4 直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用

國外直線電動(dòng)機(jī)發(fā)展

發(fā)展歷史

直線電動(dòng)機(jī)發(fā)展的起點(diǎn)并不比旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)晚很多，在世界上出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)后不久，就出現(xiàn)了直線電動(dòng)機(jī)的雛形，但直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)展過程是曲折的。

1845年英國人Charles Wheastone發(fā)明了世界上第一臺(tái)直線電動(dòng)機(jī)，但這種直線電動(dòng)機(jī)由于氣隙過大而導(dǎo)致效率很低，未獲成功。到20世紀(jì)中葉，控制、電子、材料等技術(shù)的發(fā)展，為直線電動(dòng)機(jī)的開發(fā)提供了理論和技術(shù)上的支持，直線電動(dòng)機(jī)開始進(jìn)入新的發(fā)展階段。英國的E.R.Laithwaite教授是現(xiàn)代直線電動(dòng)機(jī)發(fā)展的先驅(qū)者，他強(qiáng)調(diào)直線電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)研究，以他為首的研究小組取得了不少重要的成果。代表人物還有日本的山田一教授，他撰寫了多本有關(guān)直線電動(dòng)機(jī)的著作。20世紀(jì)70年代以后，直線電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的領(lǐng)域更加廣泛，如自動(dòng)繪圖儀、液態(tài)金屬泵（MHD）、電磁錘、輕工機(jī)械、家電、空氣壓縮機(jī)和半導(dǎo)體制造裝置等。90年代以后，隨著高速加工概念的提出，直 線電動(dòng)機(jī)開始作為進(jìn)給系統(tǒng)出現(xiàn)在加工中心中。由于直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)具有傳統(tǒng)進(jìn)給系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)和潛力，再次受到各國的重視。據(jù)有關(guān)報(bào)導(dǎo)，美國1997年直線電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)裝置的銷售額為4553萬美元，預(yù)計(jì)2002年將達(dá)到10772萬美元。

直線電動(dòng)機(jī)作為一種機(jī)電系統(tǒng)，將機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單化，電氣控制復(fù)雜化，符合現(xiàn)代機(jī)電技術(shù)的發(fā)展趨勢。

美國的Anorad公司是世界上最著名的直線電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商，該公司在1988年就推出了無刷直流直線電動(dòng)機(jī)，并獲得美國專利。公司主要生產(chǎn)永磁同步式直線電動(dòng)機(jī)，形成了不同結(jié)構(gòu)、不同功率的一系列產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。

德國的Indramat公司既生產(chǎn)感應(yīng)式直線電動(dòng)機(jī)，又生產(chǎn)永磁式直線電動(dòng)機(jī)，共50多個(gè)型號(hào)。永磁式具有高效率（最高1.72N/W）和高推力密度的特點(diǎn)。據(jù)報(bào)導(dǎo)，其產(chǎn)品速度能達(dá)到600m/min，推力達(dá)22kN。

為了降低直線電動(dòng)機(jī)的價(jià)格，Trilogy公司推出了直線編碼模塊（LEM）。它利用電動(dòng)機(jī)的磁場提供位置的反饋，與行程無關(guān)?？晒ぷ饔趷毫拥沫h(huán)境，提供的換向信號(hào)與全行程傳感器一樣，分辨率和重復(fù)精度為5µm。

其他直線電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商的產(chǎn)品各具特色，詳細(xì)請(qǐng)見劉金凌等所著《高頻響直流直線電機(jī)》（刊于《微特電機(jī)》1993年第4期）。在機(jī)床和加工中心的應(yīng)用直線電動(dòng)機(jī)在高速加工中心和其它大行程數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中的應(yīng)用還是近幾年的事情。安裝直線電動(dòng)機(jī)的機(jī)床必須有先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)、很高的剛度和固有頻率，移動(dòng)部件的質(zhì)量要盡量小，這樣才能充分發(fā)揮直線電動(dòng)機(jī)的能力。另外，機(jī)床中直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還要考慮冷卻與散熱問題。為了防止切屑和各種粉末被直線電動(dòng)機(jī)的敞開式磁場吸引，還必須采取隔磁和防磁措施。此外，直線電動(dòng)機(jī)不象絲杠那樣可以自鎖，如果電動(dòng)機(jī)垂直安裝，還要考慮平衡配重和制動(dòng)等環(huán)節(jié)。

Ford、Ingersoll和Anorad公司在80年代中期的合作，最初實(shí)現(xiàn)了直線電動(dòng)機(jī)在機(jī)床上的應(yīng)用。Ford公司希望機(jī)床既高速、高精度，又高柔性。合作的結(jié)果是Ingersoll公司推出了“高速模塊”HVM800，其三軸都安裝了Anorad公司的永磁式直線電動(dòng)機(jī)，獲得很好的性能。

德國Ex-Cell-O公司于1993年在德國漢諾威歐洲機(jī)床展覽會(huì)上展出世界上第一臺(tái)直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的XHC240型高速加工中心，采用的是德國Indramat公司開發(fā)的感應(yīng)式直線電動(dòng)機(jī)，各軸移動(dòng)速度高達(dá)80m/min，加速度可達(dá)1g。之后，許多廠商紛紛推出安裝直線電動(dòng)機(jī)的加工中心。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1997年采用直線電動(dòng)機(jī)的機(jī)床銷售量為300臺(tái)，預(yù)計(jì)到2005年將增加到3000臺(tái)。10年后，將有20%的數(shù)控機(jī)床安裝直線電動(dòng)機(jī)。

除了切削加工機(jī)床外，其他機(jī)床如激光切割、等離子切割、電火花加工等設(shè)備也開始應(yīng)用直線電動(dòng)機(jī)。

國內(nèi)直線電動(dòng)機(jī)的研究情況

雖然國內(nèi)研究直線電動(dòng)機(jī)的單位不少，但將直線電動(dòng)機(jī)作為機(jī)床或加工中心進(jìn)給系統(tǒng)研究的主要有3所大學(xué)：廣東工業(yè)大學(xué)成立了“超高速加工與機(jī)床研究室”，主要研究和開發(fā)“超高速電主軸”和“直線電動(dòng)機(jī)高速進(jìn)給單元”。他們研究的是直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，開發(fā)了GD-3型直線電動(dòng)機(jī)高速數(shù)控進(jìn)給單元，額定進(jìn)給力為2kN，最高進(jìn)給速度100m/min，定位精度0.004mm，行程為800mm。從90年代后期開始，沈陽工業(yè)大學(xué)對(duì)永磁直線同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究，并制造了推力為100N的樣機(jī)。他們研究的另一重點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的控制方式及伺服系統(tǒng)，并就此發(fā)表了多篇論文。清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系制造工程研究所成功地研制了高頻響直流直線電動(dòng)機(jī)，行程可達(dá)5mm，截止頻率大于250Hz，推力達(dá)幾百牛頓，用于驅(qū)動(dòng)中凸變活塞車床的橫向刀架，在實(shí)際加工中獲得了較好的應(yīng)用效果。現(xiàn)在正在進(jìn)行研究的是長行程永磁直線伺服單元，電動(dòng)機(jī)的額定推力為1500N，最高速度60m/min，空載最大加速度1g，行程600mm。 

應(yīng)該看到，在國內(nèi)，直線電動(dòng)機(jī)特別是機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中的直線伺服電動(dòng)機(jī)的研究還處于起步階段，研究人員和經(jīng)費(fèi)明顯不足，進(jìn)展也比較慢，和國外的差距越來越大，加強(qiáng)研究已是迫在眉睫。為了打破國外的技術(shù)壟斷，必須走技術(shù)跟蹤和自主開發(fā)相結(jié)合的道路，加強(qiáng)基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)的研究。

5 發(fā)展趨勢與研究方向

發(fā)展趨勢

目前直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出以下趨勢：

機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)用直線伺服電動(dòng)機(jī)，將以永磁式為主導(dǎo)：

將電動(dòng)機(jī)、編碼器、導(dǎo)軌、電纜等集成，減小電動(dòng)機(jī)尺寸，便于安裝和使用：

將各功能部件（導(dǎo)軌、編碼器、軸承、接線器等）模塊化：

注重相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，如位置反饋元件、控制技術(shù)等，這是提高直線電動(dòng)機(jī)性能  的基礎(chǔ)。

研究方向

直線電動(dòng)機(jī)的研究目標(biāo)是提高電動(dòng)機(jī)性能，滿足應(yīng)用要求。直線電動(dòng)機(jī)的主要性能包括速度、加速度、推力及其波動(dòng)、定位精度、重復(fù)定位精度、機(jī)械特性（速度-推力特性）、瞬態(tài)性能（速度響應(yīng)）和熱特性等。

作為一種機(jī)電系統(tǒng)，要提高性能無非可從結(jié)構(gòu)和控制兩方面著手。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
直線電動(dòng)機(jī)包括初、次級(jí)磁路結(jié)構(gòu)以及支撐、傳感測量、冷卻、防塵、防護(hù)等機(jī)械結(jié)構(gòu)。

磁路設(shè)計(jì) 
磁路設(shè)計(jì)最重要的任務(wù)是使電動(dòng)機(jī)的推力和推力波動(dòng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

電動(dòng)機(jī)內(nèi)磁場分布的計(jì)算是磁路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。由于結(jié)構(gòu)的特殊性，使得直線電動(dòng)機(jī)存在端部效應(yīng)，引起磁場的畸變，同時(shí)使用硅鋼片等軟磁材料來聚合磁路，媒質(zhì)邊界曲折交錯(cuò)、磁路復(fù)雜、非線性強(qiáng)。如果采用傳統(tǒng)的等效磁路法或圖解法進(jìn)行計(jì)算，將會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，甚至是不可能的。因此目前普遍采用數(shù)值解法—主要是用有限元法（FEM）來計(jì)算直線電動(dòng)機(jī)的磁場分布，從而進(jìn)一步計(jì)算推力及其波動(dòng)以及垂直力等性能。目前市場上已經(jīng)有很多優(yōu)秀的電磁場FEM軟件可供選用，所以用FEM計(jì)算直線電動(dòng)機(jī)電磁場的關(guān)鍵點(diǎn)在于建立精確的有限元模型。

減少推力波動(dòng)是磁路設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)也是難點(diǎn)。推力波動(dòng)產(chǎn)生的原因有：初級(jí)電流和反電動(dòng)勢存在高次諧波、氣隙磁密波形非正弦、齒槽效應(yīng)、端部效應(yīng)等。通過優(yōu)化永磁鐵的形狀和排列方式、降低永磁勵(lì)磁磁密、初級(jí)采用無鐵心和多極結(jié)構(gòu)、增加槽的數(shù)目、加大氣隙等措施可以減小推力波動(dòng)，但某些措施會(huì)造成其它性能的減弱，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮設(shè)計(jì)要求，達(dá)到最佳效果。#p#分頁標(biāo)題#e#

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械結(jié)構(gòu)涉及的問題很多，在這里我們只強(qiáng)調(diào)一下對(duì)冷卻系統(tǒng)的研究，因?yàn)檫@個(gè)問題很容易被忽略。其實(shí)熱特性是直線電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要特性，同一型號(hào)的電動(dòng)機(jī)有冷卻時(shí)的推力峰值是無冷卻時(shí)的兩倍，所以電動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的好壞對(duì)電動(dòng)機(jī)的性能有很大的影響，從冷卻系統(tǒng)著手進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高電動(dòng)機(jī)性能的一條捷徑。電動(dòng)機(jī)熱特性的分析一般也采用有限元法，在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)冷卻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

控制技術(shù)的研究

控制技術(shù)是直線電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的另一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

直線伺服系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，這樣負(fù)載的變化就直接反作用于電動(dòng)機(jī)：外界擾動(dòng)，如工件或刀具質(zhì)量、切削力的變化等，也未經(jīng)衰減就直接作用于電動(dòng)機(jī)：電動(dòng)機(jī)參數(shù)的變化也直接影響著電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行：直線導(dǎo)軌存在摩擦力：直線電動(dòng)機(jī)還存在齒槽效應(yīng)和端部效應(yīng)。這些因素都給直線電動(dòng)機(jī)的控制帶來困難。控制算法中必須要對(duì)這些擾動(dòng)予以抑制或補(bǔ)償，否則容易造成控制系統(tǒng)的失穩(wěn)。

總體來說，控制器的設(shè)計(jì)要達(dá)到以下要求：穩(wěn)態(tài)跟蹤精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性好。不同的直線電動(dòng)機(jī)或不同的應(yīng)用場合對(duì)控制算法會(huì)提出不同的要求，所以要根據(jù)具體情況采用合適的控制方法。目前直線伺服電動(dòng)機(jī)采用的控制策略主要有傳統(tǒng)的PID控制、解耦控制，現(xiàn)代控制方法如非線性控制、自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、H∞控制、智能控制如模糊控制、人工智能（如人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)）控制等。

可以看出，直線電動(dòng)機(jī)的控制算法運(yùn)算量大，而且在高速加工進(jìn)給系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，因此對(duì)整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)提出了很高的要求。要滿足這種要求，在優(yōu)化控制算法的同時(shí)，還應(yīng)采用高性能的硬件。在高速加工中心進(jìn)給系統(tǒng)中通常采用全數(shù)字驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以PC作為基本平臺(tái)，DSP實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)和伺服控制。

雖然直線電動(dòng)機(jī)的控制比旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)難度大得多，但他們的電磁特性和運(yùn)行原理基本相似，而旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的伺服控制技術(shù)已發(fā)展得比較成熟。所以在實(shí)驗(yàn)研究階段，為了盡快建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，我們也可以將旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的伺服控制器改造成直線電動(dòng)機(jī)的伺服控制器，這樣可以降低研制的成本和周期，對(duì)開發(fā)專用的直線電動(dòng)機(jī)伺服控制器也有指導(dǎo)意義。 

試驗(yàn)研究理論研究是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，但要確定電動(dòng)機(jī)的性能，歸根到底還要靠具體的試驗(yàn)。旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的性能試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)很成熟，并且已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，但直線電動(dòng)機(jī)的性能試驗(yàn)還沒有統(tǒng)一的方法。因此研究高效精確的直線電動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法也是一個(gè)很重要的課題，對(duì)理論研究也有促進(jìn)作用。試驗(yàn)研究的關(guān)鍵點(diǎn)在于各項(xiàng)參數(shù)如速度、加速度、靜態(tài)力、動(dòng)態(tài)力、位移、溫度等的準(zhǔn)確測量，如果需要還要設(shè)計(jì)專門的試驗(yàn)臺(tái)。根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)方案優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上制造出樣機(jī)，然后通過對(duì)樣機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。一臺(tái)性能優(yōu)良的直線電動(dòng)機(jī)往往要經(jīng)過多次反復(fù)計(jì)算、試驗(yàn)才能制造出來。