直线电机伺服进给系统及其关键技术问题分析

郭 辉

（杭州致格智能控制技术有限公司，杭州 310015）



直线电机伺服进给系统及其关键技术问题分析

郭 辉

（杭州致格智能控制技术有限公司，杭州 310015）

摘 要：本文阐述直线电机的发展状况以及应用，结合其在高速精密机床上应用的具体情况，分析其关键技术问题。

关键词：直线电机 伺服进给系统 机床 关键技术

直线电机进给系统具有简单的机械环节，但是其动态特征依然较为复杂，影响着系统的精度［1］。直线电机经历了长时间的发展，从最初直线电机模型的提出，到中间直线电机被应用到直线电机的驱动力上，再到直线电机理论的丰富，表明直线电机在漫长的发展过程中，一直在完善和进步。

1 直线电机发展概况

直线电机经历了漫长的发展。1845年提出了初具模型的直线电机，并被用于织布机。虽然它没有取得理想的结果，但正是这种思想的出现，促使现代电磁炮诞生。1905年，有人提出以直线电机用作列车驱动力。然而，由于经济性和可靠性的限制，没有获得成功。但是，研究人员一直关注对其的研究，在近几十年的时间里，磁浮列车如愿以偿地在日本、德国等用于测试与运行，并且获得了测试成功。

美国西屋电气公司在1945年首次成功研制了电力牵引弹射器。随之，美国通过直线电机制研制造了电磁泵。当年，英国皇家飞机制造公司在双边板式直线直流电动机的基础上研发出了发射导弹的装置。但是，直线电机一直未能获得真正意义上的应用。直到20世纪50年代中期，控制、材料技术迅疾发展及新控制元件的呈现，为其广泛应用开启了大门。这段时间产生了众多和直线电机相关的产品，如日本三洋公司出产的直线电机驱动下的电唱机，法国出现的直线电机记录仪等。此外，直线电机理论也得到了丰富，相关的文献和资料图书大量出现，以电磁场理论为基础的直线电机分析及有关计算的报道文章等也开始出现。此外，一些有关直线电机的新理论，如薄膜直线电机理论、超声波直线电机理论等也相继出现。

2 直线电机伺服进给系统应用于高速高精加工机床

在高速和超高速过程中，进给系统必须在极短的时间内获得最高速度，且可实现高速时的瞬间停止。但是，应用于机床的传统的以旋转电机驱动滚珠丝杠运动，由于受工作台惯性及螺母自身的影响，获得的进给速度与加速度通常不大。

从第十二、第十三届欧洲机床展览会和第五与第六届我国国际机床展览会的要求不难发现，珠丝杠进给系统一般的进给速度为30～40m / min，最高可达50～

60m/min。正常情况下，结构的最大加速度难以超越1g，往往数据只有0.1～0.3g，离符合超高速机床的需求相差甚远。

当机床伺服直线电机的驱动方式直接使用进给系统时，便能够得到一个非常高的进给速度与进给加速度。实际能够利用的最大进给速度是150～210m/min，最大供给加速度普遍达到2～10g（g=9.8m/s2）。所以，为了获得高速、超高速，伺服进给系统只适合采用直线电机直接驱动方式。在10年的发展中，世界各国的机床发展正朝向精密化和高速化方向迈进，而直线电机机床伺服进给系统正处于快速发展中。

德国Excell-O公司于1993首次采用机床直线电机直接驱动，构建了XHC-240型高速加工中心。在立体三维坐标上，全部使用德国Indramat公司生产的交流感应式直线电机，进给速度、加速度、进给力、进给速度、加工精度分别为60m/min、1g、2800N、4μm。同期，美国Ingersoll公司顺利研制出HVM800加工中心。在空间三维立体坐标上，采用美国Anorad公司出产的永磁式直线电机，进给速度和进给加速度分别为76.2m/min、1～1.5g。直线电机顺利应用于直线电机，在国际机床界产生了极大影响。于是，许多国家加入直线机床的研制。截止1997年，在第12届欧洲机床展览会中了解到：20多家商家使用了直线电机驱动的机床。同时，这种情况在1999年第13届欧洲机床展览会时也取得了新的进展，无论是进给速度还是进给加速度，也都有了进一步提高。

3 直线电机伺服进给系统涉及的关键技术问题

直线电机伺服进给系统因为具有简单的结构、震动噪声少及高精确度等特征，在机床上的应用前景较好。所以，机床进给系统可采用直线电机实现优势互补，充分、全面地发挥直线电机的优势。直线电机的发展和应用一定程度推动了现代技术向前发展，但机床本身也存有问题。因此，在直线电机伺服系统的设计、制造、控制及装配中，要解决好以下几个方面的技术问题。

3.1 电机伺服进给系统中的效率与功率因数问题

与相同容量的旋转电机相比，直线电机无论是效率因数还是功率因数均偏低，且其在直线电机低速运转的情况下更为明显。产生这一情况的原因，主要包括两方面：一方面，相比旋转电机，直线电机的初、次级气隙比多了约2～3倍，所以需要较大的磁化电流，产生更多的损耗；另一方面，因为直线电机初级铁芯两断点处均出现断裂，产生了直线电机特定的边端效应，进而导致波形畸变等诸多问题，损耗结果加重［2］。

针对这个问题，要从两个方面进行分析。首先，因为不再考虑中间机械传动，每个直线电机伺服进给系统很大程度上降低了机械摩擦，降低了系统的弹性变形，运动质量和运动随之递减，进而大幅度减少能耗。因此，相比使用旋转电机，系统总效率更高。其次，设计、构造直线电机流程，采用多种方法以保持直线电机突出的功能，尤其考虑到消弱端部效应带来的影响。其中，对直线电机端部槽通过使用全填满的绕组方式，目的是为了提升设计电机的性能。同时，也可以通过主初级前端多设置一段辅助短初级，以降低入端电磁行波产生的效应，然而增设补偿绕组，增大电机质量和成本；或者对次级铁芯进行开槽处理，和叠次级直线感应电比起来，极大消弱了端部效应，性能更加优越。事实上，还可使用多种形式的数值算法与优化算法，为提升性能指标，通过计算机优化设计直线电机。

3.2 直线电机伺服进给系统中的法向磁吸力

在直线电机的运动方向上不会出现与之平衡的电磁推力。此外，在进给方向上，于初级、次级间形成与之垂直的法向磁吸力，是推力大小的10倍作用。通常而言，不产生法向磁吸力的磁力最好。事实上，因为机床采用的直线电机往往不是双边型，所以要求一定强度的机床结构刚度，且在机床结构设计中不可忽视法向磁吸力。为确保稳定的推力，布设直线电机务必确保结构的对称，或者把直线电机的初、次级和机床导轨副放在一块考虑。通过初级和次级间的法向磁吸力获得的磁悬浮导轨不会出现机械接触，从而化不利因素为有利因素。

3.3 直线电机伺服进给系统中的冷却措施

直线电机因为本身结构简单，具有出色的散热效果。然而，安装时，它只可放置在底部，导致散热困难。此外，直线电机的铁芯、绕组位于机床导轨的周围，会出现机床导轨严重变形的结果。相比旋转电机传动方式，还是有很大程度的不同。第一，旋转电机通过电机轴上的风扇可较好地散热。第二，旋转电机经丝杠等启动后，和机床导轨具有较远的空间距离，就不会出现变形的情况。因此，机床进给系统以直线电机进行驱动时，还要通过循环水冷或者风冷等进行降温。针对降温问题，设计直线电机结构与电气参数设计时，就应当考虑。一旦条件不允许，将影响直线电机电参数的强度，从而限制推力的大小，制约电机性能。

3.4 直线电机伺服进给系统中的隔磁与防护

因为电机的旋转磁场不是开放的，对外界无其他影响。但是，直线电机的磁场是开放的，尤其是直线同步电机具有较高的磁场，因为在电机上安装了磁性强大的永久磁铁。此外，工具和工件均是磁性材质，和保持磁性材料磁场的直线电机相互吸引是很容易的事，于是装配工作非常困难。尤其是磁芯片与空气中磁性材质的尘埃，当被吸入磁直线电机的初级和次级间的小气隙中，会阻碍道路的顺畅，导致电机不能运转。

因此，使用感应式比同步感应具有优势，且组装难度不大。不过，工作中依然有磁场出现，一定要重视防护工作。所以，机床进给系统无论采用同步直线电机还是采用感应式电机，磁隔离防护对策不可缺少。例如，可以通过使用三维折叠式密封罩抑或添加套盖的形式封闭直线电机磁场，或装机喷嘴内由内向外排出气体，阻止灰尘、粉末的进入。

4 结束语

直线电机伺服进给系统可以精确定位及显著提升数控机床进给速度，同时操作结构简单，扩展性能良好［3］。因此，必须做好一切准备，迎接直线电机时代的到来。相比旋转电机，直线电机有很多优点。当前，应用机床上的直线电机还处于起步阶段，还需不断完善直线电机理论和技术。

参考文献

［1］杨晓君，赵万华，刘辉，张会杰.直线电机进给系统机械系统动态特性研究［J］.西安交通大学学报，2013，（4）：44-50.

［2］张春良，陈子辰，梅德庆.直线电机伺服进给系统及其关键技术问题［J］.组合机床与自动化加工技术，2001，（11）：39-42.

［3］李秋林，张平，张翊诚.直线电机伺服进给控制系统的设计［J］.机械设计与制造，2014，（5）：151-154.

Analysis of Linear Motor Servo Feed System and Its Key Technology

GUO Hui
（Hangzhou Intelligent Control Technology Co.， Ltd.，Hangzhou 310015）

Abstract:At present， the linear motor s ervo feed system has some problems in the key technical problems， which has become the subject of urgent research. This paper describes the development and application of linear motor， combined with the specific situation of the application of high speed precision machine tools， analyzes the key technical issues.

Key words:linear motor， servo feed system， machine tool，key technology