直線電機工作原理及其驅動技術的應用

隨著航空航天、汽車製造、模具加工、電子製造行業等領域對高效率地進行加工的要求越來越高，需要大量高速數控機床。機床進給系統是高速機床的主要功能部件。而直線電機進給系統徹底改變了傳統的滾珠絲杠傳動方式存在的彈性變形大、響應速度慢、存在反向間隙、易磨損等先天性的缺點，並具有速度高、加速度大、定位精度高、行程長度不受限制等優點，令其在數控機床高速進給系統領域逐漸發展為主導方向。

1 直線電機及其驅動技術

現代先進的驅動技術主要分為兩大類：一類為電磁式的，另一類則為非電磁式的。

電磁類的現代先進的驅動技術主要由現代電磁類驅動器與現代控制系統組成，它的驅動器包括傳統改進型的電磁驅動器與新發展型的電磁驅動器。它們中有旋轉的、直線的、磁浮的、電磁發射的等等。除了在一般通用電機技術基礎上改進獲得的電機技術外，還有更多的是在通用電機技術基礎上進一步發展的新型電機技術，如直線電機技術、無刷直流電機技術、開關磁阻電機技術和各種新型永磁電機技術等。

直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能而不需通過中問任何轉換裝置的新穎電機，它具有系統結構簡單、磨損少、雜訊低、組合性強、維護方便等優點。旋轉電機所具有的品種，直線電機幾乎都有相對應的品種，其應用範圍正在不斷擴大，並在一些它所能獨特發揮作用的地方取得了令人滿意的效果。

直線電機結構示意圖如下圖所示。直線電機是將傳統圓筒型電機的初級展開拉直，變初級的封閉磁場為開放磁場，而旋轉電機的定子部分變為直線電機的初級，旋轉電機的轉子部分變為直線電機的次級。在電機的三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，在初級和次級間產生氣隙磁場，氣隙磁場的分佈情況與旋轉電機相似，沿展開的直線方向呈正弦分佈。當三相電流隨時問變化時，使氣隙磁場按定向相序沿直線移動，這個氣隙磁場稱為行波磁場。當次級的感應電流和氣隙磁場相互作用便產生了電磁推力，如果初級是固定不動的，次級就能沿著行波磁場運動的方向做直線運動。即可實現高速機床的直線電機直接驅動的進給方式，把直線電機的初級和次級分別直接安裝在高速機床的工作台與床身上。由於這種進給傳動方式的傳動鏈縮短為0，被稱為機床進給系統的「零傳動」。

與「旋轉伺服電機+滾珠絲杠」傳動方式相比較，直線電機直接驅動有以下優點：（1）高速度，目前最大進給速度可達100～200m／min。（2）高加速度，可高達2g～10g。（3）定位精度高，由於只能採用閉環控制，其理論定位精度可以為0，但由於存在檢測元件安裝、測量誤差，實際定位精度不可能為0。最高定位精度可達0．1～0．01m。（4）行程不受限制，由於直線電機的次級（定子）可以一段一段地鋪在機床床身上，不論有多遠，對系統的剛度不會產生影響。例如，美國CincinnatiMilacron公司為航空工業生產了一台HyperMach大型高速加工中心，主軸轉速為60000r／min，主電機功率為80kW。直線進給採用了直線電機，其軸行程長達46m，工作台快速行程為100m／min，加速度達2g。在這種機床上加工一個大型薄壁飛機零件只需30min；而同樣的零件在一般高速銑床上加工，費時3h；在普通數控銑床上加工，則需8h，優勢相當明顯[1]。

2 直線電機在數控機床的應用

現代數控機床經過半個世紀的發展，其加工速度和加工精度得到極大提高。其加工精度從最初的0．01mm到現在的1μm，提高了10000倍，加工速度則從每分鐘幾十毫米提高到每分鐘幾十米，提高了1000倍。機床技術水平的高速發展是機床自動化技術發展的結果，也是以CNC為代表的先進位造技術對傳統機械製造業的滲透，從而形成的機電一體化產品的結果[2]。

數控機床採用直線電機驅動技術，克服了傳統驅動方式的許多缺陷，獲得了極高的性能指標和優點。國外在高速加工中心上已廣泛應用直線電機驅動，同時也應用到機床裝備的各個領域，使機床的各項性能大為提高。1993年德國Ex—cell—O公司在漢諾威國際機床博覽會上展出了世界上第一台應用直線電機驅動技術的HSC一240型超高速加工中心，該機床最大快移速度為60m／min。日本機床裝備發展迅猛，高檔機床大量採用直線電機驅動技術。早在1998年第十九屆JIMTOF上，就展出了8台直線電機作進給驅動的機床。在2002年日本東京第二十一屆JIMTOF機床展上23家公司展出了41台裝有直線電機的數控機床，包括加工中心11台[3]。目前，採用直線電機驅動技術的機床是日本機床生產商供應的主流實用機床。歐美西方工業大國的機床製造廠商也大量應用直線電機驅動技術，著名的有DMG、Sodiek、Kings—bury、Anorad、Jobs和ForestLine等公司。在2003年的義大利米蘭EMO2003國際機床展上，直接驅動已經成為高性能機床的重要技術手段，會展中德國DMG公司展品多為直線電機驅動。大批高性能加工中心採用了直線電機直接驅動技術。使用直線電機比用滾珠絲桿傳動的成本已從l0年前的高30％，降低到目前只高15％～20％，而且參展商普遍認為用戶可以節省運行成本20％以上，從而可以及時收回附加投資。JOBS公司認為有一半以上的機床採用直線電機在技術上和經濟上都是值得的[4]。

國內直線電機技術的研究始於20世紀7O年代，上海電機廠、寧波大學、瀋陽工業大學、清華大學、國防科技大學、浙江大學、廣東工業大學等高校都做了相關研究[5-6]，但未能實現真正應用到高速機床上，大推力、長行程的進給，不是真正意義上的應用在高速機床上的直線電機進給單元。清華大學機械學系製造工程研究所研究的長行程永磁直線伺服單元額定推力1 500N，最高速度60m／min，行程600mm[7]。瀋陽工業大學研究的重點擺在了永磁同步直線電動機的控制方式及伺服系統[8]；在CIM T2003（中國國際機床展覽會）上，北京機電院高技術股份公司、江蘇多棱數控機床股份有限公司展出了國產首批直線電機驅動的立式加工中心（VS1250），其X、Y軸採用了直線電機，最大進給速度60m／s。採用直線光柵尺反饋，全閉環控制，定位精度高，穩定性好。該加工中心採用了西門子840D系統，具有很高的可靠性與穩定性[9]。這些研究工作為直線電機技術在高速機床上的應用發揮了積極作用。目前在我國機床行業中，應用直線電機進給系統的產品越來越多。在CIMT2005上，作為全球最大的切削機床製造商之一的DWG公司，其產品中有1／3的採用了直線電機驅動技術，展出的DMC 75V linear精密立式加工中心所有進給軸都採用高動力性能直線電機驅動，良好動態特性的基礎是採用了高度穩定的龍門結構和經優化的高剛度床身，加速度高達2g，快移速度90m／min，從而可使生產率提高20％，該系列加工中心特別適合於模具加工[10]。2006年，德國Zimmermann公司推出了直線驅動龍門銑床FZ38，直線電機驅動通過高因素獲得高水平的標準控制，使得即便是在高進給率的情況下仍能保持非常小的拖曳距離和高定位精度[11]。DMG推出了Sprint 65直線驅動機床，在置軸上加速度達到g，快移速度40m／min[12] 。在2007年4月的中國國際機床展（CIMT2007）上，直線電機的應用越來越廣泛，杭州機床集團有限公司推出了國內首次使用直線電機的平面磨床（MUGK7120X5）。全球領先的運動控制解決方案提供商丹納赫傳動，在現場的研討會中提到直接驅動電機近年來在國內外都得到了客戶的廣泛認可，它改變了原有旋轉電機加絲杠的結構，大大簡化了機械的設計，提高了工作效率。

3 總結與展望

直線電機驅動技術與數控機床製造的結合大大促進了世界製造業的發展，大大提高了加工精度和加工效率。直線電機進給系統是一種能把電能直接轉換成直線運動的機械能，且不需要任何中間傳動環節的驅動裝置。它將傳統的迴轉運動轉變為直接的直線運動，因此機床的速度、加速度、剛度、動態性能得到完全改觀。通過採用直線電機驅動技術使得在高速移動中獲得高的定位精度成為現實，有效克服通過傳統旋轉電機進行驅動時，機械傳動機構傳動鏈較長、體積大、效率低、能耗高、精度差等缺點。所以，直線電機驅動技術將是高速數控機床未來發展的方向。