PIMag磁性直接驅動器

音圈電機、線性電機和力矩電機

高精度
高動态性
高驅動力,即高力矩
緊湊設計的大行程
即使在高工作循環下依然具有較長的使用壽命
個性化設計的性能特性

音圈電機、線性電機或力矩電機等驅動器均為電磁直接驅動器。在直接驅動器中,驅動器元件的力直接傳遞至要移動的負載(例如,傳遞至無聯接器、傳動螺杆或減速齒輪等機械傳動元件的線性或旋轉工作台)。電磁直接驅動器由電流通過時将形成磁場的繞組體(線圈)和安裝有磁體的載體或磁性組件組成。

用于加速負載的力或力矩由洛倫茲力生成。該力與磁場強度和通過載流導體的電流成正比。電能在此處轉換為機械能。産生的力可根據電流方向雙向作用。原則上,可以移動繞組體(“可動線圈”)或磁性組件(“可動磁體”)。可動部件稱為從動件,靜止部件稱為主動件。


PI提供多種配備磁性直接驅動器的标準和客戶特定的定位解決方案;公司還在設計、構建和制造必需的系統組件(如導軌、傳感器、控制技術和軟件)方面有着多年的經驗。如果定位系統需要使用市場上現有的驅動組件無法實現的特定性能特性(例如實現高力密度或緊湊設計),則PI還可以開發專有的磁性電機。這些内部開發的專有電機由PIMag品牌名稱标識,使用這些PI電機的定位系統由由PIMag驅動徽标标識。


音圈電機

緊湊安裝空間中的高電機常數
高動态
高力

音圈驅動器為單相電機,由位于磁場氣隙中的永磁體和繞組體組成。當電流流過繞組體時,繞組體在永磁體的磁場中移動。當構建矩形扁平形狀時,可實現特别緊湊的尺寸

圓柱形音圈是根據柱塞線圈原理構造而成的(即,線圈位于場組件中)。可以移動繞組體或場組件。利用所謂的多線圈原理,可以在緊湊的安裝空間中優化圓柱形音圈電機的電機常數,例如,甚至可以實現帶有空心軸的解決方案。音圈驅動器适用于需要高精度高動态高速度的掃描應用,行程長達十毫米

還可以針對電機常數優化音圈。電機常數表示力與功率損耗的比率。電機常數越高,生成一定力時産生的熱量越少。該常數表示将電能轉換為動能的電機效率。随着溫度的升高,繞組電阻增加,因此功率損耗也随之而增加,這就是電機常數與溫度相關的原因。

由于線圈沿行程相對于永磁體移動,因此該力取決于位置。為了盡可能快地将力驅動到電機中,可以提高電壓,因為然後相應更快地獲得電流。加速度以相同的比率增加。因此,通過快速增加加速度(加加速度),可以實現高動态應用。例如,圓柱形電動機用于定位解決方案以進行聚焦任務,以便垂直地或在内窺鏡中動态地移動測量頭光學系統


線性電機

傳統的三相線性電機基本上是一系列至少三個(或三個的倍數)音圈電機。可以根據位置相關的固定模式(即換相)來控制各個線圈。線性電機可适用于較高或較低的進給速度。電機可以準确地在低于0.1微米/秒至高于5米/秒的速度範圍内工作。與空氣或磁性軸承相結合,可實現低至數納米的位置分辨率

可選地,在真空下,PI可以在其線性電機上使用特種環氧樹脂。這可以改善散熱,從而可實現更高的公稱力。此外,密封化合物确保了電機密封性,因此可防止外部損壞(例如在裝配期間)。對于需要高速度快速電流上升時間的應用,PI可設計高達600 VDC工作電壓的電機。

PI線性電機中使用的磁軌有各種長度可供選擇,可将其串聯連接,以實現任何所需的行程。可提供單邊U形磁軌。
U形磁軌實現了比單邊磁軌更高的磁場強度,因此具有更高的力。如果磁體另外排列為Halbach陣列,則與磁北極到磁南極排列相比,磁場強度可以增加約10%。此外,可以在Halbach陣列中省略鐵墊片,從而使這些磁軌明顯更輕。使用Halbach陣列的優點同樣适用于單邊磁軌。在這種情況下,使用Halbach陣列可以較大限度地減少後側的雜散場。PI為需要輕磁軌的應用提供碳載體。

鐵芯線性電機

高力密度
高動态性
緊湊的安裝空間

在鐵芯電機中,線圈組的芯體由鐵制成。鐵可以較大限度地增加磁力,并且有助于實現高力密度高熱穩定性。為了減少渦流損耗,鐵芯采用層疊狀結構且主要由堆疊并絕緣的變壓器片制成。
線圈組中的鐵芯使得線圈組與磁性組件之間産生吸引力,從而導緻齒槽效應的發生,并進而導緻進給力在行程範圍内波動。專門設計的緣齒可優化齒槽效應。鐵芯線性電機适用于需要大力和高加速度且安裝空間受限的應用。

無鐵芯線性電機

緊湊的結構高度
高速度穩定性
無齒槽效應

無鐵芯線性電機的繞組體沒有鐵芯。這意味着線圈與磁性組件之間無吸引力,并且不會發生齒槽效應。沒有鐵芯還降低了電機本身的重量。由于沒有影響導軌和進給速度的齒槽效應,并且繞組體更輕,因此無鐵芯電機具有高行程精度高速度穩定性高加速度的特點。通過增加電機線圈的數量或尺寸可以滿足功率動态性要求。在大多數情況下,無鐵芯電機可以比鐵芯電機實現更低的公稱力和峰值力。這是由于設計中缺少導熱金屬以及由此造成的線圈散熱有限所緻。因此,應借助于溫度傳感器保護電機免于過載。
無鐵芯線性電機适用于在緊湊的安裝空間中需要高動态性且對精度具有較高要求的應用。


力矩電機

緊湊的結構高度
大孔徑
高力矩密度

原則上,力矩電機是一種沿徑向布置的線性電機。力矩電機的定子包含線圈且牢固安裝;轉子包含磁性組件。當磁體長度呈線性變化時,力矩變化量與直徑成平方關系。因此,在大直徑上會産生大力矩。此外,大的徑向尺寸使得可以形成用于激光束或電纜通過的孔徑。

由于直接驅動原理,力矩電機無空回。零遊隙允許高定位精度和高傳動剛性,因此可實現高重複精度。高驅動力矩可實現高加速度,因此具有高動态性。其他功能包括高抗扭剛度高峰值力矩高效率以及非常平穩的運轉

此外,得益于其在力矩和旋轉對稱性方面的緊湊型設計,力矩電機适用于單軸或多軸組件上的高負載轉台。


位置、速度和力控制

由于磁性直接驅動器由電流控制,驅動力與電流呈線性相關,因此其操作不僅可以基于位置或速度控制,也可以基于力控制。
力控制允許以規定的保持力或進給力進行操作。可以在雙控制回路中單獨或同時讀取力和位置傳感器的值。除了純力控制,還可選擇次級的位置和速度調節。自動調零功能可定義在開環操作期間驅動器産生0牛頓力的保持電流。


重力補償重力補償

垂直安裝的磁性直接驅動器必須保持運動平台和施加的負載不受重力影響。這可以通過重力補償來實現。該方法适合于負載,即使無電機力,也可以将要移動的組件保持到位。這會使電機力專門用于定位任務。可以通過磁力、氣動或機械方式補償重力。PI根據所需的性能特性而采用不同的方法。


産品

下載

白皮書

PIMag:内部開發的音圈電機、線性電機和力矩電機

版本/日期
WP4018E 2019-06
版本/日期
WP4018D 2019-06
文件語言
pdf - 820 KB
pdf - 951 KB
白皮書

用于精密定位的旋轉電機

不同電機類型的應用對比
版本/日期
WP4016E 2018-11
版本/日期
WP4016D 2018-11
文件語言
pdf - 1 MB
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