1 导言
　　高速化、精细化和模块化是现代制作技能的翻开方向。新的切削理论以为：当切削速度到达必定程度（约500m/min）后，切削区温度不再上升，而且切削力反而会减小，刀具磨损也削减。这么内跋涉出产率的一同还能跋涉零件的外表质量和加工精度。
　　通常来说，高速加工的切削速度和进给速度都比惯例加工要高出一个数量级。因而高速主轴和活络进给体系是结束高速加工的两项要害技能，其间对进给体系提出了以下新恳求：（1）进给速度有必要与高速主轴相匹配，到达60m/min或更高：（2）加快度要大，这么才调在最短的时刻和行程内到达恳求的高速度，起码要1～2g：（3）动态功用要好，能结束活络的伺服操控和差错抵偿，具有较高的定位精度和刚度。
　　长时刻以来，数控机床的进给体系首要是“旋转伺服电动机，滚珠丝杠”，这种进给体系所能到达的最高进给速度为90～120m/min，最大加快度只需1.5g。一同，由于从电动机主轴到作业台之间存在联轴节、丝杠、螺母、轴承、支架等一系列基地环节，当进给部件要结束主张、加减速、回转、泊车等动作时，这些机械元件发作的弹性变形、抵触、反向空位等，会造
成进给运动的滞后和其它许多非线性差错：这些基地环节也加大了体系的惯性质量，影响了对运动指令的活络照料。别的，丝杠是细长杆，在力和热的作用下，会发作变形，影响加工精度。
　　为了打败传统进给体系的缺陷，简化机床构造，满意高速精细加工的恳求，咱们开端研讨新式的进给体系，直线电动机便是最有将来的活络进给体系。它撤消了源动力和作业台部件之间的悉数基地传动环节，使得机床进给传动链的长度为零，这便是所谓的“直接驱动”或“零传动”。
2 直线电动机的原理和分类
　　所谓直线电动机便是运用电磁作用原理，将电能直接改换直线运动动能的设备。在实习的运用中，为了确保在悉数行程以内初级与次级之间的耦合坚持不变，通常要将初级与次级制构成纷歧样的长度。直线电动机与旋转电动机相似，通入三相电流后，也会在气隙中发作磁场，假定不思考端部效应，磁场在直线方向呈正弦散布，仅仅这个磁场是平移而不是旋转的，因而称为行波磁场。行波磁场与次级互相作用便发作电磁推力，这便是直线电动机作业的根柢原理。由于直线电动机和旋转电动机之间存在以上对应联络，因而每种旋转电动机都有相对应的直线电动机，但直线电动机的构造办法比旋转电动机更活络。直线电动机按作业原理可分为：直线直流电动机、直线感应电动机、直线同步电动机、直线步进电动机、直线压电电动机及直线磁阻电动机：按构造办法可分为平板式、U形及圆筒式。
3 直线电动机的优缺陷剖析
　　直线电动机的特征在于直接发作直线运动，与直接发作直线运动的“旋转电动机，翻滚丝杠”比照，其利益是（具体功用见下表）：
　　

　　（1）没有机械触摸，传动力是在气隙中发作的，除了导轨外没有其它抵触：（2）构造简略，体积小，以起码的零部件数量结束直线驱动，而且是只需一个运动的部件：（3）行程有理论上不受绑缚，而且功用不会由于行程的改动而遭到影响：（4）能够供应很宽的速度方案，从每秒几微米到数米，分外是高速是其一个超卓的利益：（5）加快度很大，最大可达10g：（6）运动平稳，这是由于除了起支持作用的直线导轨或气浮轴承外，没有其它机械联接或改换设备的要素：（7）精度和重复精度高，由于消除了影响精度的基地环节，体系的精度取决于方位检查元件，有适宜的反响设备可达亚微米级：（8）保护简略，由于部件少，运动时无机械触摸，然后大大下降了零部件的磨损，只需很少乃至无需保护，运用寿数更长。
直线电动机与“旋转电动机，滚珠丝杠”传动功用比照表

　　直线电动机的缺陷是：首要直线电动机端部磁场的畸变影响到行波磁场的无缺性，使直线电动机损耗添加，推力减小，而且存在较大的推力不坚决，这便是直线电动机特有的“端部效应（Edge Effect）”。直线电动机的构造特征挑选了端部效应是不可避免的。其次直线电动机的操控难度大，由于在电动机的作业进程中负载（如工件分量、切削力等）的改动、体系参数摄动和各种烦扰（如抵触力等），包含端部效应都直接作用到电动机上，没有任何缓冲或削弱环节，假定操控体系的鲁棒性不强，会构成体系的失稳和功用的下降。别的缺陷包含设备艰难、需求隔磁、功率低、本钱高档。
　　制作业中满意高速加工基地进给体系恳求的首要是沟通直线电动机。沟通直线电动机可分为感应式和同步式两大类。尽管同步式直线电动机比感应式直线电动机本钱较高、设备艰难、需求屏蔽磁场，但功率较高、构造简略、次级不必冷却、操控便当、更简略到达所恳求的高功用，而且跟着钕铁硼（NdFeB）永磁资料的呈现和翻开，永磁同步直线电动机将逐步翻开成干流。因而在高速加工基地中永磁沟通同步直线电动机所占的份额将越来越高。
4 直线电动机的翻开及运用
　　国外直线电动机翻开
　　翻开前史
　　直线电动机翻开的起点并不比旋转电动机晚许多，在世界上呈现旋转电动机后不久，就呈现了直线电动机的雏形，但直线电动机的翻开进程是弯曲的。
　　1845年英国人Charles Wheastone发了解世界上榜首台直线电动机，但这种直线电动机由于气隙过大而致使功率很低，未获成功。到20世纪中叶，操控、电子、资料等技能的翻开，为直线电动机的开发供应了理论和技能上的支持，直线电动机开端进入新的翻开时期。英国的E.R.Laithwaite教授是现代直线电动机翻开的前驱者，他偏重直线电动机的根底研讨，以他为首的研讨小组取得了不少首要的作用。代表人物还有日本的山田一教授，他编撰了多本有关直线电动机的作品。20世纪70年代往后，直线电动机运用的范畴愈加广泛，如主动绘图仪、液态金属泵（MHD）、电磁锤、轻工机械、家电、空气紧缩机和半导体系作设备等。90年代往后，跟着高速加工概念的提出，直 线电动机开端作为进给体系呈如今加工基地中。由于直接驱动进给体系具有传统进给体系无法比照的利益和潜力，再次遭到各国的重视。据有关报道，美国1997年直线电动机及驱动设备的出售额为4553万美元，估量2002年将到达10772万美元。
　　直线电动机作为一种机电体系，将机械构造简略化，电气操控杂乱化，契合现代机电技能的翻开趋势。
　　美国的Anorad公司是世界上最出名的直线电动机出产商，该公司在1988年就推出了无刷直流直线电动机，并取得美国专利。公司首要出产永磁同步式直线电动机，构成了纷歧样构造、纷歧样功率的一系列商品，广泛运用于各种范畴。
　　德国的Indramat公司既出产感应式直线电动机，又出产永磁式直线电动机，共50多个类型。永磁式具有高功率（最高1.72N/W）和高推力密度的特征。据报道，其商品速度能到达600m/min，推力达22kN。
　　为了下降直线电动机的报价，Trilogy公司推出了直线编码模块（LEM）。它运用电动机的磁场供应方位的反响，与行程无关。可作业于恶劣的环境，供应的换向信号与全行程传感器相同，分辩率和重复精度为5µm。
　　别的直线电动机出产商的商品各具特征，具体请见刘金凌等所著《高频响直流直线电机》（刊于《微特电机》1993年第4期）。在机床和加工基地的运用直线电动机在高速加工基地和其它大行程数控机床进给体系中的运用仍是近几年的作业。设备直线电动机的机床有必要有抢先的数控体系、很高的刚度和固有频率，移动部件的质量要尽量小，这么才调充沛体现直线电动机的才调。别的，机床中直接驱动进给体系的方案还要思考冷却与散热疑问。为了避免切屑和各种粉末被直线电动机的翻开式磁场招引，还有必要选用隔磁和防磁办法。此外，直线电动机不象丝杠那样能够自锁，假定电动机笔直设备，还要思考平衡配重和制动等环节。
　　Ford、Ingersoll和Anorad公司在80年代中期的协作，开端结束了直线电动机在机床上的运用。Ford公司期望机床既高速、高精度，又高柔性。协作的作用是Ingersoll公司推出了“高速模块”HVM800，其三轴都设备了Anorad公司的永磁式直线电动机，取得极好的功用。
　　德国Ex-Cell-O公司于1993年在德国汉诺威欧洲机床博览会上展出世界上榜首台直线电动机驱动作业台的XHC240型高速加工基地，选用的是德国Indramat公司开发的感应式直线电动机，各轴移动速度高达80m/min，加快度可达1g。往后，许多厂商美丽推出设备直线电动机的加工基地。据核算，1997年选用直线电动机的机床出售量为300台，估量到2005年将添加到3000台。10年后，将有20%的数控机床设备直线电动机。
　　除了切削加工机床外，别的机床如激光切开、等离子切开、电火花加工等设备也开端运用直线电动机。
　　国内直线电动机的研讨状况
　　尽管国内研讨直线电动机的单位不少，但将直线电动机作为机床或加工基地进给体系研讨的首要有3所大学：广东工业大学树立了“超高速加工与机床研讨室”，首要研讨和开发“超高速电主轴”和“直线电动机高速进给单元”。他们研讨的是直线感应电动机，开发了GD-3型直线电动机高速数控进给单元，额外进给力为2kN，最高进给速度100m/min，定位精度0.004mm，行程为800mm。从90年代后期开端，沈阳工业大学对永磁直线同步电动机进行研讨，并制作了推力为100N的样机。他们研讨的另一要害是电动机的操控办法及伺服体系，并就此宣告了多篇论文。清华大学精细仪器与机械学系制作工程研讨所成功地研发了高频响直流直线电动机，行程可达5mm，截止频率大于250Hz，推力达几百牛顿，用于驱动中凸变活塞车床的横向刀架，在实习加工中取得了较好的运用作用。如今正在进行研讨的是长行程永磁直线伺服单元，电动机的额外推力为1500N，最高速度60m/min，空载最大加快度1g，行程600mm。
　　应当看到，在国内，直线电动机分外是机床进给体系中的直线伺服电动机的研讨还处于起步时期，研讨人员和经费显着短少，翻开也比照慢，和国外的间隔越来越大，加强研讨已是火烧眉毛。为了打破国外的技能独占，有必要走技能盯梢和自立开发相联络的旅程，加强根底和要害技能的研讨。
5 翻开趋势与研讨方向
　　翻开趋势
　　如今直线电动机直接驱动技能的翻开呈现出以下趋势：
　　机床进给体系用直线伺服电动机，将以永磁式为主导：
　　将电动机、编码器、导轨、电缆等集成，减小电动机规范，便于设备和运用：
　　将各功用部件（导轨、编码器、轴承、接线器等）模块化：
　　重视有关技能的翻开，如方位反响元件、操控技能等，这是跋涉直线电动机功用 的根底。
　　研讨方向
　　直线电动机的研讨方针是跋涉电动机功用，满意运用恳求。直线电动机的首要功用包含速度、加快度、推力及其不坚决、定位精度、重复定位精度、机械特性（速度-推力特性）、瞬态功用（速度照料）和热特性等。
　　作为一种机电体系，要跋涉功用无非可从构造和操控两方面着手。
　　构造方案
　　直线电动机包含初、次级磁路构造以及支持、传感丈量、冷却、防尘、防护等机械构造。
　　磁路方案
　　磁路方案最首要的使命是使电动机的推力和推力不坚决到达方案恳求。
　　电动机内磁场散布的核算是磁路方案的根底。由于构造的分外性，使得直线电动机存在端部效应，致使磁场的畸变，一同运用硅钢片等软磁资料来聚合磁路，媒质鸿沟弯曲交织、磁路杂乱、非线性强。假定选用传统的等效磁路法或图解法进行核算，将会发作较大的差错，乃至是不或许的。因而如今遍及选用数值解法—首要是用有限元法（FEM）来核算直线电动机的磁场散布，然后进一步核算推力及其不坚决以及笔直力等功用。如今商场上现已有许多优良的电磁场FEM软件可供选用，所以用FEM核算直线电动机电磁场的要害点在于树立准确的有限元模型。
　　削减推力不坚决是磁路方案的一个要害也是难点。推力不坚决发作的要素有：初级电流和反电动势存在高次谐波、气隙磁密波形非正弦、齿槽效应、端部效应等。经过优化永磁铁的形状和摆放办法、下降永磁励磁磁密、初级选用无铁心和多极构造、添加槽的数目、加大气隙等办法能够减小推力不坚决，但某些办法会构成其它功用的削弱，所以方案时应归纳思考方案恳求，到达最佳作用。
　　机械构造方案 机械构造触及的疑问许多，在这儿咱们只偏重一下对冷却体系的研讨，由于这个疑问很简略被疏忽。正本热特性是直线电动机的一个首要特性，同一类型的电动机有冷却时的推力峰值是无冷却时的两倍，所以电动机冷却体系的好坏对电动机的功用有很大的影响，从冷却体系着手进行优化方案是跋涉电动机功用的一条捷径。电动机热特性的剖析通常也选用有限元法，在核算作用的根底上对冷却进行优化方案。

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