直线电机的工作原理

直线电机是由电能直接转化为直线运动能的电磁装置，其结构由传统圆筒型旋转电机演变而来，而且工作原理也与旋转电机相似。如图1，设想将一台旋转电机沿径向剖开，并将电机的圆周展开成直线，这样就得到了原始的直线电机。原来旋转电机中的定子和动子分别演变为直线电机中的初级和次级，旋转电机中的径向、周向和轴向，在直线电机中对应地称为法向、纵向和横向。

直线电机的初子绕组通入三相电流后，产生沿纵向方向正弦分布的气隙磁场，当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按交流电的相序沿直线定向移动，这个平移的磁场称为行波磁场。次级导体在行波磁场的切割下产生电动势形并形成定向感应电流，次级中的感应电流和磁场的共同作用下产生纵向电磁推力，如果初级是固定不定的，那么次级就沿行波磁场的运动方向做直线运动，这就是直线电机工作的基本原理。



2 直线电机分类



2.1 按结构形式分类



直线电机按结构形式分类主要可分为扁平型、圆筒型（或管形）、圆盘型和圆弧型。



扁平型直线电机就是指电机的初级和次级都是矩形结构，扁平型又可以根据初级和次级的长短分为短初级、长次级或长初级、短次级。扁平型直线电机是目前研究和和应用最为广泛的直线电机。



圆筒型直线电机也称管型直线电机，为一种外形如旋转电机的圆柱型直线电机，它是把扁平型的直线电机的初级和次级沿横向卷成筒型，主要应用于短行程往复运动的场合。



圆盘型直线电机是将直线电机次级做成一个圆盘，不同形式的初级驱动圆盘次级做圆周运动，适用于低速大负载场合。



将圆盘型直线电机的初级做成圆弧形就得到了圆弧型直线电机，弧型和盘型的主要区别在于次级的形式和初级对次级的驱动点有所不同。



2.2 按功能用途分



直线电机按功能用途主要分为力电机、功电机和能电机。



力电机是指单位输入功率所产生的推力，或单位体积所能产生的推力，主要用于静止物体上或低速的设备上施加一定的推力的直线电机。



功电机主要是作为长期连续运行的直线电机，和旋转电机一样，可以用效率、功率因数等指标来衡量其电机的优劣。



能电机是指运动构件在短时间内所能产生的极高能量的驱动电机，主要是在短时间、短距离内提供巨大的直线运动能。



2.3 按工作原理分



直线电机按工作原理主要可以分为交流直线感应电动机、交流直线同步电动机、直线直流电动机、直线步进电动机和混合式直线电动机。



3 直线电机进给系统的驱动特性



3.1直线电机进给系统的优势



机械运动有两种基本形式：直线运动和旋转运动。由于电动机的广泛，快速而稳定的旋转运动较容易得到，许多的直线运动都是通过旋转运动转换而来的。传统的“旋转电机+滚珠丝杠”从作为动力源的电动机到工作部件要通过齿轮、蜗轮副，皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间传动环节，在这些环节中产生了较大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损，以及滚珠丝杆本身的物理局限性，产生的线性速度、加速度及定位精度均有限。虽然在这些方面通过不断的改进使传动性能有所提高，但经研究认为，很难突破1g的加速度，已无法满足高速切削。超精密加工对机床进给伺服性能提出更高的要求，而直线电机进给系统是由电机直接驱动，没有中间传动环节，传动链缩短到零，成为高速驱动重要的技术手段。



从旋转电机和直线电机进给系统的速度以及加速度的计算公式来分析，传统的滚珠丝杆进给驱动系统最大的速度和最大进给加速度的相关计算公式如下：



（1）



（2）



式中： —伺服电机的最大转速，r/min；



L—滚珠丝杠导程，mm；



—伺服电机最大驱动力矩，；



J—传动系统转动惯量，；



m—运动系统质量，kg.。



由式 (1)和(2)可知，在伺服电机最高转速一定时，要提高滚珠丝杆轴向进给的速度和加速度，必须增大丝杆导程L或降低运动系统的转动惯量和运动质量。由于系统的静刚度与丝杆导程L的平方成反比，因此，随着导程的增大，系统静刚度迅速下降，使机床加工质量降低，难以满足高速切削加工的要求。



而直线电机进给驱动系统的最大的速度 和最大进给加速度 的相关计算公式如下:



（3）



式中： s—滑差率；



—直线电机极距，mm；



—交流电源最高可调频率，Hz:；



—直线电机的最大电磁场推力，N；



—机床导轨的摩擦力，N；



m—系统运动质量的总和，kg。



由式 (1)和(2)知，直线电机的最大加速度与直线电机的最大电磁推力成正比，与系统运动质量成反比。欲提高系统的轴向进给加速度，可增大直线电机的电磁推力，减小导轨摩擦力，减轻系统运动质量，以满足高速机床进给驱动的要求。



通过以上的机床上旋转电机进给系统和直线电机进给系统比较分析可知，相比较旋转电机构成的滚珠丝杠驱动系统而言，直线电机进给系统具有以下优点：



1、响应速度高。由于取消了响应时间较大的丝杠等传动件，使整个闭环伺服系统的动态响应性能大大提高。



2、精度高。减少了丝杠传动滞后所带来的跟踪误差，并通过高精度直线位移传感器进行位置检测反馈控制，提高了机床的定位精度。



3、速度快，加速度大。直线电机最大加速度可达30g，目前加工中心的进给加速度已达3.24g，激光加工机的进给加速度已达5g，而传统机床进给加速度在1g以下，一般为0.3g.



4、效率高。由于中间无传动环节，减少机械传动时的能量损耗，提高了电机的效率。



5、行程不受限制。传统的丝杠传动受丝杠制造工艺限制，一般4～6m，更长的行程需要接长丝杠，无论从制造工艺还是在性能上都不理想。而采用直线电机驱动，定子可无限加长，且制造工艺简单，已有大型高速加工中心X轴长达40m以上。



6、结构简单、运动平稳、噪声小、运动部件摩擦小、磨损小、使用寿命长、安全可靠。



3.2直线电机进给系统存在的问题



目前直线电机进给系统中存在的主要注意问题：



1、散热问题。直线电机安装在工作台和导轨之间，散热困难。



2、防磁问题。直线电机磁场是敞开的，所以工作环境必须采取防磁措施，以免吸住带磁性的切屑，道具与工件。



3、负载干扰问题。直线电机进给驱动系统是全封闭环控制。如果对干扰的自动调节不好就会引起系统振荡而失稳。



4、垂直进给中的自重问题。当直线电机用于垂直进给系统时，由于存在托板自重，需解决好直线电机断电时自锁问题和通电时重力加速度对其影响问题。



4 直线电机驱动在数控机床上的应用特点



4.1 应用现状

数控机床正在向精密、高速、复合、智能、环保的方向发展。精密和高速加工对传动及其控制提出了更高的要求，更高的动态特性和控制精度，更高的进给速度和加速度，更低的振动噪声和更小的磨损。在数控机床应用上，直线电机驱动方式其与旋转电机-滚珠丝杠的驱动方式性能参数对比如表1，从表中也可看出直线电机驱动可以更好的满足现在数控机床进给系统的高速度和高加速度等要求。



表1 旋转电机-滚珠丝杠方式与直线电机方式的传动性能比较



性能

旋转电机-滚珠丝杠方式

直线电机方式



精度um)

5

0.5



重复精度(um)

3

0.1



最高速度(m/min)

90～120

60～200



最大加速度（g）

1.5

2～10



静态刚度(N/um)

88～180

70～270



动态刚度(N/um)

88～130

160～210



稳定时间(ms)

100

10～20



最大作用力(N)

26700

15000



工作可靠性(h)

6000～10000

50000







目前在我国机床行业厂家中，应用直线电机进给系统的产品将越来越多。在2005年的第九届中国国际机床展览会上，作为全球最大的切削机床制造商之一的DMG公司，其产品中有三分支一采用了直线电机驱动技术，展出的DMC 75V linear精密立式加工中心所有的进给轴都是采用了高动力性能直线电机驱动，良好的动态特性的基础是采用了高度稳定的龙门结构和经优化的高刚度床身，加速度高大2g，快移速度90m/min，从而可使生产率提高20%，该系列加工中心特别适合于模具加工。在2007年4月的中国国际机床展上,直线电机的应用越来越广泛,杭州机床集团有限公司推出了国内首次使用直线电机的平面磨床(MUCK7120X5)。



直线电机与数控机床的结合适应了这个高速加工的时代要求，提高了加工精度和加工效率标准，专家预测，到2010年世界上将有20%的数控机床采用直线电机进给驱动，而这些机床都是高性能数控机床和加工中心，直线电机驱动将是数控机床发展方向