直線電機直接驅(qū)動系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快、精度高、速度和加速度大、振動和噪聲小等一系列優(yōu)點，是各類超高速精密機床的理想傳動方式。介紹了直線電機的工作原理與性能特點，重點闡述了直線電機的效率與功率因數(shù)、冷卻措施、法向磁吸力、伺服控制、隔磁與防護、重力加速度、電源電壓等七個方面的關(guān)鍵技術(shù)問題及其解決辦法。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對零件的制造精度和加工效率提出了越來越高的要求，作為工作母機的機床在加工速度和加工精度等性能指標(biāo)方面必須要有一個質(zhì)的飛躍。然而，采用“旋轉(zhuǎn)電機＋滾珠絲杠”進給傳動方式的傳統(tǒng)機床，由于受自身結(jié)構(gòu)的限制，在進給速度、加速度、快速定位精度等方面很難有突破性的提高。于是，一種嶄新的進給傳動方式———直線電機直接驅(qū)動方式應(yīng)運而生。直線電動機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能、而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動裝置，具有起動推力大、動態(tài)響應(yīng)快、定位精度高、速度與加速度大、振動與噪聲小、行程長度不受限制等優(yōu)點。特別是由于直線電動機無離心力作用，故直線移動速度可以不受限制；而且其加速度非常大，最高可達10g（g＝9．8m／s2），能實現(xiàn)起動時瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間準(zhǔn)停。但是，直線電動機直接驅(qū)動也存在一些缺點———關(guān)鍵技術(shù)問題。筆者對直線電動機的工作原理及性能特點、直線驅(qū)動的關(guān)鍵技術(shù)問題及其解決對策進行了綜述。

1直線電動機的工作原理

直線電動機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能、而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動裝置。它可以看成是將一臺旋轉(zhuǎn)電機沿徑向剖開，并展成平面而成，如圖1所示。由定子演變而來的一側(cè)稱為初級，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級。在實際應(yīng)用時，將初級和次級制造成不同的長度，以保證在所需行程范圍內(nèi)初級與次級之間的耦合保持不變。直線電動機可以是短初級長次級，也可以是長初級短次級。考慮到制造成本、運行費用，目前一般均采用短初級長次級。

直線電機工作原理與旋轉(zhuǎn)電機相似。以直線感應(yīng)電動機為例：當(dāng)初級繞組通入交流電源時，便在氣隙中產(chǎn)生行波磁場，次級在行波磁場切割下，將感應(yīng)電動并產(chǎn)生電流，該電流與氣隙中的磁場相互作用就產(chǎn)生電磁推力。如果初級固定，則次級在推力的作用下做直線運動；反之，則初級作直線運動。其他類型直線電動機的工作原理可由同類型旋轉(zhuǎn)電機類推。目前在進給機構(gòu)中應(yīng)用的直線電動機主要有同步式和感應(yīng)式兩類。同步式是在定件（如床身）上，沿全行程的一條直線上一塊接一塊地裝上永磁鋼，而在動件（如工作臺）下方的全長上，對應(yīng)地一塊接一塊地安裝上含鐵心的通電繞組。感應(yīng)式在動件上也是安裝含鐵心的通電繞組，但在定件上用不通電的繞組替代同步式的永磁鋼，且每個繞組中的每一匝均是短路的。

2直線電動機的優(yōu)點

（1）動態(tài)響應(yīng)快、定位精度高。直線電動機直接驅(qū)動系統(tǒng)由于取消了機械中間傳動環(huán)節(jié)，消除了反向間隙，系統(tǒng)的彈性變形大大減少，運動慣量也減少，使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能和定位精度大大提高，目前定位精度最高可達±7nm。

（2）直線移動速度快。由于無離心力作用，直線速度可以不受限制。目前在機床上直線電動機實際可用的最大進給速度達150～210m／min。

（3）加減速度大。加減速度最高可達到10g（g＝9．8m／s2），從而實現(xiàn)起動時瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間準(zhǔn)停，這對于機床等短行程進給非常有利。

（4）起動推力大。目前直線電動機最大推力已達20kN，從理論上講，直線電動機不存在任何推力極限。

（5）行程長度不受限制。在導(dǎo)軌上通過串聯(lián)直線電動機的定件，就可無限延長動件的行程長度。

（6）運行噪聲低、傳動效率高。由于無中間傳動環(huán)節(jié)，大幅度減少了機械摩擦，使運動噪聲大大下降，而由摩擦、彈性變形所引起的能量損耗大大減少。

3、關(guān)鍵技術(shù)問題及其解決辦法

直線電機伺服進給系統(tǒng)由于具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快、速度與加速度大、定位精度高、行程長度不受限制，振動與噪聲小等一系列優(yōu)點，因而在機床上具有廣泛的應(yīng)用前景。可以說，直線電機的發(fā)展與應(yīng)用促進了現(xiàn)代機床技術(shù)的發(fā)展，有可能使機床結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生革命性的變化。但也必須注意到直線電機本身還有一些問題沒有得到很好解決，在機床進給系統(tǒng)中使用直線電機時，要揚長避短、綜合分析、充分發(fā)揮直線電機的優(yōu)越性。在其設(shè)計、制造、控制、裝配過程中要特別注意解決好以下幾個方面的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1）效率和功率因數(shù)與同容量旋轉(zhuǎn)電機相比，直線電機的效率和功率因數(shù)要低，尤其在低速時更加明顯。這主要是由兩方面原因引起的：一是直線電機的初、次級之間的氣隙比旋轉(zhuǎn)電機的氣隙大（2～3倍），因此所需的磁化電流較大，使損耗增加；二是由于直線電機初級鐵芯兩端開斷，產(chǎn)生了直線電機所特有的邊端效應(yīng)，從而引起波形畸變等問題，其結(jié)果也導(dǎo)致?lián)p耗增加。這個問題要從兩方面來考慮。一方面，作為一個直線電機伺服進給系統(tǒng)，由于省去了中間機械傳動環(huán)節(jié)，可大大減少機械摩擦和系統(tǒng)的彈性變形，其運動質(zhì)量、運動慣量也減少，從而使能量損耗大大減少，有可能使系統(tǒng)的總效率比采用旋轉(zhuǎn)電機的系統(tǒng)的效率還要高。另一方面，在直線電機的設(shè)計、制造過程中，要采取各種措施來提高直線電機的性能，特別要注意降低端部效應(yīng)的影響。例如：可以在直線電機初級繞組的端部槽中，采用全填滿的繞組形式，即雙層繞組中每端部槽中放有兩組線圈邊，來提高設(shè)計電機的性能；也可以在主初級前面增加一段輔助短初級，用來減少入端電磁行波的效應(yīng)，但增加補償繞組會使電機的重量和成本增大，而且，有時在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)起來會有困難；還可以在次級鐵芯上開槽來顯著降低端部效應(yīng)，從而使鼠籠次級的直線感應(yīng)電機的性能比疊次級的要好。當(dāng)然，還可以采用各種數(shù)值算法和優(yōu)化算法通過對直線電機進行計算機輔助優(yōu)化設(shè)計，來提高其性能指標(biāo)。

（2）冷卻措施直線電機本身由于結(jié)構(gòu)簡單，其散熱效果還是比較好的。但是，當(dāng)直線電機用于機床時，由于其通常只能安裝在機床內(nèi)部，散熱比較困難，而且直線電機的繞組、鐵芯就處在機床導(dǎo)軌附近，將嚴重引起機床導(dǎo)軌熱變形。這與旋轉(zhuǎn)電機傳動方式相比有很大的不同，一方面旋轉(zhuǎn)電機利用電機軸上的風(fēng)扇即能較好地散熱，另一方面旋轉(zhuǎn)電機經(jīng)絲杠等傳動后，到機床導(dǎo)軌的空間距離已較遠，也就不存在由此引起的熱變形問題。所以機床進給系統(tǒng)采用直線電機驅(qū)動后，有時需要采取風(fēng)冷（自然風(fēng)或壓縮空氣）或循環(huán)水冷等冷卻措施。冷卻問題要在進行直線電機結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)設(shè)計時就加以考慮，否則，如果散熱條件不好，就會制約直線電機的電參數(shù)（如電流）的強度，從而制約其推力的大小，影響電機的性能。

（3）法向磁吸力直線電機除產(chǎn)生平行于運動方向的電磁推力外，還會在初級與次級間產(chǎn)生一個垂直于進給運動方向的法向磁吸力，其數(shù)值大約為推力的10倍左右。這個法向磁吸力通常是不希望存在的，而且由于在機床上所使用的直線電機大都無法做成雙邊型，這就對機床結(jié)構(gòu)剛度提出了更高的要求，因此在進行機床結(jié)構(gòu)設(shè)計，必須要考慮到這個法向磁吸力。為保證推力平穩(wěn)，直線電機的布局應(yīng)盡量做成對稱結(jié)構(gòu)。也可以將直線電機的初、次級與機床導(dǎo)軌副結(jié)合起來設(shè)計，利用初級與次級間的法向磁吸力來實現(xiàn)無機械接觸的磁懸浮導(dǎo)軌，變不利為有利。

（4）伺服控制直線電機給系統(tǒng)雖然消除了中間傳動機構(gòu)的彈性變形、間隙、摩擦等因素對系統(tǒng)精度的影響，但由于直線電機的初、次級通常是與機床工作臺、床身聯(lián)在一起的，工作臺等移動部件必然包含在閉環(huán)系統(tǒng)之內(nèi)，也就是說直線電機傳動控制只能采用全閉環(huán)控制，這就使得各種干擾（如工件重量、切削力等的變化）不經(jīng)過任何中間環(huán)節(jié)的衰減而直接傳到直線電機上，加大了伺服控制的難度。而對于旋轉(zhuǎn)電機傳動通常是采用半閉環(huán)控制來隔離這些干擾，即使采用全閉環(huán)控制，由于滾珠絲桿等彈性中間環(huán)節(jié)能吸收和抑制這些干擾，因而其伺服控制的難度相對較小。因此，對于直線電機伺服進給系統(tǒng)來講，必須采用比旋轉(zhuǎn)電機傳動時更為有效的控制技術(shù)。直線電機伺服進給系統(tǒng)這種機械上的簡化，導(dǎo)致其控制難度的加大，在目前的技術(shù)水平上來看是合理的，而且用軟件和微電子器件取代機械部件有可能獲得更高的性能和經(jīng)濟效益。為了更好地解決直線電機的控制問題，近年來人們在直線電機的控制方面進行了大量的研究工作，取得了不少成果和一些成功的應(yīng)用實例。這些研究工作基本上可以分為兩個方面：一是采用矢量控制技術(shù)、變頻調(diào)速器、PID控制器等已有成熟的控制技術(shù)；二是研究適用于直線電機的控制理論和控制技術(shù)。隨著自動控制技術(shù)與微計算機技術(shù)的發(fā)展，直線電機的控制方法會越來越多，然而，要在高速、精密機床進給系統(tǒng)中廣泛采用直線電機，在控制方面還有許多工作要做。

（5）隔磁與防護由于旋轉(zhuǎn)電機磁場是封閉式的，不會對外界造成任何影響，而直線電機的磁場是敞開式的，特別是同步式直線電機要在機床床身上安裝一排排強磁的永久磁鐵，而工件、床身和工具等均為磁性材料，很容易被直線電機的磁場吸住，使裝配工作很難進行特別是磁性切屑和空氣中的磁性塵埃一旦被吸入直線電機的初級與次級之間不大的氣隙中，就會造成堵塞，電機就無法工作。為此，采用感應(yīng)式要比同步式好一點，其裝配難度也相對較小，但工作時仍有磁場，防護工作仍不能忽視。因此，在機床進給系統(tǒng)中，不管采用的是同步式還是感應(yīng)式直線電機，都應(yīng)采取有效的隔磁防護措施：可以加套蓋；可以采用三維折疊式密封罩將直線電機的磁場封閉起來；也可以在機床內(nèi)部裝噴管，從內(nèi)部向外噴出空氣，使灰塵、切屑粉末不被吸入。

（6）重力加速度當(dāng)直線電機應(yīng)用于垂直進給機構(gòu)時，必須要解決好直線電機斷電時的自鎖問題和通電工作時重力加速度對其影響問題。這個問題比較復(fù)雜，不是簡單地加平衡配重塊就能解決的，必須在電機和伺服驅(qū)動控制模塊上采取相應(yīng)的措施

（7）電源電壓直線電機特別是直線感應(yīng)電機的起動推力受電源電壓的影響較大，因此，必須采取有關(guān)措施來保證電源的穩(wěn)定或者改變電機的有關(guān)特性來減少或消除這種影響。

4、結(jié)束語

直線電機具有旋轉(zhuǎn)電機所不具備的許多優(yōu)越性能，不僅可以用于使用旋轉(zhuǎn)電機的地方，還可以用于旋轉(zhuǎn)電機無能為力的地方。目前直線電機在機床上的應(yīng)用還只是處于初級階段，隨著直線電機理論與技術(shù)的進一步發(fā)展，直線電機在機床上的應(yīng)用必定會越來越廣泛，有可能出現(xiàn)與旋轉(zhuǎn)電機相抗衡的局面，特別是在高速精密機床上甚至完全取代旋轉(zhuǎn)電機。因此，在充分利用直線驅(qū)動的優(yōu)點的同時，也要認真研究直線驅(qū)動的關(guān)鍵技術(shù)問題，并研究出解決對策，從而使直線驅(qū)動在機床等方面的應(yīng)用越來越廣泛。