直线电机设计工艺制作及其设计应用仿真

一．直线电机的发展历史

1845 年英国人Charles Wheastone发明了世界上第一台直线电动机，但这种直线电动机由于气隙过大而导致效率很低，未获成功。在160多年的历史中直线电机主要经历了三个时期，分别是：

1.1840～1955年为探索实验时期

在这个期间直线电机从设想到试验再到部分试验，经历了一个不断探索的过程。最早明确提出直线电机的文章是1890年美国匹兹堡市的市长写的一片文章，然而限于当时的技术条件，最终并没有获得成功。到了1905年出现了将直线电机作为火车推进机构的设想，给当时各国的研究人员带来了极大的鼓舞，在1917年出现了第一台圆筒形直线电机，并试图用它来作为导弹的发射装置，但始终还是停留在模型阶段。经过1930年到1940年的实验阶段，科研人员获取了大量的实验数据，从而对理论有了更深的认识。在随后的过程中，1945年美国的西屋电气研制成功了电力牵引飞机弹射器，它以7400kw的直线电机作为动力，并且成功的进行了试验，同时使得直线电机可靠性等优点得到了重视。在1954年英国皇家飞机制造公司成功利用双边扁平型直流直线电机制成了导弹发射装置。但是在这个过程中，由于直线电机与旋转电机相比在成本和效率方面没有优势，并没有取得突破性的成功。

2.1956—1970年为直线电机的开发应用期

1955年以后，直线电机进入了全面的开发阶段，同时该时期的控制技术和材料技术的发展，更有力的促进了直线电机的开发。直线电机的使用设备逐渐被开发出来，例如采用直线电机的MHD泵、自动绘

图仪、磁头定位驱动装置、空气压缩机等。

3. 1971年至今为直线电机的使用商品时期

到目前，各类直线电机的应用得到了推广，形成了许多有实用价值的商品，直线电机开始在旋转电机无能为力的地方寻找自己的位置。例如，直线电机应用于磁悬浮列车，液态金属的输送和搅拌，电子缝

纫机和磁头定位装置，直线电机冲压机等等。

二．直线电机工作原理和分类

所谓的直线电机就是利用电磁原理，将电能装换为直线运动的装置。在实际应用中，为了保证在整个行程初级和次级的耦合不变，一般将初级和次级制造成不同的长度。

与旋转电机类似，直线电机通入三相交流电后，会在初级和次级的气隙中形成磁场，如果不考虑端部效应，这个磁场在直线方向应当是成正弦分布的，只是这个磁场是平移而不是旋转的，所以有成为行波磁场。行波磁场与次级相互作用便产生电磁推力，这就是直线的电机的工作原理。

有以上直线电机与旋转电机的对应关系，每种旋转电机都对应有相应的直线电机，但直线电机的结构形式比旋转电机更加灵活，直线电机按照工作原理可以分为：直线直流电机，直线感应电机，直线同步电机，直线步进电动机、直线压电电动机及直线磁阻电动机：按结构形式可分为平板式、U形及圆筒式。

三．直线电机的优缺点分析

直线电机的特点在于直接产生直线运动，与间接产生直线运动的“旋转电机，加上滚珠丝杠相比，具有如下优点：（1）没有机械接触，摩擦小，传动力在气隙中产生，只在导轨间存在摩擦；（2）结构简单，体积小，以最少的部件实现直线运动；（3）行程在理论上不受限制，性能不会因为行程的加长而受到影响；（4）速度调节范围宽，高速是它的突出优点；（5）加速度大，可达到10g；（6）运动平稳，因为转换装置少；（7）精度和重复精度高，没有中间环节，系统的精度取决与位置检测元件；（8）维护简单，运动

时五机械接触，提高了使用寿命。

直线电机的缺点是：（1）存在不可避免的“端部效应（Edge Effect）”，即直线电机的端部磁场的畸变影响了行波磁场的完整性，使得电动机的损耗增加，推力减小，而且存在较大的推力波动；（2）控制难度大，直线电动机在运行的过程中负载的变化，系统参数的变动和各种干扰，包括端部效应，都直接作用在电机本身，没有缓冲环节，如果系统的鲁棒性不强，会造成系统的失稳和性能的下降；（3）其它缺点如

需要隔磁，安装困难，成本高等。

直线电动机与“旋转电动机，滚珠丝杠”传动性能比较

表

性能旋转电

动机+滚珠丝

杠

直线电动机

精度

(%26micro;m/300mm)

10 0.5

重复精度

(%26micro;m)

2 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/%26micro;m)

90～

180

70～

270

动态刚度(N/%26micro;m)

90～

180

160～

210

平稳性(%速度) 10 1

制造业中满足高速加工中心进给系统要求的主要是交流直线电动机。交流直线电动机可分为感应式和同步式两大类。虽然同步式直线电动机比感应式直线电动机成本较高、装配困难、需要屏蔽磁场，但效率较高、结构简单、次级不用冷却、控制方便、更容易达到所要求的高性能，并且随着钕铁硼(NdFeB)永磁材料的出现和发展，永磁同步直线电动机将逐渐发展成主流。因此在高速加工中心中永磁交流同步直线

电动机所占的比例将越来越高。

四．直线电机在高速加工中心及其它数控机床进给系统中的应用

直线电动机在高速加工中心和其它大行程数控机床进给系统中的应用还是近几年的事情。安装直线电动机的机床必须有先进的数控系统、很高的刚度和固有频率，移动部件的质量要尽量小，这样才能充分发挥直线电动机的能力。另外，机床中直接驱动进给系统的设计还要考虑冷却与散热问题。为了防止切屑和各种粉末被直线电动机的敞开式磁场吸引，还必须采取隔磁和防磁措施。此外，直线电动机不象丝杠那样可以自锁，如果电动机垂直安装，还要考虑平衡配重和制动等环节。

Ford、Ingersoll和Anorad公司在80年代中期的合作，最初实现了直线电动机在机床上的应用。Ford公司希望机床既高速、高精度，又高柔性。合作的结果是Ingersoll公司推出了“高速模块”HVM800，其三轴都安装了Anorad公司的永磁式直线电动机，获得很好的性能。

德国Ex-Cell-O公司于1993年在德国汉诺威欧洲机床展览会上展出世界上第一台直线电动机驱动工作台的XHC240型高速加工中心，采用的是德国Indramat公司开发的感应式直线电动机，各轴移动速度高达80m/min，加速度可达1g。除了切削加工机床外，其他机床如激光切割、等离子切割、电火花加工等

设备也开始应用直线电动机。

五．直线电动机的发展趋势和研究方向

1. 发展趋势

目前直线电动机直接驱动技术的发展呈现出以下趋势：

（1）机床进给系统用直线伺服电动机，将以永磁式为主导：

（2）将电动机、编码器、导轨、电缆等集成，减小电动机尺寸，便于安装和使用：

（3）将各功能部件(导轨、编码器、轴承、接线器等)模块化：

（4）注重相关技术的发展，如位置反馈元件、控制技术等，这是提高直线电动机性能的基础。

2. 研究方向

直线电动机的研究目标是提高电动机性能，满足应用要求。直线电动机的主要性能包括速度、加速度、推力及其波动、定位精度、重复定位精度、机械特性(速度-推力特性)、瞬态性能(速度响应)和热特性等。作为一种机电系统，要提高性能无非可从结构和控制两方面着手。

（1）结构设计

直线电动机包括初、次级磁路结构以及支撑、传感测量、冷却、防尘、防护等机械结构。

磁路设计磁路设计最重要的任务是使电动机的推力和推力波动达到设计要求。

电动机内磁场分布的计算是磁路设计的基础。由于结构的特殊性，使得直线电动机存在端部效应，引起磁场的畸变，同时使用硅钢片等软磁材料来聚合磁路，媒质边界曲折交错、磁路复杂、非线性强。目前普遍采用数值解法—主要是用有限元法(FEM)来计算直线电动机的磁场分布，从而进一步计算推力及其