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直线电机工作原理 直线电机相比旋转的优劣势

  直线电机是伺服系统的一个重要分支。相比旋转电机,直线电机在运动过程中无需中间传动环节,因此直线电机的精度、速度和加速度相比旋转电机均具备一定优势,但直线电机产品价格较高、安装对技术工人要求高且无法应用于Z轴运动的劣势某些特定的程度上也影响了其市场规模。目前,直线电机的主要应用领域包括磁悬浮列车、3C、半导体和锂电等领域,随着下游应用场景的增加、技术的逐渐成熟以及价格的不断下降,直线电机有望成为性价比更高的选择,在2025年预计的市场规模将达到60亿元,未来将成为百亿级市场。

  伺服电机在广义上可被分为两类:旋转伺服电机和直线伺服电机,传统的伺服电机一般为旋转电机。直线电机也被称作线性电机、线性马达、直线马达等,其运动形式是沿直线运动, 不同于旋转电机需要螺纹传动装置。直线电机主要由定子(初级)、动子(次级)、滑动导轨、位置测量系统和工作台组成,具体如下:

  直线电机的定子,通常由线圈绕组和铁芯齿轭结构/环氧树脂齿轭结构构成(有铁芯电机和无铁芯电机的区别)组成;直线电机的动子,通常由磁轭(金属板)、永磁体和环氧树脂保护结构构成,定子接线通电后,定子和动子间会产生磁场,进而产生电磁推力,实现运动部件的直线 直线电机的运动动图

  滚动导轨通常由直线导轨、直线运动滑导块和滚动轴承构成,作用为支撑和引导运动部件沿给定方向平稳移动做往复直线运动。

  位置测量系统通常由磁栅尺/光栅尺和读数头构成,作用为检测和反馈运动部件的位置和速度,形成全闭环控制,其精度很大程度上决定了总系统的定位精度。

  工作台由拖动台和底座构成,定子固定其上,由动子带动其自由运动,作用为带动负载快速直线平移和精确定位。

  直线电机的工作原理与旋转电机相同, 定子绕组通入三相交流电后,根据电流的磁效应,通电线圈会产生磁场。这个磁场与动子永磁体产生的磁场会合成一个沿直线移动的正弦波磁场,即行波磁场,该磁场的移动方向由三相交流电的相序决定。

  根据楞次定律,动子金属板在行波磁场切割下,将感应出电动势并产生电流,该电流与行波磁场相作用产生电磁推力,驱动动子沿着行波磁场移动的方向作直线运行,或者利用反作用力驱动定子朝相反的方向运动。

  旋转电机在实际运用到线性运动中时,需要一系列中间传动环节,如联轴节、丝杠等,这些部件会在伺服系统完成启动、加减速、反转、停车等动作时产生弹性变形、摩擦、反向间隙等,造成运动的滞后和许多非线性误差,产生电能消耗。此外,这些中间环节也加大了系统的惯性质量,影响了对运动指令的快速响应,且丝杠是细长杆,在力和热的作用下,会发生变形,影响加工精度。

  直线电机的诞生,取消了从电机到工作台之间的一切中间传动环节,在做线性运动时无需将旋转运动转化为线性运动附加装置,简化了电机结构,实现“直接传动”,也就是“零传动”, 排除中间环节造成的各样误差,减少了电能损耗,因此直线电机在性能上有原旋转电机驱动方式无法达到的高精度、高速度、高加速度等性能指标和优点:

  一、高速响应,由于直线电机取消了一些响应时间常数较大的物理运动件(如丝杠等),使整个闭环控制管理系统动态响应性能大大提高。

  二、精度,直线电机取消了由丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差,减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。

  三、速度快、加减速过程短,由于“零传动”的高速响应性,直线电机的加减速过程快速缩短,以实现起动时瞬间达到高速,高速运行时又能瞬间准停。

  虽然直线电机在速度、加速度、精度等性能上优于旋转电机,但其在价格、安装要求上相较于旋转电机也有一定劣势:

  一、价格高,直线电机的核心部件光栅尺成本居高不下,使得直线电机的价格高于旋转电机。

  二、安装要求高,直线电机属于高精度产品,其安装过程也会影响其定位精度,安装工作需要一定的技术背景。

  三、普遍没有刹车装置,如果竖直安装直线电机,其在突然断电或故障时会受重力影响垂直下落,因此直线电机通常用于平面运动,而无法大范围应用于Z轴运动。

  随着中国工业领域的加快速度进行发展,产品质量的要求慢慢的升高,对机器的性能等要求也逐渐提高,尤其在数字控制机床、半导体集成设备等机械上表现得更明显,未来数字控制机床采用直线电机进给驱动的占比将逐渐增大,直线电机行业工业化前景不言而喻。

  根据《2021年度直线电机市场数据解读报告》显示,2019年OEM (Original Equipment Manufacturer)市场普遍不景气,包括直线电机在内的运动控制类产品增长普遍缓慢甚至下滑。2020年和2021年虽然有疫情影响,但直线电机应用较多的多个下业等行业需求爆涨叠加供应商端积极拓展,因此直线电机市场持续高速增长。

  在下业应用方面,一方面3C、半导体、锂电池、激光加工机机床等行业在2021年景气度高,对于自动化产品的需求普遍旺盛;另一方面,行业中应用直线电机的机型慢慢的变多,尤其是对精度、速度、空间、出力的要求比较高的机型,直线电机比传统丝杆+旋转伺服电机的方式更能实现用户在性能上的要求,因此产品替代趋势在加强。

  在供应商端方面,直线电机技术越来越成熟,大批国产品牌供应商入市场并积极扩展客户,并能灵活地为客户提供满足特定应用要求的定制型产品/方案,这也是市场增长的重要原因。

  在价格方面,近两年直线电机的价格也在不断下降,客户的接受度慢慢的升高,促进了市场的迅速增加。

  因此,在经历了连续两年的快速增长,结合自动化市场的周期循环特点,预计未来两年市场将有放缓增长的趋势,未来5年整体呈现波动式增长,预计2025年直线直线电机整体市场规模分析

  根据《2021年度直线电机市场数据解读报告》显示,与2020年相比,2021年直线电机市场上国产品牌占比逐渐增加,外资厂商除雅科贝思外其他外资品牌市场占有率和排名均有下降,而国产品牌排名发生较大变化,销售额在1亿以上的公司数量增多,并且有众多小厂商涌入。

  由于直线电机本身高精度、高速度、高加速度等方面的性能优势,直线电机主要使用在于高精度或节拍要求比较高的场合,高速磁悬浮列车是直线电机实际应用中最典型的例子。

  选择发展直线电机的设备企业都采用扬长避短的手法,一是将直线电机应用在面向大批量生产、定位运动多、方向频繁转变的场合,如汽车零部件加工机床,快速原型机及半导体生产机等;二是用于荷载低、工艺范围大的场合,例如电加工机床、等离子切割机、水切割机等。

  从应用行业角度来看,直线C、半导体、锂电池、激光加工机床等领域应用较多,医疗(生命科学、医疗设施等)、航空(飞行控制管理系统、飞行员反馈系统等)等领域也可看见直线 直线电机在磁悬浮列车上的应用

  雅科贝思成立于2004年,总部设在新加坡,设计生产用来制造、检测和测试的直驱电机、平台和精密系统方案。

  雅科贝思为半导体制造业、太阳能电池、PCB、平板显示器、硬盘、LED、印刷电路板、机床、汽车电子、包装、印刷、光学和生物医疗等广泛的领域提供专业的支持,销售网络涉及美国、德国、韩国、日本、泰国、以色列、马来西亚等国家和地区。

  深圳市大族电机科技有限公司为上市公司大族激光(股票代码:002008)的全资子公司,是集研发、生产和销售为一体的国家高新技术企业。

  公司于2005年引进优秀海外团队组建而成,参与《永磁式直线电动机通用技术条件》GB/T 34115-2017国家标准起草与制定,是大族激光的核心业务板块之一。

  深圳德康威尔科技有限公司是一家中外合资高新科技企业,作为国内行业领军企业并与国际领先水平接轨的高端直驱电机以及高端自动化设备专业制造商。

  公司主要研发生产直驱电机、精密直驱运动平台、高端自动化设备等高科技精密机电产品。电机系列新产品引进国外先进设计制造技术工艺和测试手段,采用高科技设备及优质材料,其性能在国际位于最尖端水平。

  产品可大范围的应用于数字控制机床、电子和半导体设备、医疗器械、精密检验测试仪器、工业自动化,激光行业,半导体行业,3C手机关联设备,面板行业,锂电池行业,太阳能行业,印刷行业,服装行业等不相同的领域,以及物流传输系统和轨道交通等。

  东莞市智赢智能装备有限公司成立于2013年,是一家专注于智能装备的设计、研发、生产、销售及服务的高新科技企业。

  公司以直线电机、直线电机模组、DD马达(力矩电机)、精密平台、工业机器人为主流产品,产品大范围的应用于微精密激光加工设施、液晶面板设备、太阳能光伏设备、锂电池设备、半导体设备、医疗器械、3C等需要精密控制及定位的自动化行业领域。

  泰科贝尔直驱电机(苏州)有限公司成立于2017年,是一家专业研发、生产、销售直驱电机的高科技企业,致力于高精度、高速度的传动技术创新,为高端自动化装备提供先进驱动解决方案。

  主营产品为LMU无铁芯直线电机系列、LMT有铁芯直线电机系列、力矩电机系列、直线

  深圳市盛泰奇科技有限公司成立于2011年,是一家聚焦于伺服电机、直线电机、力矩电机、精密模组以及配套使用的编码器和驱动器等产品的国家高新技术企业,凭借多年持续的研发投入和市场拓展,盛泰奇科技现已成为中国工业自动化传动(控制)行业中研发实力较强、产品系列配套全、产销规模大、市场占有率高的领导厂商之一。

  产品已大范围的应用于3C、半导体、锂电池、激光切割、新材料等领域的人机一体化智能系统设备。

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  一、项目概述 1.1 引言 电机是工业生产必不可少的动力设备,电机的品种很多,作用也相当广泛。直线开关磁阻电机时一种新型的牵引电机。其主要有以下优点:结构相对比较简单,制作成本不高。工作稳定且能够在恶劣的环境下长时间正常工作,比如高温环境,开关磁阻电机有较好的散热性能,可以在高温下正常工作。随着电力电子技术的发展,开关磁阻电机控制将会变得更容易并且控制效果更好。这种电机启动转矩大,过载能力强,调速范围广。直线开关磁阻电机除了具有以上优点以外,在一些需要做直线运动的场合,它显示出了强大的优越性:再也不需要像传统的做直线运动的装置那样,通过丝杆等传动装置将旋转的运动转化为直线运动。这样再一次的将中间环节给节省下来了,不仅降低了设备的成本

  高精度位置控制 /

  如今,在科技的浪潮下,机械设备的智能化发展慢慢的变成了一种必然趋势,这使得高能效的电机控制设计面临着严峻的挑战。与此同时,随着电子科技类产品精细化发展的新趋势显著,能够在体积和成本双重受限的状况下,还能保持长时间运行且安全可靠的电机控制设计更是难上加难。 为缩短客户的研发时间,减轻客户的研发难度,瑞萨电子推出了使用旋转变压器的电机控制方案,该方案提供了具有旋转变压器位置控制功能的步进电机设计和可选的BLDC电机设计,集成了一个带内置旋转变压器的马达、MCU、旋转变压器、数字转换器、电机驱动器,以及用于电机和控制电路的电源IC,不仅仅具备极高的性能,而且高集成度和紧凑的设计,也可使其应用于体积受限的应用中。 系统框图 MCU选型 本方案采用

  控制设计 /

  近年来,随着直线电机技术的日趋完善,已广泛地应用于工业、民用、军事及其他各种直线运动的场合。与传统的传动方式相比,直线电机的“直接驱动”方式具有更高的动态特性和控制精度,更高的进给速度和加速度,更长的常规使用的寿命,以及更低的振动噪声和更小的磨损。这些特性使其在数字控制机床领域的应用快速地发展,而激光切割作为无切削力加工,采用直线电机进给驱动有着无可比拟的优势。 一、直线电机的原理 直线电机是指一种利用电磁感应原理,将电能直接转换成直线运动动能的驱动装置,它是一种能实现往复直线运动的电动机。全世界第一条商业运营线的磁悬浮列车——上海磁浮列车就是采用此原理实现的。 直线电机原理 大族激光精密机电LMCF系列平板直线电

  在高功率激光切割机中的应用 /

  及其控制 (寇宝泉,程树康编著)

  设计(第2版) (陈世坤)

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