混合式和永磁式直线步进电机的效率和性能比较

2016-2-23

  经常,海顿的客户会电话咨询我们为什么43000的混合式直线步进输入功率是7w但性能却比输入功率是10W的46000永磁式直线步进电机更好?


  问题的答案是电机自身的效率。混合式电机的平均效率大约为65%,而永磁式电机的效率大约是25%。效率差异的主要原因有以下两个:
  第一个原因是混合式电机采用的是硅钢叠片定子总成(见图1),相比于永磁式电机的低碳钢冲压成形的定子总成,混合式电机的叠片定子具有更小的涡流损耗并且叠片结构中的硅钢材料能减少磁滞损耗;所以混合式直线电机的整体铁损要小于永磁式电机,因此混合式电机的效率更高。同时,混合式电机的步距角是1.8度或者0.9度,对比于永磁式电机的步距角15度或者7.5度,将每步的分辨率提高到整步0.000060英寸[0.001524mm],对比于0.00025英寸[0.00635mm],混合式电机具有更好的定位性能。


  图1:硅钢叠片定子总成和低碳钢冲压成形总成
  第二个原因是电机的磁回路。混合式电机的结构使得其定转子的气隙为永磁电机的1/2左右。典型的混合式电机的设计气隙是0.003~0.004英寸(0.0762~0.01016mm),相比于永磁式电机的气隙0.007~0.008英寸(0.1778~0.2032mm)。更小的气隙提供更高效率的磁力耦合,从而得到更高的力矩。见图2.
  Size 17(43000)单叠厚的混合式电机和46000永磁式电机,对应7W和10W的输入功率,相同丝杆,同样的线性速度下的性能对比曲线,混合式的电机较高


  图2混合式和永磁式电机的气隙比对
  除了上述效率优势以外,相比较于永磁式电机,混合式电机还有其他以下优势:
  1,直线步进电机在定位应用场合特别有优势,因为控制器每发一个脉冲,电机就转动一步。运动的分辨率取决于丝杠的导程和电机的步距角。混合式电机1.8度或者0.9度的步距角(VS典型永磁式电机的15度或者7.5度步距角)将分辨率提高到整步0.000060英寸[0.001524mm],相比较于永磁式电机的整步0.00025英寸[0.00635mm],混合式电机具有更好的定位性能。
  2,在很多应用场合电机的安装对整个系统的性能起到至关重要的作用。混合式电机的前端盖上有一个和电机轴承同心的定位凸台,在安装时可更好的在机构上将电机定中心。见图3


  图3:定位凸台有利于安装的同心度
  3,混合式电机可以更便捷的安装编码器,从而达到闭环控制的目地。因为混合式电机采用的金属转子轴,可以加工到更精密的尺寸公差,更好的与编码器码盘安装,减小跳动并能使用更高分辨率的码盘。
  4,不改变电机尺寸而提高输出性能是很多场合应用的需求。同样法兰尺寸的混合式电机可通过改变整体电机厚度来提供几种不同的输出功率。而永磁式电机则需要重新调整并设计整套模具,需要比较大的模具费用投入。
  综上所述,相比较于永磁式电机,混合式电机具有更高的效率,源于其更小的铁损,更小的定转子气隙以及更高的输出功率密度。这些性能特点也确实影响到了成本;在适配的推力、速度和分辨率要求下,永磁式电机是可行的低成本解决方案。
  如果你的应用需求的较高的重复精度,高分辨率,要求高速稳定性,或者定制高效率的模组,海顿科克的混合式电机是满足您要求的理想解决方案。
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