直线电机在机床行业的应用

文:编辑部2022年第二期

在近期举办的中国运动控制/直驱技术产业发展高峰论坛上,长沙一派直驱科技股份有限公司直驱电机事业部技术总监兰志勇教授发表了《直线电机在机床行业的应用》的主题演讲,详细介绍了直线电机的技术特点,以及目前直线电机在数控机床行业的应用状况。


直线电机简介

直线电机的基本结构,可视为将传统伺服电机沿径向剖开,并将电机的圆周展开成直线,由定子演变而来的一侧称为初级,由转子演变而来的一侧称为次级。

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1 直线电机基本结构

与旋转电机的工作原理类似,直线电机也是利用电磁作用将电能转换成为运动动能。但在气隙中产生的磁场不是旋转的,而是呈直线正弦分布的、平移的,被称为行波磁场。

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2 电机行波磁场

 直线电机的基槽配合有很多种,从单元电机的角度来说,最简单有三槽两极、六槽五极、六槽七极、六槽八极甚至九槽八极等等类型,那么在什么应用领域,我们采用什么样的基槽配合是比较合理的,直线电机在机床上应用的时候有一个问题:即推力波动及在静态的情况下,上矢能后,如何让电机的抖动最小,这对于磁场的优化是非常关键的一个技术。

 直线电机的应用优越性包括:

l  无限行程;

l  优越的高速及低速性能,高速度达到1030m/s,超低速0.001mm/s

l  超常加速能力,加速度可达50g

l  运动平稳、无反向间隙;

l  高定位精度和重复精度。

 

直线电机的设计与工艺

要把电机做起来首先就得做电磁计算、机械设计,然后做工艺,最后再形成样机进行测试这样一个流程。实际上,真正的核心就是磁场的设计和计算这一块,国内企业在这一方面应该要加强。

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3 一款机床用直线电机主体结构

由于长沙一派直驱有数控机床的技术开发基础,十余年前就对数控机床里所用到的直线电机进行探索,近几年改变观念,对直线电机的工艺进行优化提升,不仅电机要保证客户需求,还要通过进行电机优化解决客户端所出现的问题。

对于直线电机在高精密伺服行业遇到最大的问题就是推力波动和速度波动,我们不能把问题全部都交给控制,实际上电机本身也可以做很多优化工作来达到整体性能的提升。

内部绕组的工艺设计中,绕组本身是整矩的,相与相之间相差120度,这一项已经申请了发明专利。另外,是电机的仿真,一派的产品在出厂之前,会把包括电磁、机械、工艺、散热全部要重新做仿真,这是它的持续推力,这个波型上可以看出,当在额定电流的情况下,电流加的顶子,电机的处理是抖动的,这就叫推力波动。有了这个推力波动就会导致电机的速度波动,可以用滑动控制ACMC,把它限定在一定的范围之内,在很多情况下,尤其是在数控领域的抖动是致命的,需要两方面结合才能把推力波动降到最小。

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4 一款机床用直线电机线圈绕组绕线方式

这是整体电机内部磁密的分布,很多情况下,电机水管的位置在哪里呢?现在直线电机里面,大多把水管放在槽底部,这是最简单的一种做法,放到槽底部。槽底部这个地方往往是最热的地方,所以我们也做了大量的工作,怎么样把电机最热的位置找到,并在这个地方去放铜管散热。经过一轮的优化之后,铜管还在,这两年我们也做了很多自动化的设备,铜管原来是人工去挖,现在是全自动化,铜管一进去再出来就已经成型了。这个设备摸索了将近差不多一年的时间,包括贴磁片,自动贴磁片的磁缸机等,目前测试已完成,如果投入使用,对于生产效率及精准度的提升将起到巨大的作用。

 

第三个工作就是我们针对不同类型的直线电机建立了通用的测试平台。从它常规的形式实验到客户所需要的数据均可提供,整个的实验体系非常完善。

直线电机在机床上的应用探讨

大推力的直线电机在机床行业包括数控机床里面到底能不能用?因为长沙一派在这个领域耕耘了20多年,所以在机床行业有很大的优势,看中了大推力直线电机在行业的应用。2021年,长沙一派在针对机床行业的直线电机,包括轻载型、重载型,大概研发了包括30款,明年会在机床领域全面铺开。

一派直驱开发的 ECK2150A采用高频响高精度直线伺服电机,最大加速度40g,重复定位精度 0.001mm,用于加工中凸变椭圆活塞时,尺寸精度5μm,轮廓精度5μmCmK1.67该技术可推广应用到凸轮、曲轴、多棱轴等非圆截面的数控加工,以及高精度数控机床。     

此外,一派直驱推出的国内最大推力平板直线电机,为国内首创,解决了国外技术封锁的问题,产品的主要技术指标达到了国际先进水平,可全面替代进口,主要应用于超大重载型高精度数控机床、大功率超快激光切割机等。

目前,一派直驱开发的直线电机系利被广泛用于多种数控机床领域,例如数控落地镗床、钻攻机床、双驱龙门平台等等,并可按照客户需求提供适合的直线电机技术解决方案,来替代原有的伺服+滚轴丝杆的方案,完全能够满足实际应用要求。


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