分析直线电机在数控机床中的应用
数控机床主轴电机的类型
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直线电机的计算机辅助设计及研究
直线电机的计算机辅助设计及研究随着科技的不断发展，计算机辅助设计（CAD）技术广泛应用于各个领域。
在电机设计领域中，CAD技术的应用也取得了显著的成果。
本文将重点介绍一种新型的电机设计技术——直线电机的计算机辅助设计及研究。
直线电机是一种将电能直接转换为直线运动机械能的装置。
相较于传统的旋转电机，直线电机具有结构简单、维护方便、精度高等优点。
因此，直线电机在机床、交通运输、自动化生产线等领域得到了广泛的应用。
随着计算机技术的迅速发展，直线电机CAD技术也不断进步。
早期的直线电机CAD技术主要依赖于设计师的手动设计和计算，效率低下且精度难以保证。
随着CAD软件的不断完善，现在的直线电机CAD技术已经可以实现自动化设计和优化。
（1）参数化设计：通过设定相关参数，软件可以自动完成直线电机的设计，并生成相应的三维模型。
（2）性能预测：软件可以根据设计模型，预测直线电机的性能指标，如推力、速度、精度等。
（3）结构优化：根据性能预测结果，软件可以对设计模型进行优化，提高直线电机的性能。
在直线电机设计中，有限元分析是一种常用的数值分析方法。
通过有限元分析，可以精确地模拟直线电机的电磁场分布、推力输出、热分布等情况，为设计师提供有力的参考依据。
仿真分析是通过建立数学模型，模拟直线电机的实际运行情况，以便评估其性能和可靠性。
通过仿真分析，设计师可以预测直线电机在不同工况下的表现，及时发现和解决潜在的问题。
这里以某款高速直线电机为例，介绍其计算机辅助设计和研究过程。
该款直线电机应用于高精度数控机床，要求推力大、行程长、定位精度高。
利用CAD软件进行参数化设计，调整电机结构尺寸，优化电磁方案。
根据客户要求，设定电机的行程、推力、精度等参数，软件自动生成三维模型。
利用有限元软件对设计模型进行电磁场分析，发现电磁力分布不均匀，影响了电机的推力输出。
通过调整电磁方案和结构设计，优化电磁力分布。
根据优化后的设计模型进行仿真分析，评估电机的性能和可靠性。
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。
直线电机在数控机床中的应用教程
直线电机在数控机床中的应用教程直线电机的历史可以追溯到1840年惠斯登制作的并不成功的略现雏形的直线电机，其后的160多年中直线电机经历了探索实验、开发应用和使用商品化三个时期。
1971年至目前，直线电机终于进入独立应用的时期，各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多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、各种电动门、电动窗等。
利用直线电机驱动的磁悬浮列车，速度已超过500km/h，接近了航空飞行的速度。
我国的直线电机的研究和应用是从20世纪70年代初开始的。
目前主要成果有工厂行车、电磁锤、冲压机等。
我国直线电机研究虽然也取得了一些成绩，但与国外相比，其推广应用方面尚存在很大的差距。
目前，国内不少研究单位已注意到这一点。
直线电机在数控机床上应用的现状近几年，国际上对数控机床采用直线电机显得特别热门，其原因是：为了提高生产效率和改善零件的加工质量而发展的高速和超高速加工现已成为机床发展的一个重大趋势，一个反应灵敏、高速、轻便的驱动系统，速度要提高到40～50m/min以上。
传统的“旋转电机滚珠丝杠”的传动形式所能达到的最高进给速度为30m/min，加速度仅为3m/s2。
直线电机驱动工作台，其速度是传统传动方式的30倍，加速度是传统传动方式的10倍，最大可达10g；刚度提高了7倍；直线电机直接驱动的工作台无反向工作死区；由于电机惯量小，所以由其构成的直线伺服系统可以达到较高的频率响应。
1993年，德国ZxCell-O公司推出了世界上第一个由直线电机驱动的工作台HSC-240型高速加工中心，机床主轴最高速达到24000r/min，最大进给速度为60n/min，加速度达到1g，当进给速度为20m/min 时，其轮廓精度可达0.004mm。
美国的Ingersoll公司紧接着推出了HVM-800型高速加工中心，主轴最高转速为20000r/min，最大进给速度为75.20m/min。
现代直线电机关键控制技术及其应用研究
现代直线电机关键控制技术及其应用研究一、本文概述随着科技的不断进步和工业领域的快速发展，现代直线电机及其关键控制技术已经成为现代工业自动化领域的重要研究内容。
直线电机以其高效、高精度、高速度等显著优点，在高速交通、精密机械、电子设备等多个领域得到了广泛应用。
然而，直线电机的控制技术作为影响其性能的关键因素，一直是研究的热点和难点。
本文旨在深入探讨现代直线电机的关键控制技术，并分析其在实际应用中的研究现状和发展趋势，为相关领域的科研工作者和工程师提供有益的参考。
本文首先简要介绍了直线电机的基本原理和分类，阐述了直线电机在现代工业中的重要地位。
随后，重点分析了直线电机的关键控制技术，包括位置控制、速度控制、力控制等方面，并详细探讨了各种控制技术的原理、特点以及适用场景。
在此基础上，本文还综述了直线电机在高速交通、精密机械、电子设备等领域的应用案例，分析了这些应用中的技术难点和解决方案。
本文展望了现代直线电机关键控制技术的发展趋势，探讨了未来可能的研究方向和应用前景。
通过本文的研究，旨在为推动现代直线电机控制技术的进步和实际应用的发展提供有益的借鉴和指导。
二、直线电机基本原理与分类直线电机，又称线性电机，是一种能够实现直线运动的特殊电机。
其基本原理与传统的旋转电机相似，都是基于电磁感应原理进行工作。
但与传统电机不同的是，直线电机不需要通过旋转运动转化为直线运动，而是直接产生直线运动。
直线电机的基本结构主要包括定子、动子和支撑结构。
定子通常由铁心和绕组构成，负责产生磁场；动子则负责在磁场中运动，其结构形式多样，可以是磁铁，也可以是带有绕组的导体。
当定子中的电流变化时，产生的磁场也会随之变化，进而驱动动子在直线方向上运动。
根据动子与定子之间的相对运动关系，直线电机可以分为动磁式和动圈式两类。
动磁式直线电机中，动子是磁体，定子是线圈，电流在定子线圈中产生磁场，从而驱动动子做直线运动。
而动圈式直线电机则相反，动子是线圈，定子是磁体，电流在动子线圈中产生磁场，与定子磁场相互作用，驱动动子直线运动。
数控机床直线电机进给伺服系统的动态特性分析与研究
数控机床直线电机进给伺服系统的动态特性分析与研究1. 数控机床直线电机进给伺服系统概述随着科技的不断发展，数控机床在工业生产中扮演着越来越重要的角色。
为了提高数控机床的加工精度和效率，近年多的研究者开始关注直线电机进给伺服系统的研究与应用。
直线电机进给伺服系统是一种采用直线电机作为驱动源的高精度、高速度、高可靠性的伺服系统，广泛应用于数控机床、机器人、自动化生产线等领域。
直线电机进给伺服系统具有很多优点，如结构简单、体积小、重量轻、响应速度快、转矩大等。
这些优点使得直线电机进给伺服系统在数控机床中的应用越来越广泛。
由于直线电机本身的特点以及伺服系统的复杂性，对其进行动态特性分析与研究具有很大的挑战性。
本文将对数控机床直线电机进给伺服系统的动态特性进行深入研究，以期为实际应用提供理论依据和技术支撑。
1.1 研究背景随着现代制造业的快速发展，数控机床在各个领域的应用越来越广泛。
数控机床的性能和精度对于提高产品质量、降低生产成本具有重要意义。
直线电机进给伺服系统作为数控机床的关键部件之一，其动态特性直接影响到数控机床的加工精度、速度和稳定性。
研究数控机床直线电机进给伺服系统的动态特性，对于提高数控机床的整体性能具有重要的现实意义。
传统的数控机床进给伺服系统主要采用步进电机驱动，虽然在一定程度上满足了加工需求，但其动态特性较差，如速度响应慢、加速度范围窄、负载能力有限等。
这些问题限制了数控机床在高速、高精度加工方面的应用。
随着直线电机技术的不断发展，直线电机进给伺服系统逐渐成为数控机床领域的研究热点。
直线电机具有功率密度高、加速度响应快、速度快、转矩大等优点，可以有效提高数控机床的性能。
由于直线电机进给伺服系统涉及到多个学科领域，如电机学、控制理论、机械设计等，因此对其动态特性的研究具有较高的难度。
本论文旨在对数控机床直线电机进给伺服系统的动态特性进行分析与研究，以期为提高数控机床的性能和稳定性提供理论依据。
直线电机工作原理,特点及应用(数控大作业)
《数控技术》大作业二1．综述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。
2．工作原理直线电动机的初级三相绕组通入三相交流电后，就会在气隙中产生一个沿直线移动的正弦波磁场，其移动方向由三相交流电的相序决定，如图所示。
显然该行波磁场的移动速度与普通电机旋转磁场在定子内圆表面的线速度相等。
行波磁场切割次级上的导体后，在导体中感应出电动势和电流，该电流与气隙磁场作用，在次级中产生电磁力，驱动次级沿着行波磁场移动的方向作直线运行，或者利用反作用力驱动初级朝相反的方向运动。
如果改变直线电动机初级绕组的通电相序，即可改变电动机的运行方向。
因此直线电动机可实现往返直线运动。
3．直线电机的特点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通过中问任何转换装置的新颖电机，它具有系统结构简单、磨损少、噪声低、组合性强、维护方便等优点。
旋转电机所具有的品种，直线电机几乎都有相对应的品种，其应用范围正在不断扩大，并在一些它所能独特发挥作用的地方取得了令人满意的效果。
直线感应电动机的特点是：结构简单，维护方便；散热条件好，额定值高；适宜于高速运行；能承担特殊任务，如液态金属的运输、加工等。
其缺点是气隙大，功率因数低，力能指标差，低速运行时需采用低频电源，使控制装置复杂。
直线电机在高速数控车削中心进给系统中的应用
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实现直线 电动机在数 控机床上的正常工作并充分
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制 、运行时 噪声低 、效率 高等优 点 ， 其在数 控机床 令
高速进给 系统 领域 逐渐发展为主导方 向” 。
Ｋｅ ｗｏ ｄ ｙ ｒ ｓ： Ｌｉ ａ ｔｒ；ＣＮＣ ｍａ ｈ ｎ ｏ ｌ Ｍ ａ ｈｎｅ ｔｏ ｅ ｄ ｓ ｓｅ ｎｅ ｒｍｏ ｏ ｃ ｉｅｔｏ； ｃ ｉ ｏ ｌｆｅ ｙ ｔ ｍ
“Ｄ Ａ Ｇ系列高 速数 控车床 及 车削 中心 ”是 “ 高 档 数控机床 与基 础制 造装 备 ” 科技 重 大专 项 中优 先
２１ ０ １年 ９月
机床 与液压
ＭＡＣＨＩ ＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬ Ｃ ＩＳ
Ｓｐ２ １ ｅ ． ０１ Ｖｏ ． ９ Ｎｏ ８ １ ３ ．１
第３ ９卷 第 １ ８期
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分析直线电机在数控机床中的应用
作者：周燕孙家峰
来源：《中国机械》2013年第24期
摘要：本文主要通过研究直线电机及其驱动控制技术如何在机床中得以应用及其未来的发展方向，得出了中国机床行业应加快研发直线电机技术的开发与应用。
关键词：数控机床传动结构直线电机
直线电动机是近些年来国内外积极研究的新型电机之一。
它是一种不需要中间转换装置，而能直接作直线运动的电动机械。
如今，直线电机驱动技术不断的更新，已达到成熟的阶段，被广泛应用于高档数控机床，这是因为技术具有精度高、无磨损、噪音低、效率高、响应速度快、节省空间的优点，而且使机器布置更加紧凑，结构多变，易于实现高刚性，提高了机床的整体性能而倍受人们关注。
随着高速加工技术的快速发展，要求越来越高的驱动和控制系统，促使直线电机驱动技术的研究力度在逐步加快。
因此，本研究不仅是符合直线驱动技术向更高、更快的发展趋势，又能满足市场广大的需求，带来更大的经济效益。
直线驱动机床是未来发展的必然趋势，所以我们应加紧步伐追赶。
1.直线电机在数控机床上应用的现状
为了提高生产率和提高产品的质量，高速和超高速加工技术已成为机床发展的一大趋势，直线电机具有反应灵敏，速度快，重量轻，传动系统速度可提高到40～ 50m/min以上的优势。
传统的“旋转电机+滚珠丝杠”传输方式可达30m/min最高速度，加速度仅为3m/s2。
直线电机驱动的工作台，它的速度比传统的传输模式快30倍，加速比是传统的传输模式的10倍，最大为10g；刚性升高了7倍；无反向工作死区是直线电机的最大特点；因其电机惯量小，所以由它构成的直线伺服系统可以达到更高的频率响应。
1993年，一台型号 HSC 240的加工中心是世界上第一台由直线电机驱动工作台的高速加工中心，由德国Z公司研发而成，其主轴转速已达到24000r/min，60m/min的进给速度更是让人惊讶，加速度则是达到的1g，当进给速度保持在20m/min时，轮廓精度可保持为
0.004mm。
其后，日本也成功制造出包括超高速小型加工中心、超精密镜面加工机床等[1]。
在中国，以清华大学、浙江大学、中国科学院等为代表的多家院校及研究所也一直致力于研发更快更好的直线驱动技术，通过校企联合等模式应用实践中，为此项技术在我国的应用与发展做出了不可磨灭的贡献，并取得了很大的进展。
但我们也必须正视自己存在缺陷，与国际先进水平相比，当前中国的经济型机床行仍然是太多，产品技术含量不高，具有较高技术含量的高档数控机床较少，技术水平与世界先进国家还有很大的差距。
因此，我们需要增加对机床基础技术和关键技术的研究工作，以赶上国际先进水平，制作出适合中国国情的高档直线电机及其控制系统和其他附属产品，以满足高端数控机床产品的需求，提高自身的综合竞争力。
2.应用难点的分析
2.1.如何防磁抗干扰
由于直线电机的磁场是敞开式的，金属粉尘、切屑粉末等各种磁性材料很容易被电机磁场吸入而干扰其正常工作，甚至损坏电机，所以要对其进行隔磁处理。
此外，还需要考虑机床冷却液，润滑油，电缆的保护，信号线屏蔽，负载扰动和系统控制。
由于直线电机驱动系统省去了中间传动环节，所以电机直接承受着各种干扰力，同时，该直线电机的端部效应也为系统的控制增加了一定的难度，因此控制器必须有较强的抗干扰能力和良好的稳定性[2]。
2.2.发热问题
在工作状态下的直线电动机，由于线圈的功率损耗，将产生很多的热量，如果空间的驱动部分很小，将使电机动子温度急剧升高，而动子通常在机床导轨附近，过多的热量会导致导轨温度变化大，导致轨道变形，从而影响机床的工作精度。
因此，我们必须采取有效措施来冷却，将温度控制在可接受的范围内，保证电机的正常使用。
2.3.减少磁力
目前，直线电机的定子大多数是稀土永磁体，而稀土永磁体对铁磁性材料的吸力及其强大，且对铁磁性材料有极高的磁化能力。
实验结果证明，直线电机的永磁定子法向磁力为电机可以提供连续的推力的10倍，并且定子的磁力与电机动子是否通电无关。
磁吸力存在于定子与动子之间及定子与安装件之间。
平行的导轨是单马达装置经常使用的方式，此方法使磁吸力大部分集中在导轨上，产生更大的变形，影响数控机床的加工精度，又导致了导轨和滑块之间的压力，增大了滑动摩擦力，会影响推力的不稳定，影响机床动态性能。
因此，合理降低电机的磁场力将是一个突出的问题。
3.优化直线电机在数控机床中的应用
3.1.冷却方式优化
常用水冷却措施，将液体注入直线电机动子内，液体经过动子线圈绕组旁的冷却水套迂回流出，将动子产生大量的热带走，达到冷却。
在实际应用中，具体冷却参数的确定将视电机参数及其要求来确定。
3.2.加强隔磁与防护
避免直线电机的磁效应强带来不利影响，必须采取隔离磁处理。
把防护罩安装在定子表面，或由直线电机磁场的折叠密封保护套完全封闭起来；也可以在驱动部分安装在内部喷气装置，从内到外喷射空气，从而达到灰尘、切屑粉末不被吸入的效果。
此外，其它部件所需信号
电缆及动力电缆等虽然具有屏蔽膜，仍要远离直线电机磁场区域，避免磁场给控制系统带来干扰。
为了使控制系统保持稳定性，其设计必须使用闭环控制。
3.3.保证定子和动子的间距
定子动子的间距小，并且表面要求平行，当行程较远时，在加工中很难保证。
因此，可在动子与移动部件间加装 10～20mm 厚垫片，不仅可以降低磁吸连接部件的动力，同时调整方便，采用配磨法进行调整，保证定子与动子间的平行及间隙。
4.小结
从机床的未来的发展方向，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，都应重视起来。
相关领域的研究应是企业或相关部门根据实际情况而定，从全局角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。
参考文献：
[1]郭瑶瑶.机床进给系统采用永磁直线电机法向吸力的研究[J].中国机械工程，2007（10）：1174-1177.
[2]毛丽青.我国数控机床功能发展初探[J].机械工程师，2011（7）：20-21.
[3]朱非墨.直线电机在高速加工机床上的应用与展望[J].微电机，2013（5）：47-48.。