線性馬達原理

1、直線電機工作原理及其 驅(qū)動技術(shù)摘要：簡述了直線電機工作原理及其驅(qū)動技術(shù)，并且舉例說明了直線電機直 接驅(qū)動與傳統(tǒng)數(shù)控機床 旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠的傳動方式比照具有的巨大優(yōu) 勢。介紹了直線電機進給驅(qū)動技術(shù)在數(shù)控機床上的幾個應(yīng)用實例，指出直線電機 進給驅(qū)動技術(shù)將是高速數(shù)控機床未來開展的方向。引言隨著航空航天、汽車制造、模具加工、電子制造行業(yè)等領(lǐng)域?qū)Ω咝实剡M行 加工的要求越來越高，需要大量高速數(shù)控機床。機床進給系統(tǒng)是高速機床的主要 功能部件。而直線電機進給系統(tǒng)徹底改變了傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動方式存在的彈性 變形大、響應(yīng)速度慢、存在反向間隙、易磨損等先天性的缺點，并具有速度高、 加速度大、定位精度高、行程

2、長度不受限制等優(yōu)點，令其在數(shù)控機床高速進給系 統(tǒng)領(lǐng)域逐漸開展為主導(dǎo)方向。1直線電機及其驅(qū)動技術(shù)現(xiàn)代先進的驅(qū)動技術(shù)主要分為兩大類：一類為電磁式的，另一類那么為非電磁 式的。電磁類的現(xiàn)代先進的驅(qū)動技術(shù)主要由現(xiàn)代電磁類驅(qū)動器與現(xiàn)代控制系統(tǒng)組 成，它的驅(qū)動器包括傳統(tǒng)改良型的電磁驅(qū)動器與新開展型的電磁驅(qū)動器。它們中 有旋轉(zhuǎn)的、直線的、磁浮的、電磁發(fā)射的等等。除了在一般通用電機技術(shù)根底上 改良獲得的電機技術(shù)外，還有更多的是在通用電機技術(shù)根底上進一步開展的新型 電機技術(shù)，如直線電機技術(shù)、無刷直流電機技術(shù)、開關(guān)磁阻電機技術(shù)和各種新型 永磁電機技術(shù)等。直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能而不需通過中問任

3、何轉(zhuǎn)換 裝置的新穎電機，它具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、磨損少、噪聲低、組合性強、維護方便 等優(yōu)點。旋轉(zhuǎn)電機所具有的品種，直線電機幾乎都有相對應(yīng)的品種，其應(yīng)用范圍 正在不斷擴大，并在一些它所能獨特發(fā)揮作用的地方取得了令人滿意的效果。直線電機結(jié)構(gòu)示意圖如下列圖所示。直線電機是將傳統(tǒng)圓筒型電機的初級展開 拉直，變初級的封閉磁場為開放磁場，而旋轉(zhuǎn)電機的定子局部變?yōu)橹本€電機的初 級，旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子局部變?yōu)橹本€電機的次級。在電機的三相繞組中通入三相對 稱正弦電流后，在初級和次級間產(chǎn)生氣隙磁場，氣隙磁場的分布情況與旋轉(zhuǎn)電機 相似，沿展開的直線方向呈正弦分布。當(dāng)三相電流隨時問變化時，使氣隙磁場按 定向相序沿直線移動，這

4、個氣隙磁場稱為行波磁場。當(dāng)次級的感應(yīng)電流和氣隙磁 場相互作用便產(chǎn)生了電磁推力，如果初級是固定不動的，次級就能沿著行波磁場 運動的方向做直線運動。即可實現(xiàn)高速機床的直線電機直接驅(qū)動的進給方式，把 直線電機的初級和次級分別直接安裝在高速機床的工作臺與床身上。由于這種進 給傳動方式的傳動鏈縮短為0,被稱為機床進給系統(tǒng)的零傳動與旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠傳動方式相比擬，直線電機直接驅(qū)動有以下優(yōu) 點：1高速度，目前最大進給速度可達 100200m/min。2高加速度，可高達 2g10g。 定位精度高，由于只能采用閉環(huán)控制，其理論定位精度可以為0，但由于存在檢測元件安裝、測量誤差，實際定位精度不可能為0。最高

5、定位精度可達0.10.01m。 行程不受限制，由于直線電機的次級定子可以一段一段地鋪在 機床床身上，不管有多遠(yuǎn)，對系統(tǒng)的剛度不會產(chǎn)生影響。例如，美國Ci nci nn atiMilacro n 公司為航空工業(yè)生產(chǎn)了一臺 HyperMach大型高速加工中心， 主軸轉(zhuǎn)速為60000r/min，主電機功率為80kW直線進給采用了直線電機，其軸行 程長達46m工作臺快速行程為100m/min,加速度達2g。在這種機床上加工一個大型薄壁飛機零件只需30min;而同樣的零件在一般高速銑床上加工，費時3h;在普通數(shù)控銑床上加工，那么需8h,優(yōu)勢相當(dāng)明顯1。2直線電機在數(shù)控機床的應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)控機床經(jīng)過半個世紀(jì)的

6、開展，其加工速度和加工精度得到極大提高。其加工精度從最初的0.01mm到現(xiàn)在的1 pm,提高了 10000倍，加工速度那么從每分 鐘幾十毫米提高到每分鐘幾十米，提高了1000倍。機床技術(shù)水平的高速開展是機床自動化技術(shù)開展的結(jié)果，也是以 CNC為代表的先進制造技術(shù)對傳統(tǒng)機械制造業(yè) 的滲透，從而形成的機電一體化產(chǎn)品的結(jié)果2。數(shù)控機床采用直線電機驅(qū)動技術(shù)，克服了傳統(tǒng)驅(qū)動方式的許多缺陷，獲得了 極高的性能指標(biāo)和優(yōu)點。國外在高速加工中心上已廣泛應(yīng)用直線電機驅(qū)動，同時 也應(yīng)用到機床裝備的各個領(lǐng)域，使機床的各項性能大為提高。1993年德國Excell O公司在漢諾威國際機床博覽會上展出了世界上第一臺應(yīng)用直線

7、電機 驅(qū)動技術(shù)的HSC一 240型超高速加工中心，該機床最大快移速度為60m/min。日本 機床裝備開展迅猛，高檔機床大量采用直線電機驅(qū)動技術(shù)。早在1998年第十九屆JIMTOF上，就展出了 8臺直線電機作進給驅(qū)動的機床。 在2002年日本東京第二十 一屆JIMTOF機床展上23家公司展出了 41臺裝有直線電機的數(shù)控機床，包括加工 中心11臺3。目前，采用直線電機驅(qū)動技術(shù)的機床是日本機床生產(chǎn)商供給的主 流實用機床。歐美西方工業(yè)大國的機床制造廠商也大量應(yīng)用直線電機驅(qū)動技術(shù)， 著名的有 DMG Sodick、Kings bury、Anorad、Jobs 和 ForestLine 等公司。在 200

8、3年的意大利米蘭EMO2003I際機床展上，直接驅(qū)動已經(jīng)成為高性能機床的重 要技術(shù)手段，會展中德國DMG司展品多為直線電機驅(qū)動。大批高性能加工中心 采用了直線電機直接驅(qū)動技術(shù)。使用直線電機比用滾珠絲桿傳動的本錢已從10年前的高30%降低到目前只高15%-20%而且參展商普遍認(rèn)為用戶可以節(jié)省運行本錢20鳩上，從而可以及時收回附加投資。JOBS公司認(rèn)為有一半以上的機床采 用直線電機在技術(shù)上和經(jīng)濟上都是值得的4。國內(nèi)直線電機技術(shù)的研究始于 20世紀(jì)70年代，上海電機廠、寧波大學(xué)、沈 陽工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、浙江大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)等高校都做了 相關(guān)研究5-6，但未能實現(xiàn)真正應(yīng)用到高速機床上

9、，大推力、長行程的進給，不 是真正意義上的應(yīng)用在高速機床上的直線電機進給單元。清華大學(xué)機械學(xué)系制造 工程研究所研究的長行程永磁直線伺服單元額定推力1 500N，最高速度60m/min,行程600mm7。沈陽工業(yè)大學(xué)研究的重點擺在了永磁同步直線電動機的控制方式 及伺服系統(tǒng)8;在CIMT2003(中國國際機床展覽會)上，北京機電院高技術(shù)股份公 司、江蘇多棱數(shù)控機床股份展出了國產(chǎn)首批直線電機驅(qū)動的立式加工中 心(VS1250)，其X、丫軸采用了直線電機，最大進給速度 60m/s。采用直線光柵尺 反響，全閉環(huán)控制，定位精度高，穩(wěn)定性好。該加工中心采用了西門子840D系統(tǒng), 具有很高的可靠性與穩(wěn)定性9。

10、這些研究工作為直線電機技術(shù)在高速機床上的應(yīng) 用發(fā)揮了積極作用。目前在我國機床行業(yè)中，應(yīng)用直線電機進給系統(tǒng)的產(chǎn)品越來 越多。在CIMT2005上，作為全球最大的切削機床制造商之一的DW(公司，其產(chǎn)品中有1/3的采用了直線電機驅(qū)動技術(shù)，展出的DMC 75V linear精密立式加工中心所有進給軸都采用高動力性能直線電機驅(qū)動，良好動態(tài)特性的根底是采用了高度 穩(wěn)定的龍門結(jié)構(gòu)和經(jīng)優(yōu)化的高剛度床身，加速度高達2g，快移速度90m/min，從而可使生產(chǎn)率提高20%，該系列加工中心特別適合于模具加工10。2006年，德 國Zimmermanr公司推出了直線驅(qū)動龍門銑床 FZ38,直線電機驅(qū)動通過高因素獲 得高

11、水平的標(biāo)準(zhǔn)控制，使得即便是在高進給率的情況下仍能保持非常小的拖曳距 離和高定位精度11。DMGI出了 Sprint 65直線驅(qū)動機床，在置軸上加速度到達 g，快移速度40m/min12。在2007年4月的中國國際機床展(CIMT2007)上，直 線電機的應(yīng)用越來越廣泛，杭州機床集團推出了國內(nèi)首次使用直線電機 的平面磨床MUGK7120X5全球領(lǐng)先的運動控制解決方案提供商丹納赫傳動，在 現(xiàn)場的研討會中提到直接驅(qū)動電機近年來在國內(nèi)外都得到了客戶的廣泛認(rèn)可，它 改變了原有旋轉(zhuǎn)電機加絲杠的結(jié)構(gòu)，大大簡化了機械的設(shè)計，提高了工作效率3總結(jié)與展望直線電機驅(qū)動技術(shù)與數(shù)控機床制造的結(jié)合大大促進了世界制造業(yè)的開

12、展，大 大提高了加工精度和加工效率直線電機進給系統(tǒng)是一種能把電能直接轉(zhuǎn)換成直 線運動的機械能，且不需要任何中間傳動環(huán)節(jié)的驅(qū)動裝置。它將傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)運動 轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯拥闹本€運動，因此機床的速度、加速度、剛度、動態(tài)性能得到完全改 觀通過采用直線電機驅(qū)動技術(shù)使得在高速移動中獲得高的定位精度成為現(xiàn)實， 有效克服通過傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機進行驅(qū)動時，機械傳動機構(gòu)傳動鏈較長、體積大、效 率低、能耗高、精度差等缺點。所以，直線電機驅(qū)動技術(shù)將是高速數(shù)控機床未來 開展的方向肖線電機結(jié)構(gòu)小意罔線性馬達原理一般電動機工作時都是轉(zhuǎn)動的 . 但是用旋轉(zhuǎn)的電機驅(qū)動的交通工具 比方電動 機車和城市中的電車等 需要做直線運動，用旋轉(zhuǎn)的電機

13、驅(qū)動的機器的一些部件也 要做直線運動 . 這就需要增加把旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動的一套裝置 . 能不能直接運 用直線運動的電機來驅(qū)動，從而省去這套裝呢 ?幾十年前人們就提出了這個問題 . 現(xiàn)在已制成了直線運動的電動機，即直線電機 .1 工作原理 .直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換 機構(gòu)的傳動裝置。它可以觀成是一臺旋轉(zhuǎn)電機按徑向剖開，并展成平面而成 由定子演變而來的一側(cè)稱為初級，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級。在實際應(yīng)用 時，將初級和次級制造成不同的長度，以保證在所需行程范圍內(nèi)初級與次級之間 的耦合保持不變。直線電機可以是短初級長次級，也可以是長初級短次級?？紤] 到制

14、造本錢、運行費用，目前一般均采用短初級長次級。直線電動機的工作原理 與旋轉(zhuǎn)電動機相似。以直線感應(yīng)電動機為例：當(dāng)初級繞組通入交流電源時，便在 氣隙中產(chǎn)生行波磁場，次級在行波磁場切割下，將感應(yīng)出電動勢并產(chǎn)生電流，該 電流與氣隙中的磁場相作用就產(chǎn)生電磁推力。如果初級固定，那么次級在推力作用 下做直線運動；反之，那么初級做直線運動。直線電機的原理并不復(fù)雜 . 設(shè)想把一臺旋轉(zhuǎn)運動的感應(yīng)電動機沿著半徑的方向剖 開，并且展平，這就成了一臺直線感應(yīng)電動機 圖. 在直線電機中，相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電 機定子的，叫初級；相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子的，鳴次級 . 初級中通以交流，次級就在 電磁力的作用下沿著初級做直線運動 . 這時初

15、級要做得很長，延伸到運動所需要達 到的位置，而次級那么不需要那么長 . 實際上，直線電機既可以把初級做得很長，也 可以把次級做得很長；既可以初級固定、次級移動，也可以次級固定、初級移動 .2. 應(yīng)用直線電機是一種新型電機，近年來應(yīng)用日益廣泛 . 磁懸浮列車就是用直線電機 來驅(qū)動的.磁懸浮列車是一種全新的列車 . 一般的列車，由于車輪和鐵軌之間存在摩擦， 限制了速度的提高，它所能到達的最高運行速度不超過300km/n. 磁懸浮列車是將列車用磁力懸浮起來，使列車與導(dǎo)軌脫離接觸，以減小摩擦，提高車速。列車由 直線電機牽引 . 直線電機的一個級固定于地面，跟導(dǎo)軌一起延伸到遠(yuǎn)處；另一個級 安裝在列車上

16、. 初級通以交流，列車就沿導(dǎo)軌前入 . 列車上裝有磁體 有的就是兼用 直線電機的線圈 ，磁體隨列車運動時，使設(shè)在地面上的線圈 或金屬板 中產(chǎn)生感 應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場和列車上的磁體 或線圈 之間的電磁力把列車懸浮起來 . 懸浮列車的優(yōu)點是運行平穩(wěn)，沒有顛簸，噪聲小，所需的牽引力很小，只要幾千 kw的功率就能使懸浮列車的速度到達 550km/h.懸浮列車減速的時候，磁場的變化 減小，感應(yīng)電流也減小， 磁場減弱， 造成懸浮力下降 . 懸浮列車也配備了車輪裝置， 它的車輪像飛機一樣，在行進時能及時收入列車，停靠時可以放下來，支持列車 . 要使質(zhì)量巨大的列車靠磁力懸浮起來，需要很強的磁場，實用中需要

17、用高溫超導(dǎo) 線圈產(chǎn)生這樣強大的磁場 .直線電機除了用于磁懸浮列車外，還廣泛地用于其他方面，例如用于傳送系 統(tǒng)、電氣錘、電磁攪拌器等 . 在我國，直線電機也逐步得到推廣和應(yīng)用 . 直線電機 的原理雖不復(fù)雜，但在設(shè)計、制造方面有它自己的特點，產(chǎn)品尚不如旋轉(zhuǎn)電機那 樣成熟，有待入一步研究和改入 . 其他可參考直線電機和傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機 +滾珠絲 杠運動系統(tǒng)的比擬在機床進給系統(tǒng)中，采用直線電動機直接驅(qū)動與原旋轉(zhuǎn)電機傳 動的最大區(qū)別是取消了從電機到工作臺 拖板之間的機械傳動環(huán)節(jié)，把機床入給 傳動鏈的長度縮短為零，因而這種傳動方式又被稱為 "零傳動" 。正是由于這種 " 零 傳

18、動" 方式，帶來了原旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動方式無法到達的性能指標(biāo)和優(yōu)點。1高速響應(yīng)由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時間常數(shù)較大的機械傳動件 如 絲杠等 ，使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能大大提高，反響異常靈敏快捷。2精度直線驅(qū)動系統(tǒng)取消了由于絲杠等機械機構(gòu)產(chǎn)生的傳動間隙和誤差，減 少了插補運動時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反響控制， 即可大大提高機床的定位精度。3動剛度高由于 "直接驅(qū)動 " ，防止了啟動、變速和換向時因中間傳動環(huán)節(jié)的 彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯后現(xiàn)象，同時也提高了其傳動剛度。4速度快、加減速過程短由于直線電動機最早主要用于磁懸浮列

19、車 時速可達 500Km/h,所以用在機床進給驅(qū)動中，要滿足其超高速切削的最大進個速度要求達60100M/min或更高當(dāng)然是沒有問題的。也由于上述"零傳動"的高速響應(yīng)性， 使其加減速過程大大縮短。以實現(xiàn)起動時瞬間到達高速，高速運行時又能瞬間準(zhǔn) 停。可獲得較高的加速度，一般可達 210gg=9.8m/s2 ，而滾珠絲杠傳動的最大加 速度一般只有 0.10.5g 。5行程長度不受限制在導(dǎo)軌上通過串聯(lián)直線電動機，就可以無限延長其行程 長度。6運動動安靜、噪音低由于取消了傳動絲杠等部件的機械摩擦，且導(dǎo)軌又可 采用滾動導(dǎo)軌或磁墊懸浮導(dǎo)軌 無機械接觸 ，其運動時噪音將大大降低。7效率高

20、由于無中間傳動環(huán)節(jié)，消除了機械摩擦?xí)r的能量損耗，傳動效率大 大提高線性馬達與旋轉(zhuǎn)電機滾珠絲杠的比擬1 速度比擬在速度方面直線電機具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。直線電機的速度為300m/mi n；加速度為10g。滾珠絲杠的速度為120 m/min ;加速度為1.5g。從速度和加速度的比照上直線電機具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，而且直線電機在成功 解決發(fā)熱問題后速度還會進一步提高，而“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠在速度上卻受到了較多限制很難再有所提高。從動態(tài)響應(yīng)來講直線電機因運動慣量和間隙以 及機構(gòu)復(fù)雜性等問題而占有絕對優(yōu)勢。在速度控制方面，直線電機響應(yīng)更快，調(diào)速范圍更寬，達1:10000，可以在啟動瞬間到達最高轉(zhuǎn)速，而且在高

21、速運行時能迅速停止。2 精度比擬精度方面直線電機因傳動機構(gòu)簡單減少了插補滯后的問題，定位精度、重現(xiàn) 精度和絕對精度通過位置檢測反響控制都會較“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠高，且容易實現(xiàn)。直線電機定位精度可達0.1卩m “旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠的精度最高為 25卩m要求CNC伺服電機-無隙聯(lián)軸器-止推軸承-冷卻系統(tǒng)-高精度滾動導(dǎo)軌- 螺母座-工作臺閉環(huán)整個系統(tǒng)的傳動局部要輕量化，光柵精度要高。假設(shè)想到達較高的平穩(wěn)性“旋轉(zhuǎn)伺服電機 +滾珠絲杠要采取雙軸驅(qū)動，直線電機是高發(fā)熱部件，需采取強冷措施。到達相同的目的，直線電機要付出更大代價。3 價格比擬在價格上直線電機要比“旋轉(zhuǎn)伺服電機 +滾珠絲杠裝置高出很多，這也是限制直線電機被更廣泛應(yīng)用的一個重要原因。4 能耗比擬“旋轉(zhuǎn)伺服電機 +滾珠絲杠屬于節(jié)能增力型傳動部件。在提供相同轉(zhuǎn)矩時，直線電機消耗的能源約比“旋轉(zhuǎn)伺服電機 +滾珠絲杠多一倍以上。而且直線電機 的可靠性受控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，且對周邊環(huán)境有較大影響，因此必須采取有 效的隔磁和防護措施以隔斷磁場對滾動導(dǎo)軌的影響和對銑屑磁塵的吸附。關(guān)于沙迪克日本株式會社沙迪克是世界最大的放電加工機生產(chǎn)廠商之一，并擁有世界一 流的線性馬達生產(chǎn)技術(shù)與納米加工技術(shù)， 2005年公司年銷售額達 49 億元人民幣， 產(chǎn)品遠(yuǎn)銷海外大局部國家和地區(qū)。沙迪克廈門成立于 2006年