直线电机调研

直线电机调研摘要：直线电机是一种新型电机应用日益广泛，磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的。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。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。关键词：直线电机；新型电机；直线运动；转换机；旋转电机引言：数控机床正在向精密、高速、复合、智能、环保的方向发展。精密和高速加工对传动及其控制提出了更高的要求，更高的动态特性和控制精度，更高的进给速度和加速度，更低的振动噪声和更小的磨损。问题的症结在传统的传动链从作为动力源的电动机到工作部件要通过齿轮、蜗轮副，皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间传动环节，在些环节中产生了较大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损。虽然在这些方面通过不断的改进使传动性能有所提高，但问题很难从根本上解决，于出现了“直接传动”的概念，即取消从电动机到工作部件之间的各种中间环节。随着电机及其驱动控制技术的发展，电主轴、直线电机、力矩电机的出现和技术的日益成熟，使主轴、直线和旋转坐标运动的“直接传动”概念变为现实，并日益显示其巨大的优越性。直线电机及其驱动控制技术在机床进给驱动上的应用，使机床的传动结构出现了重大变化，并使机床性能有了新的飞跃。1.直线电机分类1.1直线电机与旋转电机相比，具有以下特点：(1)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。(2)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。(3)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。(4)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。1.2直线电机的结构：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。2.直线电机国外发展近年来，直线电机及其驱动控制技术的进展表现在以下方面：（1）性能不断提高（如推力、速度、加速度、分辨率等）；（2）体积减小，温升降低；（3）品种覆盖面广，可满足不同类型机床的要求；（4）成本大幅度下降；（5）安装和防护简便；（6）可靠性好；（7）包括数控系统在内的配套技术日趋完善；（8）商品化程度高。目前世界上直线伺服电机及其驱动系统的知名供应商主要有：德Siemens公司，Indramat公司；日本FANUC，三菱公司；美国Anorad，科尔摩根公司；瑞士ETEL公司等。目前世界上直线伺服电机及其驱动系统的知名供应商主要有：德Siemens公司，Indramat公司；日本FANUC，三菱公司；美国Anorad，科尔摩根公司；瑞士ETEL公司等。2.1发展近况直线电机及其驱动控制系统在技术上已日趋成熟，已具有传统传动装置无法比拟的优越性能。过去们所担心的直线电机推力小、体积大、温升高、可靠性差、不安全、难安装、难防护等问题，随着电机制造技术的改进，已不再是大问题。而驱动与控制技术的发展又为其性能拓展和安全性提供了保证。选择合适的直线电机及驱线性电机动控制系统，配以合理的机床设计，完全可以生产出高性能、高可靠性的机床。现在直线电机驱动进给速度100m/min，加速度1～2g的机床已很普遍，已有机床达到快进240m/min，加速度5g的指标（日本AMADA激光切割机）。日本Mazak公司宣称，该公司将在近期推出快移速度500m/min，加速度6g，主轴速度80000r/min切削速度8马赫的超音速加工中心。高速度高加速度的传动已在加工中心、数控铣床、车床、磨床、复合加工机床、激光加工机床及重型机床上得到广泛应用，这类机床在航空、汽车、模具、能源、通用机械等领域发挥着特殊的作用。在电加工机床上采用直线电机驱动可实现0.1（1）m的精密平稳移动。在微细加工及精密磨削中，可实现10um进给分辨率及20m/min的快移速度，加工表面粗糙度1nm。在重型机床上采用直线电机驱数吨重的运动部件已不成问题。同步双驱动控制技术已成熟应用。这些都说明直线电机及其驱动控制技术在机床上的应用已经成熟，并在不断向前发展，会给人们带来更多的惊喜。此外，在国际上已有不同类型、不同规格的直线电机商品可提供，配套的驱动控制系统、检测装置及高速导轨、高速防护也都有相应产品供货。2.2发展趋势近年来，直线电机系统成本不断下降，在机床成本中的比重明显下降。DMG公司的DMC64Vlinear加工中心（X轴采用直线电机驱动），国内报价仅61.4万元人民币。但目前采用直线电机驱动仍比传统的传动装置价格要高。因此，直线电机的应用应着眼于高性能机床，特别是精密高速加工机床、特种加工机床、大型机床，解决传统传动方法不能解决的问题。另外，提高加工精度和加工效率也会提升机床的价值。例如，美国Gincin－nati公司的HYPCRMACH高速加工中心，X轴长达46m，采用直线电机驱动后，加工大型薄壁飞机零件，用传统方法加工一件要8小时，而用该机床只需30分钟。DMG公司介绍其采用直线电机驱动的DMC、CTX、GMC、GMX系列产品生产效率可提高20%。据意大利JOBS公司介绍，该公司生产的LinX系列产品保证了龙门加工中心在长距离移动上的超高性能[4，最大程度减少轴转换操作的无效时间，其德国用户采用LinX龙门加工中心（三轴均为直线电机驱动）加工模具，由于无效时间大为缩短等因素，加工效率比未采用直线电机的同类机床效率提高40%，而且由于传动部件无磨损，使用更可靠，运行费用更低。JOBS在生产LinX产品时采用直线电机的成本只增加百分之几，但由于性能提高，售价可增加15%～20%，机床利润率明显增加。3.国内发展中国在直线电机及驱动控制技术的研发、应用与世界水平相差甚远，至少有十年的差距。无论产品的性能、品种，还是在机床上的应用仅处于起步阶段，甚至大量是空白。3.1国内主要研究机构中国科学院电工所、浙江大学、沈阳工业大学等对直线电机开展了多年研究，江苏、哈尔滨、广东等一些公司已有小功率直线电机产品。清华大学在“十五”攻关项目中研制成功交流永磁同步直线电机及其伺服系统，其最大运动速度60m/min，最大加速度5g，最大推力5000N，目前已与江苏瑞安特公司开始合作生产。此外，浙江大学直线电机与现代驱动研究所开发了直线电机驱动的压力机、锯床、雕刻机、线切割机床。北京机电院高技术股份有限公司承担的“十五”攻关项目《直线电机驱动的高速立式加工中心》，于2003年研制成功国内第一台直线电机驱动的加工中心，并在2003年北京国际机床展览会展出。该机床X/Y轴采用直线电机驱动，行程分别为1250/630mm，最大快移速度80/120m/min，最大加速度O.8/1.5g。机床在设计中对减轻运动部件质量、加强机床刚性、解决高速高加速运动下的抗冲击性、直线电机的防护，以及控制系统、伺服系统与直线电机的匹配和优化调试等方面做了有益的探索并取得了成功。为解决处于工作台下方的Y轴直线电机的防护问题，设计了密封的直线驱动轴部件，并获得了国家专利。经测定，该机床精度达到精密级加工中心标准，并有充分裕量。一年多来该机床工作稳定可靠。课题组还对直线电机初级线圈与次级磁铁（定子）的温升进行了试验。以X轴为例：X轴运动部件质量1000kg，加速度设定为O.8g，快移速度设定为70m/min，连续往复运动1小时以上。试验结果：10分钟后初级线圈（水冷）温升趋于平衡，工作温度稳定在69℃左右，远远低于允许工作温度（12℃）。电机次级磁铁温升约2℃。可见直线电机初级线圈与次级磁铁（定子）的温升对机床的热影响有限，可通过补偿消除。3.2主流产品电火花成形机床GV754L北京机床研究所快进速度24m/min加速度1.5g立式加工中心VS1250北京机电院高技术股份公司X/Y轴直线电机，快进80/120m/min加速度0.8/1.5g立式加工中心XH716/5X-SM江苏多棱数控机床有限责任公司X轴直线电机车铣中心沈阳机床集团X轴直线电机，快进60m/min活塞车床G-CNCP200清华大学X轴直线电机凸轮磨床北京航空航天大学头架驱动用直线电机，精度提高，无振纹总结：2016年即将开始“十三五”规划，从企业到行业，从地方到中央都在制定新的规划。就机床的发展而言，直线电机无论作为功能部件还是其相关技术在机床中的应用，都应该得到足够重视。企业和研究部门应根据自己的客观条件选择相关课题开展研究，从战略高度考虑发展直线电机及其驱动控制的机床产品，并逐步形成产业，占领高档数控机床的重要制高点。建议行业和政府相关规划中予以大力支持。参考文献1叶云岳.杨贤诚中国直线电机应用成果汇编20002陈伯时电力拖动自动控制系统19933刘爱民.张锦辉.高君直线电机的推力波动及其抑制方法[期刊论文]-沈阳工业大学学报2003(6)4刘金凌.王先逵.吴丹.周惠兴.钱磊直线电机伺服系统的模糊推理自校正PID控制[期刊论文]-清华大学学报（自然科学版）1998(2)5冯清秀邓星忠机电传动控制（第五版）华中科技大学出版