直线电机发展应用综述（一）（一）

直线电机在数控机床上的应用综述
所在学院：机械工程学院
学科专业：机械工程
学生：解瑞建
学号：********
指导教师：***
天津科技大学机械工程学院
二零一二年十二月二十七日
摘要
简述了直线电机工作原理及其驱动技术，并且举例说明了直线电机直
接驱动与传统数控机床“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的传动方式对比具有很大的
优势。

利用直线电机结构简单、运动平稳、噪声小、运动部件摩擦小、磨损小、
使用寿命长、安全可靠性等特性，采用直线电机的开放式数控系统使机床驱动控
制技术获得新发展。

介绍几个直线电机应用的实例，指出直线电机进给驱动技术将是高速机床未来的发展方向。

关键词：直线电机数控机床驱动控制高速机床
0 引言
数控机床正在向高精密、高速、高复合、高智能和环保的方向发展。

高精密和高
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。

在传统的传动链中，作为动力源的电动机要通过齿轮、蜗轮副，皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间传动
环节才能将动力送达工作部件。

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。

虽然在这些方面通过不断的改
进使传动性能有所提高，但问题很难从根本上解决，于是出现了“直接传动”的
概念，即取消从电动机到工作部件之间的各种中间环节。

随着电机及其驱动控制技术的发展，电主轴、直线电机、力矩电机的出现和技术的日益成熟，使主轴、
直线和旋转坐标运动的“直接传动”概念变为现实，并日益显示出巨大的优越性。

直线电机及其驱动控制技术在机床进给驱动上的应用，使机床的传动结构出现了重大变化，并使机性能有了新的飞跃。

图0 SUPT Motion公司生产的一种直线电机
1直线电机
1.0直线电机的发展史
直线电机的发展史
1840年Wheatsone开始提出和制作了略具雏形的直线电机。

从那时至今，在
160多年的历史中，直线电机经历了三个时期。

1840～1955年为探索实验时期：
从1840年到1955年的116年期间，直线电机从设想到实验到部分实验性应用，经历了一个不断探索，屡遭失败的过程。

自从Wheatsone提出和试制了直线电机以后，最早明确地提到直线电机文章的是1890年美国匹兹堡市的市长，在他所
写的一篇文章中，首先明确地提到了直线电机以及它的专利。

然而，由于当时的制造技术、工程材料以及控制技术的水平，在经过断断续续20多年的顽强努力后，最终却未能获得成功。

至1905年，曾有两人分别建议将直线电动机作为火车的推进机构，一种建议
是将初级放在轨道上，另一种建议是将初级放在车辆底部。

这些建议无疑是给当时直线电机研究领域的科研人员的一剂兴奋剂，以致许多国家的科研人员都投入了这些研究工作。

1917年出现了第一台圆筒形直线电动机，事实上那是一种具
有换接初级线圈的直流磁阻电动机，人们试图把它作为导弹发射装置，但其发展并没有超出模型阶段。

至此，从1930~1940年期间，直线电机进入了实验研究阶段，在这个阶段中，科研人员获驭了大量的实验数据，从而对已有理论有了更深一层的认识，奠定了直线电机在今后的应用基础。

从1940～1955年期间世界一些发达国家科研人员，在实验的基础上，又进行
了一些实验应用工作。

1945年，美国西屋电气公司首先研制成功的电力牵引飞
机弹射器，它以7400kW的直线电动机为动力，成功地用 4.1s的时间将一架重4535kg，的喷气式飞机在165m的行程内由静止加速的188km/h的速度，它的试验成功，使直线电动机可靠性好等优点受到了应有的重视，随后，美国利用直线电机制成的、用作抽汲钾、钠等液态金属的电磁泵，为的是核动力中的需要。

1954年，英国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直流直线电机制成了发射导弹的装
置，其速度可达1600km/h。

在这个阶段中，尤需值得一提的是，直线电机作为
高速列车的驱动装置得到了各国的高度重视并计划予以实施。

在1840～1955年期间，是直线电机探索实验和部分实验应用时期，在直线电
机与旋转电机的相互竞争中，由于直线电机的成本和效率方面没有能够战胜旋转
电机，或者说，直线电机还没能找到唯独它能解决问题的领域，以及直线电机在
设计方面也没有突破性的成功，所以直线电机在这一时期始终未能得到真正的应用。

1956～1970年为开发应用时期：
自1955年以来，直线电机进入了全面的开发阶段，特别是该时期的控制技术
和材料的惊人发展，更加助长了这种势头。

在这段时期，申请直线机的专利件数也开始急速增加，该时期直线电机专利的增长率超过了所有其他技术领域的平均
增长率。

到1965年以后，随着控制技术和材料性能的显著提高，应用直线电机
的实用设备被逐步开发出来，例如采用直线电机的MHD泵、自动绘图仪、磁头定位驱动装置、电唱机、缝纫机、空气压缩机、输送装置等。

1971年至今为实用商品时期
从1971年开始到目前的这个阶段，直线电机终于进入了独立的应用时代，
在这个时代，各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置和产品，例如直线电机驱动的钢管输送机、运煤机、起重机、空压机、冲
压机、拉伸机、各种电动门、电动窗、电动纺织机等等。

特别可喜的是利用直线
电机驱动的磁悬浮列车，其速度已超500km/h，接近了航空的飞行速度，且试验行程累计已达数十万千米。

1.1 直线电机工作原理
直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。

它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。

对应
旋转电机定子的部分叫初级，对应转子的部分叫次级。

在初级绕组中通多相交流电，便产生一个平移交变磁场称为行波磁场。

在行波磁场与次级永磁体的作用下产生驱动力，从而实现运动部件的直线运动。

图1直线电机的转变过程引用于长沙一派数控机床有限公司
图2 旋转电机的基本工作原理图3 直线电机的基本工作原理
1－定子2－转子3－磁场方向1－初级2－次级3－行波磁场
将图2的旋转电机在顶上沿径向剖开，并将圆周拉直，便成了图四的直线电机。

当通往三相对称正弦电流后，也会产生气隙磁场。

当不考虑横向、纵向的端部效应时，这个气隙磁场也和旋转电机非常相似，也可看成是沿展开的直线方向呈正弦分布。

当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A、B、C相
序沿直线移动。

在原理上与旋转电机类似，不同之处在于：这个磁场是平移的，
而不是旋转的，因称
为行波磁场。

显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场的的线速度是一样的，即为
v ft s = 2 (m/s)也称为同步速度。

在次级中为简便起见，图中只画出一根导条，次级导条在行波磁场的切割下，将产生感应电动势并产生电流。

而所有导条上的电流和气隙磁场的相互作用便产生电磁推力。

1.2直线电机的特点
主要表现在以下几个方面：
（1）高响应性
一般来讲，电气元器件比机械传动件的动态响应时间要小几个数量级。

由于系统中取消了响
应时间较大的如丝杠等机械传动件，使整个闭环伺服系统动态响应性能大大提
高。

（2）高精度性
由于取消了丝杠等机械传动机构，因而减少了传动系统滞后所带来的跟踪误差。

通过高精度
直线位移传感器（如μ级），进行位置检测反馈控制，大大提高机床的定位精度。

（3）速度快、加减速过程短
机床直线电机进给系统，能够满足60m/m i n~200m/m i n或更高的超高速切削进给速度。

由于具有高速响应性，其加减速过程大大缩短，加速度一般可达到
2g~20g。

（4）传动刚度高、推力平稳
“直接驱动”提高了传动刚度。

直线电动机的布局，可根据机床导轨的形面结构
及其工作台
运动时的受力情况来布置，通常设计成均布对称，使其运动推力平稳。

（5）行程长度不受限制
通过直线电动机的定子的铺设，就可无限延长动子的行程长度。

（6）运行时噪声低
取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，导轨副可采用滚动导轨或磁悬浮导轨（无机械接触），
使运动噪声大大下降。

（7）效率高
由于无中间传动环节，也就取消了其机械摩擦时的能量损耗，系统效率大大提高。

直线电动机系统的开发应用，将引起机床行业的传统进给机械结构发生变革。

通过先进的电气控制，不仅简化了进给机械结构，更重要的是使机床的性能指标得
到很大提高。

1.3直线电机的分类
1、直线感应电机
直线感应电机（LIM,linear induction motor）是单边激磁电机，结构非常简单，因此在中低速轨道交通系统中应用最早，也最广。

最常见的直线感应电机是单侧
定子结构的，为了改善磁路，提高效率，也可以采用双侧定子直线感应电机。

直线感应电机的特点是单边激磁，一般动子采用感应板（实心、无绕组），结构简单，经济。

2、直线同步电机
同步电机是双边激磁电机，不论采用长定子或短定子，结构都较复杂。

但是在高速磁悬浮列车中的直线同步电机几乎无例外地采用长定子，这是因为：同步电机转子激磁功率远小于定子，所以把功率较小的励磁绕组（转子）安装在车上，可
以由谐波发电机与电池给转子励磁线圈供电或采用超导线圈，避免了接触网/轨，从而可实现高速运行。

同步直线电机（LSM,linear Synchronous Motor）的优点之一是功率因数好，效
率较高，因而比较适合大气隙、大功率电机，所以，高速磁浮列车主要采用直线
同步电机。

同步电机用于磁浮列车时有一个突出的优点：由于转子激磁后就是一个电磁铁，所以在磁浮列车上可以用做磁浮磁铁，这样就可以一机两用——既是
牵引系统，又是磁浮系统，从而减轻了车辆的重量。

3、永磁直线电机
永磁直线电机（PLLM., permanent magnet linear motors）也是直线同步电机
的一种，只是其转子不再用电激磁，而是采用永磁磁极。

永磁直线电机的最大优点是单边激磁而且磁密较高，所以体积小，效率高。

但是，由于永磁不像电磁那
样容易调节磁通，所以永磁直线电机弱磁控制性能较差。

而且，毕竟永磁材料成本较高，所以更适合于轨道较短或封闭环境的场合，如导弹或分机发射架，在车辆上的应用比较少。

近年来，由于体积较小，控制精度高，圆筒型直线永磁电机
在伺服系统中的应用越来越多，特别是数控设备等需要高精度定位的场合，基本上采用的都是永磁交流直线同步电机。

4、双馈直线异步电机
同步电机是双边激磁，所以转子直流励磁电流是可以调整的；而普通直线感应电机转子电流是感应产生的，不能人为调整，这也正是感应电机调速性能与功率因
数较差的原因。

双馈异步电机（dual-feed linear induction motor）则可以独立调整转子电流，不过与同步电机不同的是转子也是交流电流。

这种直线电机主要用于车辆上，因为可以通过调节转子电流调整列车速度。

5、直线开关磁阻电机
直线开关磁阻电机（LRM.linear swiyched reluctance motor）的与旋转开关磁阻电机一样，优点是单边激磁，转子是实心钢而不需要绕组，成本比直线感应电机还要低，所以是很有前途的一种驱动方案。

但是，在大气隙的情况下，这种电
机磁路的磁阻变化较小，影响了功率密度的提高，所以在车辆上的应用较少。

直
线开关磁阻电机在磁路结构上可以分为纵向磁通与横向磁通两类。

近年来，直线开关磁阻电机在伺服系统、作动系统中叶开始应用。

除上述几种直线电机外，还有直流直线电机、单极直线电机等。

平面电机（二维）、螺旋式电机（三维）和盘式电机也经常被看作直线电机的一类。

近年来出现的压
电式静电直线电机虽然也属于直线电机，但其工作原理与普通直线电机完全不
同。

与旋转电机一样，直线电机也有两个主要应用领域：驱动和控制。

驱动电机
主要用于磁悬浮列车、轮轨列车、升降机、电磁发射等，控制电机则主要用于机
床、飞行器、汽车等伺服系统中的作驱动器。

2 直线电机的发展现状
自1993年德国ex-cell-O公司研发出世界上第一台直线电机驱动工作台的加
工中心以来，直线电机已在不同种类的机床上得到应用。

2001年和2003年欧洲机床展、2002年和2004年日本机床展及美国机床展上每次都有几十家公司的展品采
用直线电机驱动系统。

以2002年日本机床展为例，在参展的524台数控机床中，有25家公司41台机床采用直线电机进给驱动，其中加工中心11台（立式8台、卧式3台），电加工机床7台（线切割4台、成型机2台、小孔机1台），磨床6台（一般磨床4台、齿轮磨床1台、坐标磨床1台），非球面加工机和微细加工机5台，车床4台，专用机床3台，激光加工机2台，车磨复合机床1台，铣削加工单元（FMC）1台。

目前，世界上最知名的机床厂家几乎无一例外地都推出了直线电机驱动的机床产品，品种覆盖了绝大多数机床类型。

表1和表2列出了近几年来直线电机驱动
机床的部分典型产品。

表1 直线电机驱动机床的部分典型产品（国外）
机床类型型号厂商机床主要特点
激光加工机床TRUMATIC
L3050
德国Trumpf Y/Z轴直线电机，快进200m/min
激光加工机床FOL3015 日本AMADA X/Y轴快进240m/min，同时驱动达
340m/min，加速度5g
激光加工机床HYPER GEAR510 日本Mazak X/Y/Z快进120m/min，加速度3.5
电火花切割机AP200L 日本Sodic X/Y/Z/V轴直线电机，快进35m/min，加速
度1g
AP550L 日本Sodic 实现0.1μm精密平稳移动
电火花成型机
床
AQ35L/AQ75L 日本Sodic 三轴直线电机，高速高精度平动加工
微细加工机NANO-21 日本碌之产业采用直线电机，可进行超精加工
非球面加工机220UPL Moore纳米技术
系统各轴均采用直线电机，加工表面粗糙度小于1nm
加工中心HPC-800HP Cincinnati-Lam
b美国
各轴直线电机，快进80m/min，加速度1g
加工中心F3 660L 日本Mazak 各轴直线电机，快进208m/min，加速度
3.24g
加工中心日本大隈动柱式，快进120m/min
加工中心LinearM II 日本丰田工机各轴快进100m/min，加速度1g，Z轴1.5g 加工中心BZ600L 德国Grob system X/Y/Z轴快进120m/min，加速度
0.8g/1.2g/2g
加工中心DMC85Vlinear 德国DMG集团三轴快进120m/min，加速度2g
车削中心CTV250 德国DMG集团X轴直线电机，快进100m/min，加速度1g 数控车床CTX Linear系
列
德国DMG集团X轴直线电机，60～100m/min，加速度1g 数控车床DVT450L 德国Krupp X轴直线电机，75m/min，定位精度0.001mm 外圆磨床GA-5N-SP 日本大隈直线电机进给分辨率10nm，快移20m/min 齿轮磨床S375G 日本清和铁工直线电机进给
光学仿形磨床GLS-821Li 日本瓦西诺砂轮升降用直线电机驱动
凸轮磨床GC32M-63 日本丰田工机砂轮架进给，响应快，高精度
坐标磨床ULG-45 日本和井田X/Y/Z轴直线电机，进给10m/min
曲轴磨床德国EMAG 砂轮进给直线电机驱动，高速高精度，加
速度2.5g
车磨复合中心VG11ODS 德国EMAG Z轴直线电机，快进80m/min
车磨复合中心STRATOS系列德国Schaudt X轴直线电机
铣磨削复合中
心
LCD315Li 日本冈本加工时间缩短到原来的1/5
龙门加工中心MCR-A56 日本大隈X/Y/Z三轴直线电机，快移速度40m/min 龙门加工中心新日本工机X/Y轴快进60m/min
龙门加工中心Lin X系列意大利JOBS X/Y/Z三轴直线电机，快进40m/min
大型数控铣HVM 600,800 Ingersol 美国快进80m/min，加速度1.5g
大型高速加工中心HYPER MNCH Cincinnati 美
国
X轴直线电机行程46m，快进100m/min，加
速度2g
此外，在压力机、坐标测量机、水切割机、等离子切割机、快速成型机及半导体设备的X、Y工作台上都有应用。

表2 直线电机驱动机床的部分典型产品（国内）机床类型型号厂商机床主要特点
电火花成型机
床
GV754L 北京机床研究所快进速度24m/min，加速度1.5g
立式加工中心VS1250 北京机电院高技术股
份公司X/Y轴直线电机，快进80/120 m/min，加速度0.8/1.5g
立式加工中心江苏多棱机床有限责
任公司
X轴直线电机
数控车床沈阳机床集团X轴直线电机，快进60m/min
活塞车床清华大学Z轴直线电机
凸轮磨床北京航空航天大学头架驱动用直线电机，精度提高，无振纹。

3直线电机在数控机床上的应用
直线电机在数控机床中的应用实例
活塞车削数控系统
采用直线电机的直线运动机构由于具有响应快、精度高的特点，已成功地应用
于异型截面工件的CNC车削和磨削加工中。

针对产量最大的非圆截面零件，国防
科学技术大学非圆切削研究中心开发了基于直线电机的高频响大行程数控进给
单元。

当用于数控活塞机床时，工作台尺寸为600mm×320mm，行程100mm，最大推力为160N，最大加速度可达13g。

由于直线电机动子和工作台已固定在一起，
所以只能采用闭环控制，图2所示为该单元的控制系统简图。

图4 直线电机位置控制器的原理框图
这是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。

采用高精度光栅尺作
为位置检测元件。

定位精度取决于光栅的分辨率，系统的机械误差可以由反馈消除，获得较高的精度[4]。

采用直线电机的开放式数控系统
采用PC机与开放式可编程运功控制器构成数控系统，这种系统以通用微机及Windows为平台，以PC机上的标准插件形式的运动控制器为控制核心，实现了数控系统的开放。

基于直线电机的开放式数控系统的总体设计方案如图3所示。

图5基于直线电机的开放式数控系统原理图
该系统采用在PC机的扩展槽中插入运动控制卡的方案组成，系统由PC机、运动控制卡、伺服驱动器、直线电机、数控工作台等部分组成。

数控工作台由直
线电机驱动，伺服控制和机床逻辑控制均由运动控制器完成，运动控制器可编程，以运动子程序的方式解释执行数控程序（G代码等，支持用户扩展）。

运动控制卡型号为 PCI-8132。

当今的工业控制技术中PCI总线渐渐地取代了 ISA总线，成为主流总线形式，它有很多优点，如即插即用(Plug and Play)、中断共享等。

PCI总线具有严格的标准和规范，这就保证了它具有良好的兼容性，可靠性高；传送数据速率高（132Mbps）或 (264Mbps); PCI总线与CPU无关，与时钟频率无关，适用于
各种平台，支持多处理器和并行工作；PCI总线还具有良好的扩展性，通过
PCI_PCI桥路，可进行多级扩展。

PCI总线为用户提供了极大的方便，是目前PC 机上最先进、最通用的一种总线。

PCI-8132是具有PCI接口的2轴运动控制卡。

它能产生高频脉冲驱动步进电机和伺服电机，控制2个轴的电机运动，实现直线
和圆弧插补。

在数控加工中，提供位置反馈。

系统软件在WINDOWS平台上开发。

该软件采用模块化程序设计，由用户输入输出界面、预处理模块等组成。

用户输入输出界面实现用户的输入、系统的输出。

用户输入的主要功能是让用户输入数控代码，发出控制命令，进行系统的参数配置，生成数控机床零件加工程序（G代码指令）。

预处理模块读取G代码指令后，通过编译生成能够让PCI－8132运动控制卡运行的程序，从而驱动直线电机，完
成直线或圆弧插补。

读取G代码的过程是首先进行参数的设定，然后读取G代码，该程序流程如下如图4所示。

图7读取G代码程序流程图
在这一系统中选用PARKER406LXR系列直线电机。

对于两坐标数控工作台，X 向选用406T07型直线电机，行程550mm，Y向选用406T05型直线电机，行程450mm。

4 直线电机的未来展望
随着控制技术的不断发展，直线电机的控制技术也日趋成熟。

目前，国内对
于直线电机控制系统的理论研究已经超过了对电机本体设计的研究，理论成果很多，但应用成果很少。

在不同的阶段，针对不同的直线电机，要有适合于不同的直线电机的不同控
制方法。

（1）直线感应电机的控制仍然以矢量控制为主直线感应电动机通常是调
速的控制和要求精度不高的伺服控制，目前虽然有许多直线感应电动机的控制方法，但应用最多的仍然是成熟的矢量控制。

（2）永磁直线电机向直接转矩控制技术方向发展目前，永磁直线电机直
接转矩控制的研究和样品比较多，而应用中的永磁直线电机仍有不少采用矢量控制，这里有一些技术问题尚需完善，但永磁直线电机总会向直接转矩控制技术方
向发展。

（3）无位置传感器技术正在得到人们的重视目前，不管是旋转电机还是
直线电机，无位置传感器技术正在得到人们的重视，研究很热，研究了很多的方法，但到目前为止，高精度的直线电机无位置传感器技术尚未得到真正的应用。

目前看来，直线电机的研究和发展趋势为以下三点：
①点击本体技术向着永磁电机、各种伺服电机发展，更注意电机材料、结构
与工艺方面的改进和新的应用。

②控制系统在成熟技术的基础上向新的控制方法发展。

③市场方面向着智能化、低成本、长寿命以及新的应用市场发展。

5小结
由以上内容可以看出，直线电机具有非常广阔的应用前景，在民用制造业、
军用制造业中都有非常大的研究价值。

然而目前在这个领域走在前沿的都是些西
方工业发达的国家，在我们国内进行的研究还是不够到位。

虽然理论方面已经基本明了，但还是难以大规模投入应用。

作为机械专业的学术人才，应当以振兴制造业为己任，刻苦钻研，争取技术
上的突破。

不只是在直线电机方面，在其他方面也要有所建树，以打破西方“一
家独大”的局面，令中华民族在世界工业强国之林中也有一席之地。

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。

一分耕耘一份收获，希望通过我们自己
的努力可以更好地提升国家的制造业水平，实现国家机械制造业的再一次腾飞，
进而实现我们的人生价值。

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