧树脂填充的初级封闭在一个液冷表面的铝夹套环绕线圈。“从冷却剂输入到电机外部的最高温升不会超过2°C，”机床应用工程经理Karl Rapp说。
为了精确使用，Indramat PM直线电机依赖于换相信号反馈的绝对刻度。定位精度0.1
Indramat的新产品包括用于空间关键应用的超扁平PM电机。冷却通道内建的主要最大限度地降低电机高度。还介绍了一种小型直线电机，适用于要求进给力高达1,000 N的应用。
Indramat认为目前的磁性材料对电机没有很大的改善，但正在研究各种初级线圈绕组方法来提高力密度。总体而言，其直线电机的运行速度可达600米/分钟，力可达22,000牛/电机。
更简单、更实用同样是Sulzer Electronics AG (Zürich，瑞士)及其Linmot Div的主题。Linmot驱动器具有简单的移动滑块、固定定子、完整的电子位置传感器和集成在紧凑的圆柱形金属体中的轴承。即插即用的方法促进了简单的连接，通过流行的通信网络驱动电子设备，并连接到PLC和PC控制。
Linmot-P执行器针对精密工业线性运动控制，通常用于纺织，材料处理，包装机器和机器人制造。
永磁无刷vs.感应
大多数制造商表示，在两种主要的直线电机技术中(见第一个侧栏)，永磁无刷电机主导着市场。Anorad提供了PM无刷与线性感应电机设计的这些优点:
效率更高- pm型无需加热，通量更高;LIM通过感应产生磁通量，从而增加初级产生并感应到次级的热量;
更高的连续力每线圈区域-典型值是5磅/in.2(3.5 N/cm2) PM电机;1.8 N/cm2，感应电机;
较小的尺寸-磁体具有低轮廓，PM不需要助熔剂线圈，与大型助熔剂线圈和LIMs冷却的二级相比;
简单的放大器- pm使用标准的三相无刷换向，而LIM需要一个具有幅度和频率控制的驱动器;
更简单的机械设计- PM电机的气隙尺寸更大(通常为0.5-1毫米，LIM为0.2毫米。熔剂在PM线圈附近浓度较高;而且
精度高- PM设计产生的热失真少;lim在长二次中产生较大的热变形，且在静止状态下散热困难。
对他们来说，感应电机消除了永久磁铁——这是一个巨大的好处。磁铁由于吸力大，需要小心搬运(也需要个人安全意识)。它们也更难安装在机器上，即使在电机关闭时也会吸引亚铁芯片。
Kollmorgen的Chirignan先生补充说，PM无刷解决方案的上述好处包括更低的可听到噪音和更低的拥有成本。根据他的经验，许多用户发现，相对于永磁无刷解决方案的优势而言，有利于交流感应的感知成本差异“要么不存在，要么被抵消了”。
Baldor的布洛克也认为永磁无刷电机的效率和加速度更高。他进一步指出，这项技术越来越多的用户接受和发展，源于今天大多数制造商只专注于永磁无刷电机。不过，布洛克认为矢量控制的lim比永磁直线电机成本更低，可以实现闭环定位
Trilogy的Beakley先生补充道:“随着钕磁铁价格的持续下降，无刷电机将超过感应电机，成为主导技术。”
Indramat同样将PM无刷直线电机置于用户接受的领先地位。Rapp先生说:“与相同物理尺寸的直线感应电机相比，永磁电机可以提供两倍的力密度，因为在次级电机中会产生功率损失。”
与此同时，lim仍然是一种可行的解决方案，特别是在持续磁场造成问题或需要长途旅行的情况下。“随着电机长度的显著增加，永磁体的成本超过感应电机的成本，”他说。
Aerotech将永磁无刷直线电机的市场主导地位等同于其小包装的高性能高输出力。易于安装和多种尺寸也有贡献。它认为lim在许多高速OEM机器应用中不切实际，因为每输出力比高的线圈重量。
控制器:至关重要的环节
驱动电子器件——包括运动控制器、放大器、反馈方法和控制算法——在线性运动系统的整体性能中起着重要作用。
Etel也认为电子设备和反馈方法是成功的关键。皮亚杰解释说，同样重要的是，系统能够解决结构刚度、固有频率和振动等机械设计问题。
控制技术的进步有助于减少Baldor的布洛克所说的与使用直线电机有关的“恐惧因素”。他说，这种观念“将潜在客户锁定在‘安全’技术上，而他们具有前瞻性的竞争对手则在利用这种更新的技术。”该领域取得进展的例子包括更高可用的编码器正交率、全数字控制、更新的软件接口和自动调优算法，以简化系统集成。
新方向
Anorad和罗克韦尔自动化的联合为工业直线运动应用提供了更广泛的战略可能性。但是，实现复杂的线性系统，如数控机床，比传统的旋转电机更复杂。奖励只能通过严格的开发过程来实现。Anorad的Eidelberg博士设想了一个多步骤的过程，“为潜在的直线电机用户弥合需求和专业知识之间的差距。”欲了解更多细节，请参阅本文的“在线额外”www.globalelove.com．(见也,CE， 1997年3月，第90-100页)
展望未来，Kollmorgen的奇里尼南认为，直接驱动解决方案和设计工程师将帮助市场推出更可靠、更安静、更改进的产品——速度更快、加速度更高，或者缩短周期时间。
Baldor指出，永磁无刷电机的前景不断扩大。磁铁技术和生产经济的进步将有助于降低成本。布洛克先生补充说:“感应电机的制造成本基本上是固定的，对于更高的数量，只有适度的节省。”
Aerotech认为机器制造商对直驱线性技术的使用越来越多。更简单的机械运动安排，提高速度和吞吐量是目标。“随着越来越多的厂商进入市场，竞争加剧，无刷直线电机的价格将继续下降，”诺瓦克先生说。
随着直线电机系统变得更加坚固可靠，成本更低，Indramat预计它们将在通用自动化领域取得重大进展。拉普补充说，更高的电压控制将成为标准，因为这可以在更低的电流下提供相同的功率，同时允许使用更小、更便宜的部件和电缆。
Trilogy Systems的比克利认为，未来五年，竞争对手会更多，价格也会更低。直线电机将缩小价格差距，因为电机、编码器和驱动器都取得了进步。“最成功的公司将是那些帮助设计工程师轻松地将直线电机与即插即用产品集成起来的公司。”
更多信息，请访问www.globalelove.com/freeinfo。
代表直驱直线电机
| 公司 | 产品 | 类型 | 行程mm (+) | 连续额定力(N)*/不冷却 | 额定力(N)* /冷却** | Pk速度(m/sec) | Accel pk (G) | 特性 |
| 电机类型:永磁永磁，无刷伺服(同步);IND -交流感应(异步);SR开关磁阻 MC -动圈;MM -移动磁铁;IL -无铁IC -铁芯T管(s) -单面磁体(d) -双面磁体 (+) -无限旅行，通过模块化磁铁轨道，线圈组件，或反应板连接端到端* 1 N = 0.225 lbf ** -水冷却，除了(a)所示的强制空气C -内置连接器D -由于开关盘管运行冷却 封装单元:P -包括轴承PX -包括编码器和导轨 PF -在低占空比下持续的峰值力3X (b) -轴承有限(x) -咨询制造商 对于线性控制产品，请访问www.globalelove.com |
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| Aerotech | BLM系列 | 点 | 无限的 | 280 | 427(一) | 5 | 90 | 峰值G仅为空载电机 |
| Anorad | LXB-S-12 | PM-MC | ” | 4000年 | 8000年 | 5 | 10 | |
| MM-NS | PM-MM | ” | 210 | 5 | 8 | 无移动电缆;C;D | ||
| 美国宝德公司/ Normag | BLCM系列 | PM-IL | ” | 到265年 | 到530年 | ＞5 | 10 | 无磁性;PF |
| LIM系列 | 印第安纳州 | ” | 到1800年 | 到3600年 | > 50 | 1 | 10%占空比的控制力 | |
| Baumuller | 伦敦政治经济学院1 | 点 | ” | 1650(年代) | 6000(年代) | 2.7 | > 10 | IND电机实用;SS承保是std |
| 加州线性设备 | 型号2024 | PM-IC | 到305年 | 至3,110 (a) | 1.3 | 50 | 峰值力约。2 x控制;T;独立的;精度0.025 mm | |
| Etel SA | LMA系列 | PM-IC | Unlim。 | 4000(年代) | 9000年 | 5 | 10 | 高磁吸预紧力 |
| ILM系列 | PM-IL | ” | 500 (d) | 650(一) | 10 | 20. | 没有磁性 | |
| 通用电气发那科 | 线性马达 | 点 | ” | 到3000年 | 7000年 | 4 | 30. | 力到3,600 N w/空气冷却 |
| 工业设备公司 | LM系列 | 点 | 到1850年 | 到358年 | 至5 (b) | 5 (b) | 低密度脂蛋白伴侣;自冷式;力到487 N，速度为2 m/s;P;T | |
| Kollmorgen | 铂伊尔 | PM-IL | Unlim。 | 450 | 540 | > 8 | 110 | 没有杂志吸引力;0接头;G |
| 铂集成电路 | PM-IC | ” | 7500年 | 12000年 | > 6 | 35 | 高磁吸预紧力;G | |
| MTS自动化 | MaxPlus系列 | PM-IC | ” | 20 - 250 (s) - (d) | 20 - 360 (s) - (d) | 5 | > 10 | 0 mag预紧力;高力/线圈质量比;滚开。小卡。性能 |
| 三菱 | 直线电机 | 点 | 到1000年 | 到60 | 到400年 | 2 | 5 | Pos, vel， &力控制模式 |
| 报业集团。 | Megathrust | 老 | 到30000年 | 1200年 | 1．8 | 2.5 | 没有烫发磁铁;高分辨率 | |
| PM系列 | 点 | 到2000年 | 750 | 2 | 9 | 高伺服刚度 | ||
| 派克汉尼汾公司/ Compumotor | SL系列 | PM-SL | Unlim。 | 至650 (s) | 1200年 | 5 | 11 | 最小引力;具有成本效益的 |
| 博世力士乐 | LSF系列 | 点 | ” | (x) | 7800年 | 10 | 10 | 高峰值速度和加速度 |
| Indramat | LAF系列 | 印第安纳州 | ” | ” | 4000年 | 3. | 10 | 无PM或烫发磁场 |
| 苏尔寿公司电子 | LinMot-P系列 | PM-MM | 到1200年 | 55 | One hundred. | 3. | 24 | 单元包括轴承、传感器 |
| THK美国 | M1A2 | 点 | Unlim。 | 到432年 | 到540年 | ＞5 | ＞5 | 完善的定位系统;PX |
| 三部曲系统 | LM410 | PM-IL | ” | 至600 (d) | 1000年 | 5 | 10 | 模块化的跟踪;无吸力 |
直线电机的简单术语
直接驱动直线电机分为两个基本类别:永磁(PM)同步(或无刷)和异步直线感应电机(lim)。电刷直流电动机，使这项技术在20多年前成为现实，存在但不是今天的焦点。可变磁阻直线电机也受到了一些关注。
永磁无刷电机有各种各样的子类，如动圈式而且动磁式类型(见图表)。其他PM电机品种包括:
Ironcore，其中添加钢层压增加通量，以开发更高的推力，每个框架尺寸。
无铁的指的是只包含铜线圈(和环氧树脂封装)的磁芯。平滑的“无齿轮”运动产生，因为线圈和磁铁之间不存在吸引力-但在低力输出的代价。
无槽指的是一种特殊的钢片设计，其中绕组穿过定子的孔而不是槽。结果是磁体表面更加光滑。这种设计还通过消除吸引力的变化来减少齿槽。
管状直线电机沿与长度平行的轴向上滚动。在一种方式中，携带电机线圈的外部推力块包围并沿着装有磁铁的固定推力杆移动。另一种风格是在中心磁棒中加入磁铁，相对于外部定子元件移动。有关产品示例，请参阅下一个侧栏。行程受到限制，因为推力杆必须在两端支撑(对于移动杆版本，只能支撑一端)。
配置丰富的
直线电机有各种各样的形状。Linear Drives有限公司(LDL, Basildon, Essex, uk)的新型“管状”电机由推力块组成，推力块沿固定杆支撑元件移动。好处包括最佳地利用产生的磁通量，因为电流总是以直角切割径向磁通量路径;电机运动时自冷却;以及随着电机转速增加的力值。有限的行程长度和力范围是缺点。Industrial Devices Corp. (Petaluma, california)通过有限合作伙伴关系在美国拥有LDL管状电机的独家生产/分销权。
加州线性设备公司(California Linear Devices, Carlsbad, California)的管状电机颠倒了这种排列方式，其中央电枢含有永久磁铁，作为相对于外部定子线圈运动的单个元件。该装置类似于传统的旋转电机，产生的峰值力在1555 -6,225 N范围内。
旋转运动并不超出这些电机的能力，正如Anorad的线性电机线圈和圆形磁性组件组合作为运动元件(照片)。与旋转扭矩电机相比，它是一种经济有效的解决方案。欲了解更多详情，请参阅Online Extra
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