直線電機(jī)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(diǎn)，是各類超高速精密機(jī)床的理想傳動方式。介紹了直線電機(jī)的工作原理與性能特點(diǎn)，重點(diǎn)闡述了直線電機(jī)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(hù)、重力加速度、電源電壓等七個(gè)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(jī)的機(jī)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(gè)質(zhì)的飛躍。然而，采用“旋轉(zhuǎn)電機(jī)＋滾珠絲杠”進(jìn)給傳動方式的傳統(tǒng)機(jī)床，由于受自身結(jié)構(gòu)的限制，在進(jìn)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(jìn)給傳動方式———直線電機(jī)直接驅(qū)動方式應(yīng)運(yùn)而生。直線電動機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動機(jī)械能、而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)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(diǎn)。特別是由于直線電動機(jī)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(dá)10g（g＝9．8m／s2），能實(shí)現(xiàn)起動時(shí)瞬間達(dá)到高速，高速運(yùn)行時(shí)又能瞬間準(zhǔn)停。但是，直線電動機(jī)直接驅(qū)動也存在一些缺點(diǎn)———關(guān)鍵技術(shù)問題。筆者對直線電動機(jī)的工作原理及性能特點(diǎn)、直線驅(qū)動的關(guān)鍵技術(shù)問題及其解決對策進(jìn)行了綜述。

1直線電動機(jī)的工作原理

直線電動機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動機(jī)械能、而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動裝置。它可以看成是將一臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(shí)際應(yīng)用時(shí)，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(jī)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(yùn)行費(fèi)用，目前一般均采用短初級長次級。

直線電機(jī)工作原理與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似。以直線感應(yīng)電動機(jī)為例：當(dāng)初級繞組通入交流電源時(shí)，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(yùn)動；反之，則初級作直線運(yùn)動。其他類型直線電動機(jī)的工作原理可由同類型旋轉(zhuǎn)電機(jī)類推。目前在進(jìn)給機(jī)構(gòu)中應(yīng)用的直線電動機(jī)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(gè)繞組中的每一匝均是短路的。

2直線電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

（1）動態(tài)響應(yīng)快、定位精度高。直線電動機(jī)直接驅(qū)動系統(tǒng)由于取消了機(jī)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(yùn)動慣量也減少，使整個(gè)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(dá)±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(jī)床上直線電動機(jī)實(shí)際可用的最大進(jìn)給速度達(dá)150～210m／min。

（3）加減速度大。加減速度最高可達(dá)到10g（g＝9．8m／s2），從而實(shí)現(xiàn)起動時(shí)瞬間達(dá)到高速，高速運(yùn)行時(shí)又能瞬間準(zhǔn)停，這對于機(jī)床等短行程進(jìn)給非常有利。

（4）起動推力大。目前直線電動機(jī)最大推力已達(dá)20kN，從理論上講，直線電動機(jī)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(jī)的定件，就可無限延長動件的行程長度。

（6）運(yùn)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(jī)械摩擦，使運(yùn)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(jī)伺服進(jìn)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(diǎn)，因而在機(jī)床上具有廣泛的應(yīng)用前景。可以說，直線電機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用促進(jìn)了現(xiàn)代機(jī)床技術(shù)的發(fā)展，有可能使機(jī)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(jī)本身還有一些問題沒有得到很好解決，在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中使用直線電機(jī)時(shí)，要揚(yáng)長避短、綜合分析、充分發(fā)揮直線電機(jī)的優(yōu)越性。在其設(shè)計(jì)、制造、控制、裝配過程中要特別注意解決好以下幾個(gè)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(jī)相比，直線電機(jī)的效率和功率因數(shù)要低，尤其在低速時(shí)更加明顯。這主要是由兩方面原因引起的：一是直線電機(jī)的初、次級之間的氣隙比旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(jī)初級鐵芯兩端開斷，產(chǎn)生了直線電機(jī)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(gè)問題要從兩方面來考慮。一方面，作為一個(gè)直線電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)，由于省去了中間機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，可大大減少機(jī)械摩擦和系統(tǒng)的彈性變形，其運(yùn)動質(zhì)量、運(yùn)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(jī)的系統(tǒng)的效率還要高。另一方面，在直線電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造過程中，要采取各種措施來提高直線電機(jī)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(jī)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(jì)電機(jī)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(bǔ)償繞組會使電機(jī)的重量和成本增大，而且，有時(shí)在結(jié)構(gòu)上實(shí)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(jī)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(jī)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)，來提高其性能指標(biāo)。

（2）冷卻措施直線電機(jī)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(jī)用于機(jī)床時(shí)，由于其通常只能安裝在機(jī)床內(nèi)部，散熱比較困難，而且直線電機(jī)的繞組、鐵芯就處在機(jī)床導(dǎo)軌附近，將嚴(yán)重引起機(jī)床導(dǎo)軌熱變形。這與旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動方式相比有很大的不同，一方面旋轉(zhuǎn)電機(jī)利用電機(jī)軸上的風(fēng)扇即能較好地散熱，另一方面旋轉(zhuǎn)電機(jī)經(jīng)絲杠等傳動后，到機(jī)床導(dǎo)軌的空間距離已較遠(yuǎn)，也就不存在由此引起的熱變形問題。所以機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)采用直線電機(jī)驅(qū)動后，有時(shí)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(jìn)行直線電機(jī)結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)就加以考慮，否則，如果散熱條件不好，就會制約直線電機(jī)的電參數(shù)（如電流）的強(qiáng)度，從而制約其推力的大小，影響電機(jī)的性能。

（3）法向磁吸力直線電機(jī)除產(chǎn)生平行于運(yùn)動方向的電磁推力外，還會在初級與次級間產(chǎn)生一個(gè)垂直于進(jìn)給運(yùn)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(gè)法向磁吸力通常是不希望存在的，而且由于在機(jī)床上所使用的直線電機(jī)大都無法做成雙邊型，這就對機(jī)床結(jié)構(gòu)剛度提出了更高的要求，因此在進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須要考慮到這個(gè)法向磁吸力。為保證推力平穩(wěn)，直線電機(jī)的布局應(yīng)盡量做成對稱結(jié)構(gòu)。也可以將直線電機(jī)的初、次級與機(jī)床導(dǎo)軌副結(jié)合起來設(shè)計(jì)，利用初級與次級間的法向磁吸力來實(shí)現(xiàn)無機(jī)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(jī)給系統(tǒng)雖然消除了中間傳動機(jī)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(jī)的初、次級通常是與機(jī)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(jī)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(jī)上，加大了伺服控制的難度。而對于旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)來講，必須采用比旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動時(shí)更為有效的控制技術(shù)。直線電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)這種機(jī)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(jī)械部件有可能獲得更高的性能和經(jīng)濟(jì)效益。為了更好地解決直線電機(jī)的控制問題，近年來人們在直線電機(jī)的控制方面進(jìn)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(shí)例。這些研究工作基本上可以分為兩個(gè)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(jī)的控制理論和控制技術(shù)。隨著自動控制技術(shù)與微計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)的控制方法會越來越多，然而，要在高速、精密機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中廣泛采用直線電機(jī)，在控制方面還有許多工作要做。

（5）隔磁與防護(hù)由于旋轉(zhuǎn)電機(jī)磁場是封閉式的，不會對外界造成任何影響，而直線電機(jī)的磁場是敞開式的，特別是同步式直線電機(jī)要在機(jī)床床身上安裝一排排強(qiáng)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(jī)的磁場吸住，使裝配工作很難進(jìn)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(jī)的初級與次級之間不大的氣隙中，就會造成堵塞，電機(jī)就無法工作。為此，采用感應(yīng)式要比同步式好一點(diǎn)，其裝配難度也相對較小，但工作時(shí)仍有磁場，防護(hù)工作仍不能忽視。因此，在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，不管采用的是同步式還是感應(yīng)式直線電機(jī)，都應(yīng)采取有效的隔磁防護(hù)措施：可以加套蓋；可以采用三維折疊式密封罩將直線電機(jī)的磁場封閉起來；也可以在機(jī)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(jī)應(yīng)用于垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)時(shí)，必須要解決好直線電機(jī)斷電時(shí)的自鎖問題和通電工作時(shí)重力加速度對其影響問題。這個(gè)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(jī)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(jī)特別是直線感應(yīng)電機(jī)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(jī)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(jī)具有旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(jī)的地方，還可以用于旋轉(zhuǎn)電機(jī)無能為力的地方。目前直線電機(jī)在機(jī)床上的應(yīng)用還只是處于初級階段，隨著直線電機(jī)理論與技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，直線電機(jī)在機(jī)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(jī)相抗衡的局面，特別是在高速精密機(jī)床上甚至完全取代旋轉(zhuǎn)電機(jī)。因此，在充分利用直線驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也要認(rèn)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(jī)床等方面的應(yīng)用越來越廣泛。