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：12847920指导教师：董颖怀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。

自从Wheatsone提出和试制了直线电机以后，最早明确地提到直线电机文章的是1890年美国匹兹堡市的市长，在他所写的一篇文章中，首先明确地提到了直线电机以及它的专利。

然而，由于当时的制造技术、工程材料以及控制技术的水平，在经过断断续续20多年的顽强努力后，最终却未能获得成功。

至1905年，曾有两人分别建议将直线电动机作为火车的推进机构，一种建议是将初级放在轨道上，另一种建议是将初级放在车辆底部。

这些建议无疑是给当时直线电机研究领域的科研人员的一剂兴奋剂，以致许多国家的科研人员都投入了这些研究工作。

1917年出现了第一台圆筒形直线电动机，事实上那是一种具有换接初级线圈的直流磁阻电动机，人们试图把它作为导弹发射装置，但其发展并没有超出模型阶段。

至此，从1930~1940年期间，直线电机进入了实验研究阶段，在这个阶段中，科研人员获驭了大量的实验数据，从而对已有理论有了更深一层的认识，奠定了直线电机在今后的应用基础。

从1940～1955年期间世界一些发达国家科研人员，在实验的基础上，又进行了一些实验应用工作。

1945年，美国西屋电气公司首先研制成功的电力牵引飞机弹射器，它以7400kW的直线电动机为动力，成功地用4.1s的时间将一架重4535kg，的喷气式飞机在165m的行程内由静止加速的188km/h的速度，它的试验成功，使直线电动机可靠性好等优点受到了应有的重视，随后，美国利用直线电机制成的、用作抽汲钾、钠等液态金属的电磁泵，为的是核动力中的需要。

1954年，英国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直流直线电机制成了发射导弹的装置，其速度可达1600km/h。

在这个阶段中，尤需值得一提的是，直线电机作为高速列车的驱动装置得到了各国的高度重视并计划予以实施。

在1840～1955年期间，是直线电机探索实验和部分实验应用时期，在直线电机与旋转电机的相互竞争中，由于直线电机的成本和效率方面没有能够战胜旋转电机，或者说，直线电机还没能找到唯独它能解决问题的领域，以及直线电机在设计方面也没有突破性的成功，所以直线电机在这一时期始终未能得到真正的应用。

1956～1970年为开发应用时期：自1955年以来，直线电机进入了全面的开发阶段，特别是该时期的控制技术和材料的惊人发展，更加助长了这种势头。

在这段时期，申请直线机的专利件数也开始急速增加，该时期直线电机专利的增长率超过了所有其他技术领域的平均增长率。

到1965年以后，随着控制技术和材料性能的显著提高，应用直线电机的实用设备被逐步开发出来，例如采用直线电机的MHD泵、自动绘图仪、磁头定位驱动装置、电唱机、缝纫机、空气压缩机、输送装置等。

1971年至今为实用商品时期从1971年开始到目前的这个阶段，直线电机终于进入了独立的应用时代，在这个时代，各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具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、起重机、空压机、冲压机、拉伸机、各种电动门、电动窗、电动纺织机等等。

特别可喜的是利用直线电机驱动的磁悬浮列车，其速度已超500km/h，接近了航空的飞行速度，且试验行程累计已达数十万千米。

1.1 直线电机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。

对应旋转电机定子的部分叫初级，对应转子的部分叫次级。

在初级绕组中通多相交流电，便产生一个平移交变磁场称为行波磁场。

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。

图1直线电机的转变过程引用于长沙一派数控机床有限公司图2 旋转电机的基本工作原理图3 直线电机的基本工作原理1－定子2－转子3－磁场方向1－初级2－次级3－行波磁场将图2的旋转电机在顶上沿径向剖开，并将圆周拉直，便成了图四的直线电机。

当通往三相对称正弦电流后，也会产生气隙磁场。

当不考虑横向、纵向的端部效应时，这个气隙磁场也和旋转电机非常相似，也可看成是沿展开的直线方向呈正弦分布。

当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A、B、C相序沿直线移动。

在原理上与旋转电机类似，不同之处在于：这个磁场是平移的，而不是旋转的，因称为行波磁场。

显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场的的线速度是一样的，即为v ft s = 2 (m/s)也称为同步速度。

在次级中为简便起见，图中只画出一根导条，次级导条在行波磁场的切割下，将产生感应电动势并产生电流。

而所有导条上的电流和气隙磁场的相互作用便产生电磁推力。

1.2直线电机的特点主要表现在以下几个方面：（1）高响应性一般来讲，电气元器件比机械传动件的动态响应时间要小几个数量级。

由于系统中取消了响应时间较大的如丝杠等机械传动件，使整个闭环伺服系统动态响应性能大大提高。

（2）高精度性由于取消了丝杠等机械传动机构，因而减少了传动系统滞后所带来的跟踪误差。

通过高精度直线位移传感器（如μ级），进行位置检测反馈控制，大大提高机床的定位精度。

（3）速度快、加减速过程短机床直线电机进给系统，能够满足60m/m i n~200m/m i n或更高的超高速切削进给速度。

由于具有高速响应性，其加减速过程大大缩短，加速度一般可达到2g~20g。

（4）传动刚度高、推力平稳“直接驱动”提高了传动刚度。

直线电动机的布局，可根据机床导轨的形面结构及其工作台运动时的受力情况来布置，通常设计成均布对称，使其运动推力平稳。

（5）行程长度不受限制通过直线电动机的定子的铺设，就可无限延长动子的行程长度。

（6）运行时噪声低取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，导轨副可采用滚动导轨或磁悬浮导轨（无机械接触），使运动噪声大大下降。

（7）效率高由于无中间传动环节，也就取消了其机械摩擦时的能量损耗，系统效率大大提高。

直线电动机系统的开发应用，将引起机床行业的传统进给机械结构发生变革。

通过先进的电气控制，不仅简化了进给机械结构，更重要的是使机床的性能指标得到很大提高。

1.3直线电机的分类1、直线感应电机直线感应电机（LIM,linear induction motor）是单边激磁电机，结构非常简单，因此在中低速轨道交通系统中应用最早，也最广。

最常见的直线感应电机是单侧定子结构的，为了改善磁路，提高效率，也可以采用双侧定子直线感应电机。

直线感应电机的特点是单边激磁，一般动子采用感应板（实心、无绕组），结构简单，经济。

2、直线同步电机同步电机是双边激磁电机，不论采用长定子或短定子，结构都较复杂。

但是在高速磁悬浮列车中的直线同步电机几乎无例外地采用长定子，这是因为：同步电机转子激磁功率远小于定子，所以把功率较小的励磁绕组（转子）安装在车上，可以由谐波发电机与电池给转子励磁线圈供电或采用超导线圈，避免了接触网/轨，从而可实现高速运行。

同步直线电机（LSM,linear Synchronous Motor）的优点之一是功率因数好，效率较高，因而比较适合大气隙、大功率电机，所以，高速磁浮列车主要采用直线同步电机。

同步电机用于磁浮列车时有一个突出的优点：由于转子激磁后就是一个电磁铁，所以在磁浮列车上可以用做磁浮磁铁，这样就可以一机两用——既是牵引系统，又是磁浮系统，从而减轻了车辆的重量。

3、永磁直线电机永磁直线电机（PLLM., permanent magnet linear motors）也是直线同步电机的一种，只是其转子不再用电激磁，而是采用永磁磁极。

永磁直线电机的最大优点是单边激磁而且磁密较高，所以体积小，效率高。

但是，由于永磁不像电磁那样容易调节磁通，所以永磁直线电机弱磁控制性能较差。

而且，毕竟永磁材料成本较高，所以更适合于轨道较短或封闭环境的场合，如导弹或分机发射架，在车辆上的应用比较少。

近年来，由于体积较小，控制精度高，圆筒型直线永磁电机在伺服系统中的应用越来越多，特别是数控设备等需要高精度定位的场合，基本上采用的都是永磁交流直线同步电机。

4、双馈直线异步电机同步电机是双边激磁，所以转子直流励磁电流是可以调整的；而普通直线感应电机转子电流是感应产生的，不能人为调整，这也正是感应电机调速性能与功率因数较差的原因。

双馈异步电机（dual-feed linear induction motor）则可以独立调整转子电流，不过与同步电机不同的是转子也是交流电流。

这种直线电机主要用于车辆上，因为可以通过调节转子电流调整列车速度。

5、直线开关磁阻电机直线开关磁阻电机（LRM.linear swiyched reluctance motor）的与旋转开关磁阻电机一样，优点是单边激磁，转子是实心钢而不需要绕组，成本比直线感应电机还要低，所以是很有前途的一种驱动方案。