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【技术】外部驱动直线电机的结构与选型

直线步进电机,又称线性步进电机,是由磁性转子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动,直线步进电机在电机内部把旋转运动转化为线性运动。直线步进电机可以直接做直线运动或直线往复运动,如果以旋转电机作为动力源,转变成直线运动,需要借助齿轮、凸轮结构及皮带或钢丝等机构。直线步进电机的首次推出是1968年,下图是一些典型的直线步进电机。



这样做的结果是大大简化了设计,使得在许多应用领域中能够在不安装外部机械联动装置的情况下直接使用直线步进电机进行精密的线性运动





外部驱动直线电机的结构


下图所示为外部驱动直线电机的基本结构:




直线步进电机与旋转电机比较,能直接直线运动,可以使机器小型化,使设计更简洁。



外部驱动直线电机的基本原理


外部驱动直线步进电机的转子为永磁体,当电流流过定子绕组时,定子绕组产生矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一定角度,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲,电动转子就会转动一个角度并前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序,电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。


电机以螺杆作为出轴,在电机外部通过一个外部驱动螺母和螺杆相啮合,采取某种方式防止螺杆螺母相对转到,从而实现直线运动。这样做的结果是大大简化了设计,使得在许多应用领域中能够在不安装外部机械联动装置的情况下直接使用直线步进电机进行精密的线性运动。



外部驱动直线电机的优势


精密的直线丝杆步进电机,可以在某些场合替代气缸,实现定位精确,速度可控,精度高等优点。直线丝杆步进电机被广泛应用于包括制造、精密校准、精密流体测量、精确位置移动等诸多高精度要求领域。


高精度,重复定位精度可达±0.01mm

直线丝杆步进电机因传动机构简单减少了插补滞后的问题,定位精度、重复精度、绝对精度,通都会较“旋转电机+丝杠”高,且容易实现。直线丝杆步进电机普通丝杆的重复定位精度可达±0.05mm,搭配滚珠丝杆重复定位精度可达±0.01mm。


 高速度,最高可达300m/min

从速度上和加速度的对比上,直线丝杆步进电机具有相当大的优势,直线丝杆步进电机速度可达300m/min,加速度10g;滚珠丝杠速度为120m/min,加速度为1.5g。而且直线丝杆步进电机在成功解决发热问题后速度还会进一步提高,而“旋转伺服电机 & 滚珠丝杠”在速度上却受到限制很难再提高较多。


 高寿命,维护简单

直线丝杆步进电机因运动部件和固定部件间有安装间隙,无接触,不会因动子的高速往复运动而磨损,长时间使用对运动定位精度无变化,适合高精度的场合。滚珠丝杠则无法在高速往复运动中保证精度,因高速摩擦,会造成丝杠螺母的磨损,影响运动的精度要求,对高精度的需求场合无法满足。



外部驱动直线电机的选型


在做直线运动相关产品或解决方案时,我们建议工程师们要重点考虑以下几点:




1.系统的负荷是多少?

系统的负荷包括静负荷和动负荷,往往负荷的大小决定了电机的基本尺寸。

静负荷:丝杆静止状态下可承受的最大推力。

动负荷:丝杆处于运动状态下可承受的最大推力。


2.电机的直线运行速度是多少?

直线电机的运行速度与丝杆的导程紧密相关,丝杆旋转一圈则螺母前进一个导程。低速度宜选择导程较小的丝杆,高速度宜选择较大的丝杆。


3.系统的精度要求是多少?

丝杆精度:一般以线性精度来衡量丝杆精度,即丝杆旋转苦干圈后实际行程与理论行程的误差。

重复定位精度:重复定位精度为系统能够重复到达指定位置的精度定义,对系统是一个重要的指标。

背隙:背隙的丝杆和螺母静止时两者轴向的相对可移动量。随着工作时间的增加,由于磨损也会导致背隙增加。背隙的补偿或校正可由消间隙螺母来实现。当需要双向定位时,背隙是需要被关注的。


4.其他的选择

在选型时还需要考虑以下问题:直线步进电机的安装是否符合机械结构设计?您将如何将运动物体与螺母相联?丝杆的有效行程是多少?匹配什么样的驱动?




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