直线电机原理、特点及其运用1

直线电机原理、特点及其运用

直线电机的结构可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，并将电机的圆周展开成直线而形成的。其中定子相当于直线电机的初级，转子相当于直线电机的次级，当初级通入电流后，在初次级线圈之间的气隙中产生行波磁场，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。

直线电机的工作原理设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直线感应图电动机。

初级做得很长，延伸到运动所需要达到的位置，也可以把次级做得很长；既可以初级固定、次级移动，也可以次级固定、初级移动．通入交流电后在定子中产生的磁通，根据楞次定律，在动体的金属板上感应出涡流。设产生涡流的感应电压为E，金属板上有电感L和电阻R，涡流电流和磁通密度将（费来明法则）产生连续的推力F。

直线电机的特点：

高速响应。由于系统中取消了一些响应时间常数较大的如丝杠等机械传动件，使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。

定位精度高。线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构引起的传动误差减少了插补时因传动系统滞后带来跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。同时传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，提高了其传动刚度。

速度快、加减速过程短行程长度不受限制。在导轨上通过串联直线电机，就可以无限延长其行程长度。

动安静、噪音低。由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用

滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。

效率高。由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗。

直线电机主要应用于三个方面

应用于自动控制系统，这类应用场合比较多；作为长期连续运行的驱动电机；

应用在需要短时间、短距离内提供巨大的直线运动能的装置中。

附：直线电机应用实例

一、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。当其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1 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。

二、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2所示。

图2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3所示。

图3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。

采用直线伺服电机的高速加工中心，已成为国际上各大机床制造商竞相研究和开发的关键技术和产品，并已在汽车工业和航空工业中取得初步应用和成效，作为高速加工中心的新一代直接驱动伺服执行元件，直线伺服电机技术在国内外也已经进入工业化应用阶段。