直线电机的特性、现况及其发展趋势

直线电机的特性、现况及其发展趋势

班级：机械0804班

姓名：何延浩

学号：u200810546

一、直线电机概述

根据当今世界机床制造业的发展趋势和国家中长期科技发展规划，数控机床正在向精密、高速、复合、智能、环保的方向发展。由于直线电机将电能直接转换为直线运动，取消了传统的从旋转电机到工作台之间的一切机械传动环节，具有高速、高精和

“零传动”特性，因此直线电机正在成为高档数控机床的重要功能部件，是高端数控设备未来的发展趋势。

直线电机又称线性马达、推杆马达，是一种将传统的旋转电机沿轴线方向切开后，将旋转电机的初级展开作为直线电机(线性马达)的定子，次级通电后在电磁力的作用下沿着初级做直线运动，成为直线电机(线性马达)的动子的新型电机（如图1所示）。

二、直线电机的工作原理

直线电机利用电能直接产生直线运动，其原理与相应的旋转式电动机相似，在结构上可以看作是由相应旋转电机沿径向切开，拉直演变而成。如图2-a 所示为传统旋转式电机，图2-b 为旋转时电机沿径向切开后得到的直线电机。

直线电动机同样包括定子和动子两部分，在电磁力的作用下，动子带动外界负载运动作功。在需要直线运动的地方，采用直线电动机可使装置的总体结构得到简化。直线电动机较多地应用于各种定位系统和自动控制系统。大功率的直线电动机还常用于电气铁路高速列车的牵引、鱼雷的发射等装备中。

直线电动机按原理分为直流直线电动机、交流直线异步电动机、直线步进电动机和交流直线同步电动机，以前三种应用较多。按结构可分为单边型和双边型两种。在单边型结构中，定子和动子之间受有较大的单边磁拉力；双边型结构由于两边磁拉力互相平衡，支承部分摩擦力较小，动作比较灵活。

（1）直流直线电动机 直流供电的直线电动机。由一套磁极和一组绕组构成。绕组中的电流有的通过电刷和换向片结构引入，称刷型；有的不经换向器和电刷，直接用导线引入，称无刷型。直流直线电动机从结构上还可分为动极式和动圈式两种。图2所示为圆柱式直流动圈式直线电动机，由于其结构与扬声器的音圈相似，故又称为音圈式直线电动机，简称音圈电动机。其中图3-a 为短线圈音圈电动机，图3-b 为长线圈音圈电动机。

图2 直线电动机原理结构

图1 SUPT Motion 公司生产的一种直线电机

直流直线电动机由于推力与电枢电流成正比，速度与电枢电压成正比，故具有良好的线性控制特性，它与闭环控制系统配合，可以进行精密的调节和控制，适用于自动控制系统，例如计算机磁盘驱动器的磁头定位系统。

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2）交流直线异步电动机 由旋转式异步电动机演变而来。其工作原理和旋转式异步电动机相同。主要由原边和副边两部分组成，嵌有线圈的部分为原边。当多相绕组中通入电流后，电机气隙中就产生一个磁场行波，切割副边的导体而感生电流。此电流与磁场作用产生电磁力使原边和副边发生相对运动。直线异步电动机可以做成原边固定、副边可动的短副边型和副边固定、原边可动的短原边型两种结构。短原边型所用线圈数量少，比较经济，应用较多;短副边型常用于金属物体的投射。直线异步电动机常在工业自动化系统中作为操作杆的动力，用它操作自动门窗、自动开关和阀门以及各种机械手，也可用于电气铁路高速列车的牵引和鱼雷发射等。图4所示为一些交流直线异步电动机产品的照片。

（3）直线步进电动机 作直线步进运动的电动机。按其电磁推力产生的原理可以分为反应式和永磁感应子式两大类。

①反应式直线步进电动机：其定子是一条开有均匀齿槽的导轨，动子是一个绕有三相绕组的E 形铁心。每个铁心柱上都开有和定子齿距相等的齿槽，且各相铁心柱上的齿槽相对于定子齿槽依次错开1／3齿距。如果输入三相绕组电脉冲的顺序依次为A →B →C →A ，则动子就会向左作步进运动。如果通电顺序改为A →C →B →A ，则动子就向右作步进运动。在结构上也可以把 E 形铁心固定，让齿条作为动子。齿条的运动将与上述运动方向相反。

②永磁感应子式直线步进电动机：定子由软铁材料制成，上面铣有均匀间隔的齿槽；动子由永久磁铁加上两个带齿的形电磁铁组成。两个电磁铁上的齿相互错开一定距离。在电磁铁线圈不通电时，动子位置由永久磁铁决定。而在两个电磁铁按一定顺序轮流通电时，将使动子以一定齿距作步进运动。如果对两个电磁铁不是轮流通电，而是使其中的电流一个按正弦变化，一个按余弦变化，则可使动子运动平滑，步距很小。其步距（位置）分辨率可以达到0.01mm 以下。在要求高精度定位的场合，例如绘图仪、磁头定位机构、激光定位器和数控系统中得到较多的应用。

图3 音圈电动机

图4 交流直线异步电动机

三、直线电机在数控机床中的应用

1.直线电机进给驱动的主要优点

①进给速度范围宽，可从1μm/s调节到200m/min以上。目前加工中心的快进速度已达208m/min，而传统机床快进速度不会超过60m/min，一般为20~30m/min。

②速度特性好，速度偏差可达±0.01%以下。

③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，而传统机床的进给加速度在1g以下，一般为0.3g。

④定位精度高。采用光栅闭环控制，定位精度可达0.1～0.01μm。利用前馈控制的直线电机驱动系统可减少跟踪误差200倍以上。由于运动部件的动态特性好，相应灵敏，加上插补控制的精细化，可实现纳米级控制。

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，更长的行程需要连接长丝杠，无论在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。

2.直线电机及其驱动控制技术的进展

作为可控制运动精度的直线伺服电机在20世纪80年代末出现后，随着材料（如永磁材料）、功率器件、控制技术及传感技术的发展，直线伺服电机的性能不断提高，成本日益下降，为其广泛的应用创造了条件。

目前世界上直线伺服电机及其驱动系统的知名供应商主要有德国Siemens公司、Indramat 公司，日本FUNAC公司、三菱公司，美国Anorad公司，瑞士ETEL公司等。

具有代表性的产品的技术指标：

①FANUC L17000C3/2is：最大推力17000N；

连续推力3400N（自然冷）/4080N（气冷）/6800N（水冷）；

最大速度240m/min（4m/s）；

最大加速度30g；

分辨率0.01μm。

②Siemens:1FN3：最大推力20700N；

连续推力8100N（水冷）；

最大速度253m/min。

注：在其床上运行的最大加速度与直线电机推力、运动部件及其负载质量以及摩擦力等有关。在有效行程内能否达到最大速度与加速度和行程大小有关。

在控制系统方面，Siemens、FANUC等系统供应商都可提供与直线电机控制相对应的控制软件和接口。由于欧洲及床上应用直线电机较多，因此采用Siemens系统（如810D、840D）最多。

中国科学院电工所、浙江大学及沈阳、哈尔滨广东等一些公司已有小功率直线电机产品。

清华大学在十五攻关项目中成功研制交流永磁同步直线电机及其伺服系统，其最大运动速度60m/min，最大加速度5g，最大推力5000N，目前已与江苏瑞安特公司开始合作生产。

3.直线电机进给驱动在机床上的应用情况

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