直线电机介绍.docx

直线电机的发展历史1845年英国人Charles Wheastone发明了世界上第一台直线电动机，但这种直线电动机由于气隙过大而导致效率很低，未获成功在1 60 多年的历史中直线电机主要经历了三个时期，分别是：1.1840〜1955年为探索实验时期在这个期间直线电机从设想到试验再到部分试验，经历了一个不断探索的过程最早明确提出直线电机的文章是 1890 年美国匹兹堡市的市长写的一片文章，然而限于当时的技术条件，最终并没有获得成功到了1905 年出现了将直线电机作为火车推进机构的设想，给当时各国的研究人员带来了极大的鼓舞，在1917 年出现了第一台圆筒形直线电机，并试图用它来作为导弹的发射装置，但始终还是停留在模型阶段经过1930年到1940年的实验阶段，科研人员获取了大量的实验数据，从而对理论有了更深的认识在随后的过程中，1945年美国的西屋电气研制成功了电力牵引飞机弹射器，它以7400kw的直线电机作为动力，并且成功的进行了试验，同时使得直线电机可靠性等优点得到了重视在1954年英国皇家飞机制造公司成功利用双边扁平型直流直线电机制成了导弹发射装置但是在这个过程中，由于直线电机与旋转电机相比在成本和效率方面没有优势，并没有取得突破性的成功。

2.1956—1970年为直线电机的开发应用期1955 年以后，直线电机进入了全面的开发阶段，同时该时期的控制技术和材料技术的发展，更有力 的促进了直线电机的开发直线电机的使用设备逐渐被开发出来，例如采用直线电机的MHD泵、自动绘 图仪、磁头定位驱动装置、空气压缩机等3. 1971 年至今为直线电机的使用商品时期到目前，各类直线电机的应用得到了推广，形成了许多有实用价值的商品，直线电机开始在旋转电 机无能为力的地方寻找自己的位置例如，直线电机应用于磁悬浮列车，液态金属的输送和搅拌，电子缝 纫机和磁头定位装置，直线电机冲压机等等二．直线电机工作原理和分类所谓的直线电机就是利用电磁原理，将电能装换为直线运动的装置在实际应用中，为了保证在整个行程初级和次级的耦合不变，一般将初级和次级制造成不同的长度与旋转电机类似，直线电机通入三相交流电后，会在初级和次级的气隙中形成磁场，如果不考虑端 部效应，这个磁场在直线方向应当是成正弦分布的，只是这个磁场是平移而不是旋转的，所以有成为行波 磁场行波磁场与次级相互作用便产生电磁推力，这就是直线的电机的工作原理有以上直线电机与旋转电机的对应关系，每种旋转电机都对应有相应的直线电机，但直线电机的结 构形式比旋转电机更加灵活，直线电机按照工作原理可以分为：直线直流电机，直线感应电机，直线同步 电机，直线步进电动机、直线压电电动机及直线磁阻电动机：按结构形式可分为平板式、 U 形及圆筒式。

三．直线电机的优缺点分析直线电机的特点在于直接产生直线运动，与间接产生直线运动的“旋转电机，加上滚珠丝杠相比，具 有如下优点：(1)没有机械接触，摩擦小，传动力在气隙中产生，只在导轨间存在摩擦；(2)结构简单， 体积小，以最少的部件实现直线运动；(3)行程在理论上不受限制，性能不会因为行程的加长而受到影响；(4)速度调节范围宽，高速是它的突出优点；(5)加速度大，可达到10g；(6)运动平稳，因为转换装置少；(7)精度和重复精度高，没有中间环节，系统的精度取决与位置检测元件；( 8)维护简单，运动时五机械接触，提高了使用寿命直线电机的缺点是：(1)存在不可避免的“端部效应(Edge Effect) ”，即直线电机的端部磁场的畸变影响了行波磁场的完整性，使得电动机的损耗增加，推力减小，而且存在较大的推力波动；(2)控制难度大，直线电动机在运行的过程中负载的变化，系统参数的变动和各种干扰，包括端部效应，都直接作用在电机本身，没有缓冲环节，如果系统的鲁棒性不强，会造成系统的失稳和性能的下降；(3)其它缺点如需要隔磁，安装困难，成本高等直线电动机与“旋转电动机，滚珠丝杠”传动性能比较 表性能旋转 电动机+滚 珠丝杠电动彳直线几精度(%26micro;m/300mm)100.5重复精度(％26micro;m)20.1最高速度(m/min)12090〜20060〜最大加速度(g)1.5102〜静态刚度90〜70〜(N/%26micro;m)180270动态刚度90〜160(N/%26micro;m)180〜210平稳性(％速度)101制造业中满足高速加工中心进给系统要求的主要是交流直线电动机。

交流直线电动机可分为感应式和同步式两大类虽然同步式直线电动机比感应式直线电动机成本较高、装配困难、需要屏蔽磁场，但效率较高、结构简单、次级不用冷却、控制方便、更容易达到所要求的高性能，并且随着钕铁硼(NdFeB)永磁材料的出现和发展，永磁同步直线电动机将逐渐发展成主流因此在高速加工中心中永磁交流同步直线电动机所占的比例将越来越高四．直线电机在高速加工中心及其它数控机床进给系统中的应用直线电动机在高速加工中心和其它大行程数控机床进给系统中的应用还是近几年的事情安装直线电动机的机床必须有先进的数控系统、很高的刚度和固有频率，移动部件的质量要尽量小，这样才能充分发挥直线电动机的能力另外，机床中直接驱动进给系统的设计还要考虑冷却与散热问题为了防止切屑和各种粉末被直线电动机的敞开式磁场吸引，还必须采取隔磁和防磁措施此外，直线电动机不象丝杠那样可以自锁，如果电动机垂直安装，还要考虑平衡配重和制动等环节Ford、 Ingersoll 和 Anorad 公司在 80 年代中期的合作，最初实现了直线电动机在机床上的应用Ford公司希望机床既高速、高精度，又高柔性合作的结果是Ingersoll公司推出了“高速模块”HVM800,其三轴都安装了 Anorad 公司的永磁式直线电动机，获得很好的性能。

德国Ex-Cell-O公司于1993年在德国汉诺威欧洲机床展览会上展出世界上第一台直线电动机驱动工作台的XHC240型高速加工中心，采用的是德国Indramat公司开发的感应式直线电动机，各轴移动速度高达80m/min,加速度可达1g除了切削加工机床外，其他机床如激光切割、等离子切割、电火花加工等设备也开始应用直线电动机五．直线电动机的发展趋势和研究方向1. 发展趋势目前直线电动机直接驱动技术的发展呈现出以下趋势：（1 ）机床进给系统用直线伺服电动机，将以永磁式为主导：（2）将电动机、编码器、导轨、电缆等集成，减小电动机尺寸，便于安装和使用：（3）将各功能部件（导轨、编码器、轴承、接线器等）模块化：（4）注重相关技术的发展，如位置反馈元件、控制技术等，这是提高直线电动机性能的基础2. 研究方向直线电动机的研究目标是提高电动机性能，满足应用要求直线电动机的主要性能包括速度、加速度、推力及其波动、定位精度、重复定位精度、机械特性（速度-推力特性）、瞬态性能（速度响应）和热特性等 作为一种机电系统，要提高性能无非可从结构和控制两方面着手1 ）结构设计直线电动机包括初、次级磁路结构以及支撑、传感测量、冷却、防尘、防护等机械结构。

磁路设计 磁路设计最重要的任务是使电动机的推力和推力波动达到设计要求电动机内磁场分布的计算是磁路设计的基础由于结构的特殊性，使得直线电动机存在端部效应，引起磁场的畸变，同时使用硅钢片等软磁材料来聚合磁路，媒质边界曲折交错、磁路复杂、非线性强目前普遍采用数值解法一主要是用有限元法（FEM）来计算直线电动机的磁场分布，从而进一步计算推力及其波动以及垂直力等性能目前市场上已经有很多优秀的电磁场FEM软件可供选用，所以用FEM计算直线电动机电磁场的关键点在于建立精确的有限元模型减少推力波动是磁路设计的一个重点也是难点推力波动产生的原因有：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、端部效应等通过优化永磁铁的形状和排列方式、降低永磁 励磁磁密、初级采用无铁心和多极结构、增加槽的数目、加大气隙等措施可以减小推力波动，但某些措施 会造成其它性能的减弱，所以设计时应综合考虑设计要求，达到最佳效果机械结构涉及的问题很多，在这里我们只强调一下对冷却系统的研究，因为这个问题很容易被忽略 其实热特性是直线电动机的一个重要特性，同一型号的电动机有冷却时的推力峰值是无冷却时的两倍，所 以电动机冷却系统的好坏对电动机的性能有很大的影响，从冷却系统着手进行优化设计是提高电动机性能 的一条捷径。

电动机热特性的分析一般也采用有限元法，在计算结果的基础上对冷却进行优化设计3）控制技术的研究控制技术是直线电动机设计的另一个重点和难点直线伺服系统运行时直接驱动负载，这样负载的变化就直接反作用于电动机：外界扰动，如工件或 刀具质量、切削力的变化等，也未经衰减就直接作用于电动机：电动机参数的变化也直接影响着电动机的 正常运行：直线导轨存在摩擦力：直线电动机还存在齿槽效应和端部效应这些因素都给直线电动机的控 制带来困难控制算法中必须要对这些扰动予以抑制或补偿，否则容易造成控制系统的失稳总体来说，控制器的设计要达到以下要求：稳态跟踪精度高、动态响应快、抗干扰能力强、鲁棒性 好不同的直线电动机或不同的应用场合对控制算法会提出不同的要求，所以要根据具体情况采用合适的 控制方法目前直线伺服电动机采用的控制策略主要有传统的 PID 控制、解耦控制，现代控制方法如非线 性控制、自适应控制、滑模变结构控制、He控制、智能控制如模糊控制、人工智能（如人工神经元网络系 统）控制等可以看出，直线电动机的控制算法运算量大，而且在高速加工进给系统的实际应用中实时性很强，因此对整个数控系统提出了很高的要求要满足这种要求，在优化控制算法的同时，还应采用高性能的硬件。

在高速加工中心进给系统中通常采用全数字驱动技术，以PC作为基本平台，DSP实现插补和伺服控制虽然直线电动机的控制比旋转电动机难度大得多，但他们的电磁特性和运行原理基本相似，而旋转 电动机的伺服控制技术已发展得比较成熟所以在实验研究阶段，为了尽快建立实验系统，以验证设计的 可行性，我们也可以将旋转电动机的伺服控制器改造成直线电动机的伺服控制器，这样可以降低研制的成 本和周期，对开发专用的直线电动机伺服控制器也有指导意义直线电机的工作原理所谓直线电机（又称为线性马达），是一种将传统的旋转电机沿轴线方向切开后，将旋转电机的初级展 开作为直线电机（线性马达）的定子，次级通电后在电磁力的作用下沿着初级做直线运动，成为直线电机 （线性马达）的动子我们常说的磁悬浮，往往和直线电机（线性马达）驱动有着很大联系磁浮运输系统通常采用“线性马达” 也就是直线电机作为推进系统的线性马达的构成原理设靠三相交流电力励磁的移动用电磁石 （作为定子），分左右两排夹装在铝板两旁 （但不接触），磁 力线与铝板垂直相交，铝板即感应而生电流，因而产生驱动力由于线性感应马达的定子装在列车上，较 导轨短，因此线性感应马达又称为“短定子线性马达”（Short-stator Motor）；线性同步马达的原理则是将 超导电磁石装于列车上 （当作转子），轨道上则装有三相电枢线圈（作为定子），当轨道上的线圈供应以 可变周波数的三相交流电时，即能驱动车辆。

由于车辆移动的速度系依与三相交流电周波数成比例的同步 速度移动，故称为线性同步马达，而又由于线性同步马达的定子装于轨道上，与轨道同长，故线性同步马 达又称为“长定子线性马达"（。