直线电机资料20110302

直线电机基础

编辑本段直线电机也称线性电机，线性马达，直线马达

在实际工业应用中的稳定增长,证明直线电机可以放心的使用。下面简单介绍直线电机类型和他们与旋转电机的不同.

最常用的直线电机类型是平板式和U 型槽式,和管式。线圈的典型组成是三相,有霍尔元件实现无刷换相.图示直线电机用HALL换相的相序和相电流.

该图直线电机明确显示动子(forcer, rotor)的内部绕组.磁鉄和磁轨.动子是用环氧材料把线圈压成的。而且,磁轨是把磁铁固定在钢上。

直线电机在过去的10年,经实践上引人注目的增长和工业应用的显著受益才真正成熟。

直线电机经常简单描述为旋转电机被展平，而工作原理相同。动子（forcer, rotor) 是用环氧材料把线圈压缩在一起制成的.而且,磁轨是把磁铁（通常是高能量的稀土磁铁）固定在钢上.电机的动子包括线圈绕组，霍尔元件电路板，电热调节器（温度传感器监控温度）和电子接口。在旋转电机中，动子和定子需要旋转轴承支撑动子以保证相对运动部分的气隙（air gap）。同样的，直线电机需要直线导轨来保持动子在磁轨产生的磁场中的位置。和旋转伺服电机的编码器安装在轴上反馈位置一样，直线电机需要反馈直线位置的反馈装置--直线编码器，它可以直接测量负载的位置从而提高负载的位置精度。

直线电机的控制和旋转电机一样。象无刷旋转电机，动子和定子无机械连接（无刷），不象旋转电机的方面，动子旋转和定子位置保持固定，直线电机系统可以是磁轨动或推力线圈动（大部分定位系统应用是磁轨固定，推力线圈动）。用推力线圈运动的电机，推力线圈的重量和负载比很小。然而，需要高柔性线缆及其管理系统。用磁轨运动的电机，不仅要承受负载，还要承受磁轨质量，但无需线缆管理系统。

相似的机电原理用在直线和旋转电机上。相同的电磁力在旋转电机上产生力矩在直线电机产生直线推力作用。因此，直线电机使用和旋转电机相同的控制和可编程配置。直线电机的形状可以是平板式和U 型槽式,和管式.哪种构造最适合要看实际应用的规格要求和工作环境。

编辑本段圆柱形动磁体直线电机

圆柱形动磁体直线电机动子是圆柱形结构。沿固定着磁场的圆柱体运动。这种电机是最初发现的商业应用但是不能使用于要求节省空间的平板式和U 型槽式直线电机的场合。圆柱形动磁体直线电机的磁路与动磁执行器相似。区别在于线圈可以复制以增加行程。典型的线圈绕组是三相组成

的，使用霍尔装置实现无刷换相。推力线圈是圆柱形的，沿磁棒上下运动。这种结构不适合对磁通泄漏敏感的应用。必须小心操作保证手指不卡在磁棒和有吸引力的侧面之间。

管状直线电机设计的一个潜在的问题出现在，当行程增加，由于电机是完全圆柱的而且沿着磁棒上下运动，唯一的支撑点在两端。保证磁棒的径向偏差不至于导致磁体接触推力线圈的长度总会有限制。

编辑本段U 型槽式直线电机

U 型槽式直线电机有两个介于金属板之间且都对着线圈动子的平行磁轨。动子由导轨系统支撑在两磁轨中间。动子是非钢的，意味着无吸力且在磁轨和推力线圈之间无干扰力产生。非钢线圈装配具有惯量小，允许非常高的加速度。线圈一般是三相的，无刷换相。可以用空气冷却法冷却电机来获得性能的增强。也有采用水冷方式的。这种设计可以较好地减少磁通泄露因为磁体面对面安装在U形导槽里。这种设计也最小化了强大的磁力吸引带来的伤害。

这种设计的磁轨允许组合以增加行程长度，只局限于线缆管理系统可操作的长度，编码器的长度，和机械构造的大而平的结构的能力。

编辑本段平板直线电机

有三种类型的平板式直线电机（均为无刷）：无槽无铁芯，无槽有铁芯和有槽有铁芯。选择时需要根据对应用要求的理解。

无槽无铁芯平板电机是一系列coils安装在一个铝板上。由于FOCER 没有铁芯，电机没有吸力和接头效应（与U形槽电机同）。该设计在一定某些应用中有助于延长轴承寿命。动子可以从上面或侧面安装以适合大多数应用。这种电机对要求控制速度平稳的应用是理想的。如扫描应用，但是平板磁轨设计产生的推力输出最低。通常，平板磁轨具有高的磁通泄露。所以需要谨慎操作以防操作者受他们之间和其他被吸材料之间的磁力吸引而受到伤害。

无槽有铁芯：无槽有铁芯平板电机结构上和无槽无铁芯电机相似。除了铁芯安装在钢叠片结构然后再安装到铝背板上，铁叠片结构用在指引磁场和增加推力。磁轨和动子之间产生的吸力和电机产生的推力成正比，迭片结构导致接头力产生。把动子安装到磁轨上时必须小心以免他们之间的吸力造成伤害。无槽有铁芯比无槽无铁芯电机有更大的推力。

有槽有铁芯：这种类型的直线电机，铁心线圈被放进一个钢结构里以产生铁芯线圈单元。铁芯有效增强电机的推力输出通过聚焦线圈产生的磁场。铁芯电枢和磁轨之间强大的吸引力可以被预先用作气浮轴承系统的预加载荷。这些力会增加轴承的磨损，磁铁的相位差可减少接头力。

编辑本段小结

在实用的的和买的起的直线电机出现以前，所有直线运动不得不从旋转机械通过使用滚珠或滚柱丝杠或带或滑轮转换而来。对许多应用，如遇到大负载而且驱动轴是竖直面的。这些方法仍然是最好的。然而，直线电机比机械系统比有很多独特的优势，如非常高速和非常低速，高加速度，几乎零维护（无接触零件），高精度，无空回。完成直线运动只需电机无需齿轮，联轴器或滑轮，对很多应用来说很有意义的，把那些不必要的，减低性能和缩短机械寿命的零件去掉了。

编辑本段优点

（1）结构简单。管型直线电机不需要经过中间转换机构而直接产生直线运动，使结构大大简化，运动惯量减少，动态响应性能和定位精度大大提高；同时也提高了可靠性，节约了成本，使制造和维护更加简便。它的初次级可以直接成为机构的一部分，这种独特的结合使得这种优势进一步体现出来。

（2）适合高速直线运动。因为不存在离心力的约束，普通材料亦可以达到较高的速度。而且如果初、次级间用气垫或磁垫保存间隙，运动时无机械接触，因而运动部分也就无摩擦和噪声。这样，传动零部件没有磨损，可大大减小机械损耗，避免拖缆、钢索、齿轮与皮带轮等所造成的噪声，从而提高整体效率。

（3）初级绕组利用率高。在管型直线感应电机中，初级绕组是饼式的，没有端部绕组，因而绕组利用率高。

（4）无横向边缘效应。横向效应是指由于横向开断造成的边界处磁场的削弱，而圆筒型直线电机横向无开断，所以磁场沿周向均匀分布。

（5）容易克服单边磁拉力问题。径向拉力互相抵消，基本不存在单边磁拉力的问题。

（6）易于调节和控制。通过调节电压或频率，或更换次级材料，可以得到不同的速度、电磁推力，适用于低速往复运行场合。

（7）适应性强。直线电机的初级铁芯可以用环氧树脂封成整体，具有较好的防腐、防潮性能，便于在潮湿、粉尘和有害气体的环境中使用；而且可以设计成多种结构形式，满足不同情况的需要。

编辑本段工作原理

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。

由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。直线电机的驱动控制技术一个直线电机应用系统不仅要有性能良好的直线电机，还必须具有能在安全可靠的条件下实现技术与经济要求的控制系统。随着自动控制技术与微计算机技术的发展，直线电机的控制方法越来越多。对直线电机控制技术的研究基本上可以分为三个方面：一是传统控制技术，二是现代控制技术，三是智能控制技术。传统的控制技术如PID反馈控制、解耦控制等在交流伺服系统中得到了广泛的应用。其中PID控制蕴涵动态控制过程中的过去、现在和未来的信息，而且配置几乎为最优，具有较强的鲁棒性，是交流伺服电机驱动系统中最基本的控制方式。为了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技术。在对象模型确定、不变化且是线性的以及操作条件、运行环境是确定不变的条件下，采用传统控制技术是简单有效的。但是在高精度微进给的高性能场合，就必须考虑对象结构与参数的变化。各种非线性的影响，运行环境的改变及环境干扰等时变和不确定因数，才能得到满意的控制效果。因此，现代控制技术在直线伺服电机控制的研究中引起了很大的重视。常用控制方法有：自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制及智能控制。近年来模糊逻辑控制、神经网络控制等智能控制方法也被引入直线电动机驱动系统的控制中。目前主要是将模糊逻辑、神经网络与PID、H∞控制等现有的成熟的控制方法相结合，取长补短，以获得更好的控制性能。

直线电机在数控机床中的应用

一、引言

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。问题的症结在传统的传动链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，并日益显示其巨大的优越性。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，并使机床性能有了新的飞跃。

二、直线电机进给驱动的主要优点

进给速度范围宽。可从1（1）m/s到20m/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<60m/min，一般为20～

30m/min。

速度特性好。速度偏差可达（1）0.01%以下。

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。

定位精度高。采用光栅闭环控制，定位精度可达0.1～0.01（1）m。应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，响应灵敏，加上插补控制的精细化，可实现纳米级控制。

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。

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。

三、直线电机及其驱动控制技术的进展

直线电机与普通电机在原理上类似，它只是电机圆柱面的展开，其种类与传统电机相同，例如：直流直线电机，交流永磁同步直线电机，交流感应异步直线电机，步进直线电机等。

作为可控制运动精度的直线伺服电机在上世纪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。

近年来，直线电机及其驱动控制技术的进展表现在以下方面：（1）性能不断提高（如推力、速度、加速度、分辨率等）；（2）体积减小，温升降低；（3）品种复盖面广，可满足不同类型机床的要求；（4）成本大幅度下降；（5）安装和防护简便；（6）可靠性好；（7）包括数控系统在内的配套技术日趋完善；（8）商品化程度高。

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Siemens公司，Indramat公司；日本FANUC，三菱公司；美国Anorad，科尔摩根公司；瑞士ETEL公司等。

具有代表性的直线电机产品的技术指标：

FANUC L17000C3/2is；最大推力17000N；连续推力3400N（自然冷）/4080N（气冷）/6800（水冷）；最大速度240m/min（4m/s）；最大加速度30g；分辨率0.01（1）m。

Siemens 1FN3：最大推力20700N；连续推力8100N（水冷）；最大速度253m/min。

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。由于欧洲机床上应用直线电机较多，因此采用Siemens系统（如8l0D，840D）最多。

中国科学院电工所、浙江大学、沈阳工业大学等对直线电机开展了多年研究，江苏、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”攻关项目中研制成功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。

四、直线电机进给驱动在机床上的应用情况

表1 直线电机驱动的国产机床部分典型产品机床类型型号厂商主要特点

电火花成形机床 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80/120m/min

加速度0.8/1.5g

立式加工中心 XH716/5X-SM 江苏多棱数控机床有限责任公司 X轴直

线电机

车铣中心沈阳机床集团 X轴直线电机，

快进60m/min

活塞车床 G-CNCP200 清华大学 X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

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、2003年欧洲机床展，2002年、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JIMTOF

为例，在展的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[3>，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，成形机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），非球面加工机和微型微细加工机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）l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。此外，在压力机、坐标测量机、水切割机、等离子切割机、快速原型机及半导体设备的X-Y工作台上直线电机都有应用。

此外，浙江大学直线电机与现代驱动研究所开发了直线电机驱动的压力机、锯床、雕刻机、线切割机床。

北京机电院高技术股份有限公司承担的“十五”攻关项目《直线电机驱动的高速立式加工中心》，于2003年研制成功国内第一台直线电机驱动的加工中心，并在2003年北京国际机床展览会展出。该机床X/Y轴采用直线电机驱动，行程分别为1250/630mm，最大快移速度80/120m/min，最大加速度O.8/1.5g。机床在设计中对减轻运动部件质量、加强机床刚性、解决高速高加速运动下的抗冲击性、直线电机的防护，以及控制系统、伺服系统与直线电机的匹配和优化调试等方面做了有益的探索并取得了成功。为解决处于工作台下方的Y轴直线电机的防护问题，设计了密封的直线驱动轴部件，并获得了国家专利。经测定，该机床精度达到精密级加工中心标准，并有充分裕量。一年多来该机床工作稳定可靠。课题组还对直线电机初级线圈与次级磁铁（定子）的温升进行了试验。以X轴为例：X轴运动部件质量>1000kg，加速度设定为O.8g，快移速度设定为70m/min，连续往复运动1小时以上。试验结果：10分钟后初级线圈（水冷）温升趋于平衡，工作温度稳定在69℃左右，远远低于允许工作温度（12℃）。电机次级磁铁温升约2℃。可见直线电机初级线圈与次级磁铁（定子）的温升对机床的热影响有限，可通过补偿消除。

五、发展趋势

技术日益成熟

直线电机及其驱动控制系统在技术上已日趋成熟，已具有传统传动装置无法比拟的优越性能。过去们所担心的直线电机推力小、体积大、温升高、可靠性差、不安全、难安装、难防护等问题，随着电机制造技术的改进，已不再是大问题。而驱动与控制技术的发展又为其性能拓展和安全性提供了保证。选择合适的直线电机及驱动控制系统，配以合理的机床设计，完全可以生产出高性能、高可靠性的机床。现在直线电机驱动进给速度

100m/min，加速度1～2g的机床已很普遍，已有机床达到快进240m/min，加速度5g的指标（日本AMADA激光切割机）。日本Mazak公司宣称，该公司将在近期推出快移速度500m/min，加速度6g，主轴速度80000r/min切削速度8马赫的超音速加工中心。高速度高加速度的传动已在加工中心、数控铣床、车床、磨床、复合加工机床、激光加工机床及重型机床上得到广泛应用，这类机床在航空、汽车、模具、能源、通用机械等领域发挥着

特殊的作用。在电加工机床上采用直线电机驱动可实现0.1（1）m的精密平稳移动。在微细加工及精密磨削中，可实现10um进给分辨率及20m/min 的快移速度，加工表面粗糙度<1nm。在重型机床上采用直线电机驱数吨重的运动部件已不成问题。同步双驱动控制技术已成熟应用。这些都说明直线电机及其驱动控制技术在机床上的应用已经成熟，并在不断向前发展，会给人们带来更多的惊喜。此外，在国际上已有不同类型、不同规格的直线电机商品可提供，配套的驱动控制系统、检测装置及高速导轨、高速防护也都有相应产品供货。

成本不断下降，性能价格比更好

近年来，直线电机系统成本不断下降，在机床成本中的比重明显下降。DMG公司的DMC64V linear加工中心（X轴采用直线电机驱动），国内报价仅61.4万元人民币。但目前采用直线电机驱动仍比传统的传动装置价格要高。因此，直线电机的应用应着眼于高性能机床，特别是精密高速加工机床、特种加工机床、大型机床，解决传统传动方法不能解决的问题。另外，提高加工精度和加工效率也会提升机床的价值。例如，美国Gincin－nati公司的HYPCR MACH高速加工中心，X轴长达46m，采用直线电机驱动后，加工大型薄壁飞机零件，用传统方法加工一件要8小时，而用该机床只需30分钟。DMG公司介绍其采用直线电机驱动的DMC、CTX、GMC、GMX系列产品生产效率可提高20%。据意大利JOBS公司介绍，该公司生产的LinX 系列产品保证了龙门加工中心在长距离移动上的超高性能[4>，最大程度减少轴转换操作的无效时间，其德国用户采用LinX龙门加工中心（三轴均为直线电机驱动）加工模具，由于无效时间大为缩短等因素，加工效率比未采用直线电机的同类机床效率提高40%，而且由于传动部件无磨损，使用更可靠，运行费用更低。JOBS在生产LinX产品时采用直线电机的成本只增加百分之几，但由于性能提高，售价可增加15%～20%，机床利润率明显增加。

产业化趋势明显

直线电机在机床上的应用已不是样品，不是个例。近几年已在几十家著名企业的几十类产品上推广应用。据有关资料介绍，1997年直线电机驱动的机床销售量已达300台。2001年，德国DMG公司已在28种机型上采用直线电机，年产量达1500台（约3000多根直线电机驱动轴），占其总产量的1/3。意大利JOBS公司自1999年开发出LinX直线电机驱动的龙门加工中心后，2003年该公司LinX系列产品已占全公司总产量的60%（年产50台大型龙门加工中心和龙门铣床），并成为公司的主要利润来源。有专家预测，2005年直线电机驱动的机床将达到3000台，到2010年世界上将有20％的数控机床采用直线电机进给驱动，而这些机床都是高档机床，因此其产业化前景是不言而喻的。

六、建议

我国在直线电机及驱动控制技术的研发、应用与世界水平相差甚远，至少有十年的差距。无论产品的性能、品种，还是在机床上的应用仅处于起步阶段，甚至大量是空白。如果我们不能抓住当前宏观经济形势大好，市场需求旺盛的机遇，在“十一五”期间加大投入，在直线电机及其驱动控制技术的开发与应用上奋起直追，我国的高档数控机床会更加落后，这将不利于我国的国家安全和产业安全。为此，建议在“十一五”规划中对直线电机及其驱动控制技术的开发与应用予以充分考虑。

在机床基础技术和关键技术研究中，研究直接传动技术应用

1）直线电机驱动的直线运动部件和力矩电机驱动的旋转部件的设计研究；2）高速、高加速度运动下机床刚性及抗冲击结构设计；3）吸振、抗振、隔热材料的应用（如聚合物混凝土）；4）轻型材料（如碳素纤维）在运动部件中的应用；5）直线电机的安装工艺及防护；6）控制系统、直线电机驱动系统与机械部件的匹配及合理配置，运动部件的加速度、速度调整及运动特性的优化。

开发应用直线电机驱动的高档数控机床

在基础技术和关键技术研究基础上，开发应用直线电机驱动控制的高档数控机床及工艺装备，以满足高速精密复合加工的需求。鼓励机床企业将这类机床做为自己的工作母机，在实际应用中不断改进设计，探索加工工艺，向用户提供展示和服务，并推向市场，逐步实现产业化。

以上工作为少走弯路，可完全选购国际上先进、成熟的直线电机功能部件及其控制系统，以使整机尽快达到国际同类产品水平。

开发直线电机产品及相关技术

在数控技术及关键功能部件中，开发直线电机产品（包括相应的驱动系统）。数控技术中应开发与直线电机驱动控制相匹配的软件技术，例如高速及高加速条件下的伺服控制及其调整，高速、高精度的插补技术，复杂加工程序的前瞻控制能力，机床动态特性参数优化模型，故障诊断与保证功能等。同时，相应开发与高速高加速运动相配套的高速导轨、高速防护、高速位置检测装置等。

七、结束语

2006年即将开始“十一五”规划，从企业到行业，从地方到中央都在制定新的规划。就机床的发展而言，直线电机无论作为功能部件还是其相关技术在机床中的应用，都应该得到足够重视。企业和研究部门应根据自己的客观条件选择相关课题开展研究，从战略高度考虑发展直线电机及其驱动控制的机床产品，并逐步形成产业，占领高档数控机床的重要制高点。建议行业和政府相关规划中予以大力支持。