Полные ступени линейного двигателя, включая опорную плиту, линейный двигатель, линейные направляющие, энкодер и элементы управления.

За последние несколько лет популярность линейных серводвигателей с прямым приводом значительно возросла, отчасти благодаря требованиям конечных пользователей к более высокой производительности и большей точности. И хотя линейные двигатели чаще всего известны своей способностью обеспечивать сочетание высоких скоростей, длинных ходов и превосходной точности позиционирования, что невозможно с другими приводными механизмами, они также могут обеспечивать чрезвычайно медленное, плавное и точное движение. Фактически, технология линейных двигателей обеспечивает такой широкий диапазон возможностей — силу тяги, скорость, ускорение, точность позиционирования и повторяемость — что существует мало приложений, для которых линейные двигатели не являются подходящим решением.

Варианты линейных двигателей включают линейные серводвигатели, линейные шаговые двигатели, линейные асинхронные двигатели и линейные двигатели с упорной трубой. Если линейный серводвигатель является лучшим вариантом для конкретного применения, при первоначальном выборе двигателя следует учитывать три вещи.

«Основное» соображение: железный сердечник или безжелезный?
Линейные серводвигатели с прямым приводом бывают двух основных типов: со стальным сердечником и без сердечника, в зависимости от того, смонтированы ли обмотки в первичной части (аналог статора в роторном двигателе) в пакете железных пластин или в эпоксидной смоле. Решение о том, требуется ли для приложения железный сердечник или линейный двигатель без сердечника, обычно является первым шагом при проектировании и выборе.

Линейные двигатели с железным сердечником лучше всего подходят для применений, требующих чрезвычайно высоких осевых усилий. Это связано с тем, что пластинка первичной части содержит зубцы (выступы), фокусирующие электромагнитный поток в сторону магнитов вторичной части (аналог ротора в роторном двигателе). Это магнитное притяжение между железом в первичной части и постоянными магнитами во вторичной части позволяет двигателю развивать большие силы.

Линейные двигатели без сердечника обычно имеют меньшую силу тяги, поэтому они не подходят для чрезвычайно высоких требований к тяге, возникающих в таких приложениях, как прессование, механическая обработка или формование. Но они превосходны в высокоскоростной сборке и транспортировке.

Недостатком конструкции с железным сердечником является заедание, ухудшающее плавность хода. Заедание происходит потому, что конструкция первичной части с прорезями заставляет ее принимать «предпочтительные» положения при движении вдоль магнитов вторичной части. Чтобы преодолеть тенденцию первичной обмотки выравниваться с магнитами вторичной обмотки, двигатель должен создавать большую силу, что вызывает пульсации скорости, называемые зубцами. Такое изменение пульсаций силы и скорости ухудшает плавность движения, что может стать серьезной проблемой в приложениях, где важно качество движения во время перемещения (а не только точность окончательного позиционирования).

Существует множество методов, которые производители используют для уменьшения заедания. Один из распространенных подходов — исказить положение магнитов (или зубов), создавая более плавные переходы, когда первичные зубы проходят через вторичные магниты. Аналогичного эффекта можно добиться, изменив форму магнитов на вытянутый восьмиугольник.

Другой метод уменьшения зубцов называется дробной намоткой. В этой конструкции первичная обмотка содержит больше зубьев пластин, чем магнитов во вторичной, а стопка пластин имеет особую форму. Вместе эти две модификации устраняют силы зацепления. И, конечно же, программное обеспечение всегда предлагает решение. Алгоритмы предотвращения задержек позволяют сервоприводам и контроллерам регулировать ток, подаваемый на первичную обмотку, так, чтобы изменения силы и скорости были сведены к минимуму.

Линейные двигатели без железа не подвержены зазубринам, поскольку их первичные катушки залиты эпоксидной смолой, а не намотаны на стальную пластину. А линейные серводвигатели без железа имеют меньшую массу (эпоксидная смола легче, хотя и менее жесткая, чем сталь), что позволяет им достигать одних из самых высоких значений ускорения, замедления и максимальной скорости, встречающихся в электромеханических системах. Время стабилизации обычно лучше (меньше) для двигателей без сердечника, чем для версий с железным сердечником. Отсутствие стали в первичной обмотке и связанное с этим отсутствие зубцов или пульсаций скорости также означает, что линейные двигатели без железа могут обеспечивать очень медленное, устойчивое движение, обычно с изменением скорости менее 0,01 процента.

Какой уровень интеграции?
Как и роторные двигатели, линейные серводвигатели являются лишь одним из компонентов системы движения. Полная система линейного двигателя также требует подшипников для поддержки и направления нагрузки, прокладки кабелей, обратной связи (обычно линейный энкодер), а также сервопривода и контроллера. Высококвалифицированные OEM-производители и производители машин, а также те, у кого есть уникальные требования к конструкции или производительности, могут создать полную систему с собственными возможностями и готовыми компонентами от различных производителей.

Проектирование системы линейного двигателя, возможно, проще, чем проектирование систем, основанных на ремнях, реечных шестернях или винтах. Меньше компонентов и меньше трудоемких этапов сборки (нет центровки опор ШВП и натяжения ремней). А линейные двигатели являются бесконтактными, поэтому разработчикам не нужно беспокоиться о смазке, регулировке или другом обслуживании приводного устройства. Но для тех OEM-производителей и машиностроителей, которые ищут решение «под ключ», существует множество вариантов полноценных приводов с линейным приводом, высокоточных ступеней и даже декартовых и портальных систем.

Подходит ли окружающая среда для линейного двигателя?
Линейные двигатели часто являются предпочтительным решением в сложных условиях, таких как чистые помещения и вакуумные среды, поскольку они имеют меньше движущихся частей и могут быть соединены практически с любым типом линейных направляющих или кабельной системы для удовлетворения требований к образованию частиц, дегазации и температуре. приложение. А в крайнем случае вторичная часть (магнитная дорожка) может использоваться в качестве движущейся части, а первичная часть (обмотки, включая кабели и кабельный уклад) остается неподвижной.

Но если окружающая среда будет состоять из металлической стружки, металлической пыли или металлических частиц, линейный серводвигатель может оказаться не лучшим вариантом. Это особенно актуально для линейных двигателей с железным сердечником, поскольку их конструкция по своей сути открыта, в результате чего дорожка магнита подвергается загрязнению. Полузакрытая конструкция линейных двигателей без железа обеспечивает лучшую защиту, но следует позаботиться о том, чтобы паз во вторичной части не подвергался прямому воздействию источников загрязнения. Существуют варианты конструкции корпуса как линейных двигателей с железным сердечником, так и линейных двигателей без сердечника, но они могут снизить способность двигателя рассеивать тепло, потенциально меняя одну проблему на другую.