永磁同步直线电机检测系统研究

滕鹏飞 李希明

摘 要：本文在综述直线电机的原理、分类和目前国内相关标准现状后，提出了针对永磁同步直线电机的检测系统。在分析此类电机的特点后，给出了系统的参数和指标。利用光栅尺、力传感器、热电偶、工控机和上位机软件构建了检测系统。本文详细描述了系统的搭建方案、硬件设备、软件功能。本系统可以实现电压、电流、功率、推力、定位精度、温升等参数的测量，同时可以实现信号的采集、数据处理、数据判断，最终检测完成后打印出具检测报告。系统的研究为检测机构对永磁同步直线电机的检测和相关标准的制定提供了有力支撑。

关键词：永磁同步直线电机，检测系统，光栅尺，热电偶

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.21.038

基金项目：本文受浙江方圆检测集团股份有限公司自立科技项目（项目编号：ZL202201）资助。

Research on Test System of Permanent Magnet Synchronous Linear Motors

TENG Peng-fei LI Xi-ming

（Zhejiang Fangyuan Test Group Co.， Ltd.）

Abstract： After summarizing the principle， classification and current situation of domestic standards on linear motors， the paper puts forward a test system for permanent magnet synchronous linear motors. By analyzing the characteristics of this kind of motor， the paper gives the parameters and indexes of the system， and constructs the test system grating ruler， force sensor， thermocouple， industrial personal computer and upper computer software. This paper describes the system construction scheme， hardware equipment and software functions in detail. This system can realize the measurement of voltage， current， power， thrust， positioning accuracy， temperature rise and other parameters， and can realize signal acquisition， data processing， data judgment， and print test reports at last. The research on the system provides a strong support for the test of permanent magnet synchronous linear motors and the development of relevant standards.

Keywords： permanent magnet synchronous linear motor， test system， grating ruler， thermocouple

0 引 言

直線电机可以理解为一台按照径向剖开，展开成平面的旋转电机。它的一大特点就是将传统电机的旋转运动直接转换成直线运动，从而去除了中间的传动装置。直线电机的原理也较简单，它的初级绕组可以等效为旋转电机的定子，次级绕组可以等效为转子。当初级绕组通电后，气隙中会产生磁场。次级绕组切断磁场，则产生了感应电动势和感应电流，继而产生了推力。直线电机的初级绕组一般固定，此时次级绕组则会在推力的作用下产生直线运动。

直线电机一般可分为5种，即直线感应电机、直线同步电机、永磁同步直线电机、双馈直线异步电机、直线开关磁阻电机。直线感应电机的结构简单，经济性好，所以最开始在中低速轨道交通中得到一定的应用。直线同步电机也可称为双边激磁电机，结构较复杂，但是因为存在功率因数高、效率高的优势，所以适合制成大气隙、高功率的电机。通常这种电机应用在磁悬浮列车中。永磁同步直线电机优势在于单边激磁、磁场密度高。缺点是成本较高，弱磁场环境下，不易调节磁通量。近年来随着控制技术的不断发展迭代[1]，控制精度不断提升，在需要高精度定位、频繁快速移动的场合中，有着巨大的应用前景。双馈直线异步电机可以双边激磁，存在调速性能好，功率因数较高的优势，主要应用于车辆上。直线开关磁阻电机前景良好，但是目前阶段还存在功率密度不高，控制成本较高的缺点。

近年来，随着我国工业自动化水平的不断提升，高精度智能制造已经成为产业升级的必经之路。在数控机床、机器人手臂、高端医疗器械等应用场景中[2]，永磁同步直线电机以其高精度控制、高效率作业、较好的经济性，正逐步取代由“旋转电机和滚珠丝杆”组合而成的传统驱动系统。由于去除了中间环节，所以传动机构可以轻松实现减少磨损、压缩体积等以往难以实现的目标。这类电机整体结构如图1所示。

目前国内针对永磁同步电机的国家标准和行业标准有不少，大致可以分为几类：（1）永磁同步电机的通用标准，如GB/T 22669-2008《三相永磁同步电动机试验方法》、GB 30253-2013《永磁同步电动机能效限定值及能效等级》；（2）永磁同步电机在具体的行业领域内的专用标准，如GB/T 25303-2010《纺织专用高效率永磁同步电动机技术条件（机座号90～225）》、GB/T 25389.1-2018《风力发电机组永磁同步发电机 第1部分：技术条件》；（3）团体标准，如T/ZZB 0746-2018《变频空调压缩机用永磁同步电动机》、T/ZZB 2155-2021《电梯用永磁同步门机》等。但是这些标准都有一个共同的特点，即针对永磁旋转电机制订的标准，并不是针对永磁同步直线电机制定的标准。

同时针对直线电机的标准很少，只有2部，即GB/T 34115-2017《永磁式直线电动机通用技术条件》和JB/T 13218-2017《工业机械数字控制系统用直线电动机》。前者针对永磁式直线电动机制定了标准，但是并没有根据永磁同步电机的特点和数控机床的实际需求去进行专门的制定，同时也没有给出定位精度、重复定位精度等重要参数的测量方法和技术要求。后者是针对所有直线电机制定的标准，所以没有结合永磁同步电机的特点去细化要求，尽管标准写明了适用场景，但遗憾的是依然没有给出定位精度等相关信息。

综上所述，由于国内暂时还没有出台一套专门针对数控机床等使用场景的永磁同步直线电机标准规范。所以目前各个企业推出的永磁同步直线电机种类和数量众多，尺寸和性能参数也各异。同时国内很少有检测机构开发专门针对此类电机安规和性能的检测装置。综上所述，急需研制相应的检测装置来满足国内生产厂和客户的检测需求，也能为国家标准和行业标准的建立积累经验。

1 检测系统总体方案

通常检测系统研究过程中，被测样品的类型、测量参数的数量和精度等级、测量范围等都决定了系统的复杂程度和开发研制成本[3]。本系统旨在研究一套检测装置可以对运用在小型加工机械臂中的永磁同步直线电机进行安规和性能检测。所以需要考虑的性能参数可确定为峰值推力在1000 N以内，行程在700 mm以内。因此系统检测的性能参数包括定位精度、推力、电压、电流、功率、功率因数；安规参数包括电机绕组温度、温升。

系统的搭建由硬件和软件两部分组成。硬件主要实现对样品的性能参数和安规参数进行检测。软件部分主要实现信号采集、显示、处理、打印报告等一系列功能，建立信号分析处理方法，编写测试系统主界面。具体搭建方案见图2。

2 检测系统的硬件搭建

永磁同步直线电机检测系统的硬件部分包含了电参数检测、推力检测、位移检测和温度检测四个子系统。

2.1 电参数检测子系统

电参数检测子系统主要采用单相数字功率计来实现。系统采用的WT210型功率计的电压量程为0～600 V，电流量程为5 mA～20 A，频率的测量范围为DC、0.5 Hz～100 kHz。永磁同步电机的输入的电压为220 V，频率是50 Hz，功率計在这个条件下，电压、电流和功率测量精度约为±0.1%，功率因数测量精度约为±0.002。此款功率计能满足系统的电参数测量需求。

2.2 推力检测子系统

推力检测主要由压力传感器LH-S09F和力显示控制仪表LH-PT930组成。LH-S09F根据平衡电桥原理，可对0～2000 N以内的压力进行测量，同时具有±0.05% FS的精度和2 kHz的采样频率。同时LH-PT930的非线性误差≤0.002% FS，A/D转换速率为1600次/秒。两者的结合可以满足测量需求。同时控制仪表可以将数据通过RS232信号线，传输到上位机中，提高了自动测量水平。系统对推力进行检测的示意图如图3所示。

2.3 位置检测子系统

考虑到永磁同步直线电机的运行速率较快，一般可达2 m/s。所以子系统采用了非接触式、增量式光栅系统RGH24。光栅尺的读数头精度可以到0.5μm，最高速度可到3 m/s。而光栅尺利用环氧胶粘合的方式，可以将尺子直接贴合到直线电机上，不受电机温度波动的影响。

2.4 温度检测子系统

温度检测子系统主要利用K型热电偶和温度巡检仪实现。型号为MV2020的巡检仪可以同时对20路通道的热电偶信号进行测量，精度可到±0.1℃，每个通道的采样速率为40次/秒。

3 检测系统的软件搭建

永磁同步直线电机检测系统的软件部分主要实现以下功能：（1）自动/手动采集数据；（2）可对安规参数和性能参数进行显示、结果判定；（3）可对历史数据进行查询；（4）对检测报告进行打印；（5）对用户进行管理。

3.1 采集数据子系统

在数据采集界面中，可以选择“手动采集”或“自动采集”。当选择“手动采集”后，检测页面中需要采集的数据由人工输入。当选择“自动采集”后，检测页面中，需要采集的数据会从端口自动采集得到。

3.2 检测子系统

页面主要显示了检测数据信息，如：光栅位移、电机设定位移、允差、光栅重复位移、电机重复设定位移等参数信息。其中需要采集的数据有：（1）光栅位移、（2）光栅重复位移、（3）电机定子温度、（4）环境温度、（5）电机输入电压、（6）电机输入电流、（7）推力、（8）电机输入功率、（9）功率因数。需要输入的设定数据有：（1）电机设定位移、（2）允差、（3）电机重复设定位移、（4）温升限值。软件根据采集的数据和设定的数据进行计算后给出的结果有：（1）判定结果、（2）温升。如图4所示。当电机行程超过限值后，圆形图标还会显示红色进行提醒。

3.3 查询子系统

该子系统主要包括了查询历史测试信息和电机的基础信息。在“查询”界面中，显示历史测试信息，包括电机名称、型号、厂家、序列号、测试时间等信息，也可对针对指定的日期内的数据进行查询。在“信息录入”页面中，需要录入被测电机的基本信息。

3.4 报告打印子系统

在该界面下可以选择需要的历史检测数据进行打印。

3.5 用户管理子系统

在该界面下可以对软件的用户进行管理，包括新增用户、保存用户列表、删除用户、重置用户密码等。

4 结 语

永磁同步直线电机具备高精度、高速度、无中间传动机构的优势，随着我国制造产业的升级，越来越得到重视和运用。近些年来，国内厂家的新产品不断涌现，迅速降低了产品的采购成本，同时带动国外进口产品不断降价。成本和性价比与日俱增，进一步推动了它的普及。本文搭建了对于永磁同步直线电机电压、电流、功率、功率因数、定位精度、推力、温升等重要参数进行检测的系统。本系统具有测量准确、自动化程度高、扩展性好的特点。本系统的搭建为检测机构对于直线电机的检测研究提供了有力支撑。

参考文献

[1]孙建国，武帅，赵阳.永磁同步直线电机驱动控制技术研究[J].南方农机，2022，53（11）：127-130.

[2]赵建.位置检测单元与直线电机一体化设计与研究[D].重庆：重庆理工大学，2019.

[3]杨树国，石忠东，穆欣赏.直线电机测试系统开发及性能分析[J].微特电机，2007（6）：19-21.

作者简介

滕鹏飞，硕士，高级工程师，研究方向为电机检测系统和检测装备。

（责任编辑：袁文静）