直线电机相关知识

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，如图所示。

     图 直线电机的转变过程

     　　由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。

        一般电动机工作时都是转动的．但是用旋转的电机驱动的交通工具（比如电动机车和城市中的电车等）需要 做直线运动，用旋转的电机驱动的机器的一些部件也要做直线运动．这就需要增加把旋转运动变为直线运动的一套装置．能不能直接运用直线运动的电机来驱动，从 而省去这套装呢？几十年前人们就提出了这个问题．现在已制成了直线运动的电动机，即直线电机．

        直线电机的原理并不复杂．设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直线感应电动机（图）．在直线电机中，相当 于旋转电机定子的，叫初级；相当于旋转电机转子的，叫次级．初级中通以交流，次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动．这时初级要做得很长，延伸到运动 所需要达到的位置，而次级则不需要那么长．实际上，直线电机既可以把初级做得很长，也可以把次级做得很长；既可以初级固定、次级移动，也可以次级固定、初 级移动． 

        直线电机是一种新型电机，近年来应用日益广泛．磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的． 

        磁悬浮列车是一种全新的列车．一般的列车，由于车轮和铁轨之间存在摩擦，了速度的提高，它所能达到的最高运行速度不超过300km/n．磁悬 浮列车是将列车用磁力悬浮起来，使列车与导轨脱离接触，以减小摩擦，提高车速。列车由直线电机牵引．直线电机的一个级固定于地面，跟导轨一起延伸到远处； 另一个级安装在列车上．初级通以交流，列车就沿导轨前进．列车上装有磁体（有的就是兼用直线电机的线圈），磁体随列车运动时，使设在地面上的线圈（或金属 板）中产生感应电流，感应电流的磁场和列车上的磁体（或线圈）之间的电磁力把列车悬浮起来．悬浮列车的优点是运行平稳，没有颠簸，噪声小，所需的牵引力很 小，只要几千kw的功率就能使悬浮列车的速度达到550km／h．悬浮列车减速的时候，磁场的变化减小，感应电流也减小，磁场减弱，造成悬浮力下降．悬浮 列车也配备了车轮装置，它的车轮像飞机一样，在行进时能及时收入列车，停靠时可以放下来，支持列车． 

        要使质量巨大的列车靠磁力悬浮起来，需要很强的磁场，实用中需要用高温超导线圈产生这样强大的磁场． 

直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形，它可以看作是一台旋转电机沿其径向剖开，然后拉平演变而成。近年来，随着自动控制技术和微型计算机的高速发展，对各类自动控制系统的定位精度提出了更高的要求，在这种情况下，传统的旋转电机再加上一套变换机构组成的直线运动驱动装置，已经远不能满足现代控制系统的要求，为此，近年来世界许多国家都在研究、发展和应用直线电机，使得直线电机的应用领域越来越广。 

     直线电机与旋转电机相比，主要有如下几个特点：一是结构简单，由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大大地下降；二是定位精度高，在需要直线运动的地方，直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位精度高，如采用微机控制，则还可以大大地提高整个系统的定位精度；三是反应速度快、灵敏度高，随动性好。直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性；四是工作安全可靠、寿命长。直线电机可以实现无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零，所以故障少，免维修，因而工作安全可靠、寿命长。 

     直线电机主要应用于三个方面：一是应用于自动控制系统，这类应用场合比较多；其次是作为长期连续运行的驱动电机；三是应用在需要短时间、短距离内提供巨大的直线运动能的装置中。 

     ——高速磁悬浮列车磁悬浮列车是直线电机实际应用的最典型的例子，目前，美、英、日、法、德、加拿大等国都在研制直线悬浮列车，其中日本进展最快。 

     ——直线电机驱动的电梯世界上第一台使用直线电机驱动的电梯是1990年4月安装于日本东京都关岛区万世大楼，该电梯载重600kg，速度为105m/min，提升高度为22.9m。由于直线电机驱动的电梯没有曳引机组，因而建筑物顶的机房可省略。如果建筑物的高度增至1000米左右，就必须使用无钢丝绳电梯，这种电梯采用高温超导技术的直线电机驱动，线圈装在井道中，轿厢外装有高性能永磁材料，就如磁悬浮列车一样，采用无线电波或光控技术控制。 

    直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的电力传动装置。它可以省去大量中间传动机构，加快系统反映速度，提高系统精确度，所以得到广泛的应用。

    直线电动机的种类按结构形式可分为；单边扁平型、双边扁平型、圆盘型、圆筒型（或称为管型）等；按工作原理可分为：直流、异步、同步和步进等。下面仅对结构简单，使用方便，运行可靠的直线异步电动机做简要介绍。 

    直线异步电动机的结构主要包括定子、动子和直线运动的支撑轮三部分。为了保证在行程范围内定子和动子之间具有良好的电磁场耦合，定子和动子的铁心长度不等。定子可制成短定子和长定子两种形式。由于长定子结构成本高、运行费用高，所以很少采用。直线电动机与旋转磁场一样，定子铁心也是由硅钢片叠成，表面开有齿槽；槽中嵌有三相、两相或单相绕组；单相直线异步电动机可制成罩极式，也可通过电容移相。直线异步电动机的动子有三种形式： 

    (1)磁性动子 动子是由导磁材料制成（钢板），既起磁路作用，又作为笼型动子起导电作用。 

    (2)非磁性动子 ，动子是由非磁性材料（铜）制成，主要起导电作用，这种形式电动机的气隙较大，励磁电流及损耗大。 

    (3)动子导磁材料表面覆盖一层导电材料，导磁材料只作为磁路导磁作用；覆盖导电材料作笼型绕组。 

     因磁性动子的直线异步电动机结构简单，动子不仅作为导磁、导电体，甚至可以作为结构部件，其应用前景广阔。 

     直线异步电动机的工作原理和旋转式异步电动机一样，定子绕组与交流电源相连接，通以多相交流电流后，则在气隙中产生一个平稳的行波磁场（当旋转磁场半径很大时，就成了直线运动的行波磁场）。该磁场沿气隙作直线运动，同时，在动子导体中感应出电动势，并产生电流，这个电流与行波磁场相互作用产生异步推动力，使动子沿行波方向作直线运动。若把直线异步电动机定子绕组中电源相序改变一下，则行波磁场移动方向也会反过来，根据这一原理，可使直线异步电动机作往复直线运动。 

1845年英国人就已经发明了直线电动机，但当时的直线电动机气隙过大导致效率很低，无法应用。19世纪70年代科尔摩根也推出过，但因成本高效率低了它的发展。直到20世纪70年代以后，直线电机才逐步发展并应用于一些特殊领域，20世纪90年代直线电机开始应用于机械制造业，现在世界一些技术先进的加工中心厂家开始在其高速机床上应用，国外知名企业例如DMG、Ex-cell-O、Ingersoll、CINCI ATI、GROB、MATEC、MAZAK、FANUC、SODICK都陆续推出使用直线电机的高速高精加工中心。

HIWIN做为世界线性产品的领导者，在滚珠丝杠和线性滑轨方面取得成功后，于近几年自行研发和生产了直线电机，并且在高速高精领域取得不错的业绩。

下面主要参考HIWIN公司的先进的高速静音式丝杠 SUPER S 系列（DN值达22万）和HIWIN的直线电机在几个主要特性上做一些比较，为相关业者提供一个参考。

速度比较：

速度方面直线电机具有相当大的优势，直线电机速度达到300m/min，加速度达到10g；滚珠丝杠速度为120m/min，加速度为1.5g。从速度上和加速度的对比上，直线电机具有相当大的优势，而且直线电机在成功解决发热问题后速度还会进一步提高，而“旋转伺服电机+滚珠丝杠”在速度上却受到很难再提高较多。

从动态响应上因为运动惯量和间隙以及机构复杂性等问题直线电机也占有绝对的优势。

速度控制上直线电机因其响应快，调速范围更宽，可以实现启动瞬间达到最高转速，高速运行时又能迅速停止。调速范围可达到1：10000。 精度比较：

精度方面直线电机因传动机构简单减少了插补滞后的问题，定位精度、重现精度、绝对精度，通过位置检测反馈控制都会较“旋转伺服电机+滚珠丝杠”高，且容易实现。

直线电机定位精度可达0.1μm。“旋转伺服电机+滚珠丝杠”最高达到2~5μm，且要求CNC-伺服电机-无隙连轴器-止推轴承-冷却系统-高精度滚动导轨-螺母座-工作台闭环整个系统的传动部分要轻量化，光栅精度要高。

若想达到较高平稳性，“旋转伺服电机+滚珠丝杠”要采取双轴驱动，直线电机是高发热部件，需采取强冷措施，要达到相同目的，直线电机则要付出更大的代价。

价格比较：

价格方面直线电机的价格要高出很多，这也是直线电机被更广泛应用的原因。

能耗比较：

直线电机在提供同样转矩时的能耗是“旋转伺服电机+滚珠丝杠”一倍以上，“旋转伺服电机+滚珠丝杠”属于节能、增力型传动部件，直线电机可靠性受控制系统稳定性影响，对周边的影响很大必须采取有效隔磁与防护措施，隔断强磁场对滚动导轨的影响和对铁屑磁尘的吸附。

通过以下这个例子更容易使大家了解直线电机和“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的一些特点：

日本某公司超高速龙门式加工中心。X、Y轴采用直线电动机驱动V=120m/min。该公司为何不应用“旋转伺服电机+滚珠丝杠(HIWIN SUPER S 系列）”？因为SUPER S虽然DN值已经历了从传统丝杠7万到15万再到22万的提速进程，但由于存在纯机械传动的软肋，其线速度、加速度、行程范围的增加总是有限的。若选用 Φ40×20mm的产品，则vmax=110m/min，因nmax=5500r/min转速很高，行程范围受临界转速Nc的制约显然不可能太长。若采用大导程Φ40×40mm产品，则Vmax=220m/min，这显然又不能满足定位精度高的场合。能达到DN值22万从一个侧面反映了HIWIN的设计、制造水准。如果我们选择Φ40×20(双头)mm产品，在n≈4000~5000r/min，V=80～100m/min状态下使用，其安全性、可靠性、工作寿命均可高于预期值。事实上到目前为止，在高速高精CNC金切机床中(CNC成形机床除外)速度V≥120m/min仍采用SUPER S系列驱动的成功范例未见到。实际上“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的最佳应用场合是：要求V=40~100m/min，加速度0.8~1.5(2.0)g，精度P3级以上的中档高速数控装备和部分高档数控装备。

应用比较：

事实上，直线电机和“旋转伺服电机+滚珠丝杠”两种驱动方式尽管各有优势，但也有自身的软肋。两者在数控机床上都有各自最佳的适用范围。

直线电机驱动在以下数控装备领域具有得天独厚的优势：高速、超高速、高加速度和生产批量大、要求定位的运动多、速度大小和方向频繁变化的场合。例如汽车产业和IT产业的生产线，精密、复杂模具的制造。

大型、超长行程高速加工中心，航空航天制造业中轻合金、薄壁、金属去除率大的整体构件“镂空”加工。例如美国CINCI ATI公司的“Hyper Mach”加工中心(46m)；日本MAZAK公司的“HYPERSONIC 1400L超高速加工中心。

要求高动态特性、低速和高速时的随动性、高灵敏的动态精密定位。例如，以Sodick为代表的新一代高性能CNC电加工机床、CNC超精密机床、新一代CPC曲轴磨床、凸轮磨床、CNC非圆车床等。

轻载、快速特种CNC装备。例如德国DMG的“DML80 Fine Cutting”激光雕刻、打孔机，比利时LVD公司的“AXEL3015S”激光切割机，MAZAK的“Hyper Cear510”高速激光加工机等。

德国DMG公司以批量生产各类高性能数控装备著称，在其伺服进给系统中采用直线电机较早，而且采用率也是很高的(均在机床型号后标注“Linear”)，该公司对两种驱动方式的配置有三种类型：

各坐标轴全部配置直线电机驱动的“快速型”数控装备。例如：DMC85V Linear、DMC75V Linear、DMC105V Linear、DMC60H Linear、DMC80H Linear以及DML80-Fine Cutting激光加工机等。

混合驱动型。例如：DMF500 Linear动柱式大型立式加工中心，在X轴(行程5m)配直线电机，V=100m/min；而在Y、Z轴则采用“旋转伺服电机+滚珠丝杠”，V=60m/min。

各坐标轴全部配置“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的“强力型”加工中心。例如：DMC63H高速卧式加工中心，V=80m/min，加速度1g，定位精度0.008mm。此外还有DMC80H和DMC100H、DMC125H (duo BLOCK)以及DMC60T等。

两种驱动方式在德国DMG公司被同时运用也说明他们具有各自的优势。直线电机的提升空间很大，未来直线电机的技术更加成熟了、产量上去了、成本下降了，应用也会更加广泛，但从节能降耗、绿色制造的角度思考，以及两种结构自身特点考虑“旋转伺服电机+滚珠丝杠”驱动仍有其广阔的市场空间。直线电机将成为高速(超高速)、高档数控装备

中的主流驱动方式的同时，“旋转伺服电机+滚珠丝杠”依然会继续保持其在中档高速数控装备中的主流地位。

直线电机的产生与发展简介

直线电机最初由英国人惠斯登1840年提出、实验，但不成功。随后，人们对它进行了深入研究，从理论到实践做了大量工作。最早的专利10年公开发表，美国一位意图将直线电机应用于纺织机梭子的驱动。1945年美国西屋公司首先研究成功以直线电机作为动力的飞机弹射器，但由于成本太高而未能推广。总体来说，当时由于自身理论上的不完善，加上其它相关技术的局限，同时，需求不是很迫切，直线电机技术发展缓慢。

随着自动控制技术和微型计算机的高速发展，对各类自动控制系统的定位精度提出了更高的要求。在这种情况下，传统的旋转电机再加上一套变换机构组成的直线运动驱动装置，已经远不能满足现代控制系统的要求。为此，从上世纪60年代开始，由于控制技术、材料技术的发展，基础研究的进步与突破，直线电机进入全面开发阶段。世界上许多国家下大力气在研究、发展和应用直线电机，使得直线电机的应用领域越来越广。英国莱斯韦特教授1966年出版了比较系统地介绍直线电机的专著《Induction Machines for Spesial Purposes》，为直线电机的发展做出了突出贡献。

        现在，国外的研究与应用非常成熟。美国普渡大学设计制造的行程1.5米直线电机重复定位精度达到8微米。