引

　　直線電機(jī)1845年英國(guó)人就已經(jīng)發(fā)明，但當(dāng)時(shí)的直線電動(dòng)機(jī)氣隙過(guò)大導(dǎo)致效率很低，無(wú)法應(yīng)用。19世紀(jì)70年代科爾摩根也推出過(guò)，但因成本高效率低限制其發(fā)展。直到20世紀(jì)70年代以后，直線電機(jī)才逐步發(fā)展并應(yīng)用于一些特殊領(lǐng)域，20世紀(jì)90年代直線電機(jī)開(kāi)始應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)，現(xiàn)在世界一些技術(shù)先進(jìn)的加工中心廠家開(kāi)始在其高速機(jī)床上應(yīng)用，國(guó)外知名企業(yè)例如DMG、Ex-cell-O、Ingersoll、CINCIATI、GROB、MATEC、MAZAK、FANUC、SODICK都推出了使用直線電機(jī)的高速高精加工中心。

　　在技術(shù)層面，直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。它可以看成是一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)按徑向剖開(kāi)，并展成平面而成。直線電機(jī)比機(jī)械系統(tǒng)比有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如非常高速和非常低速、高加速度、幾乎零維護(hù)（無(wú)接觸零件）、高精度、無(wú)空回等。完成直線運(yùn)動(dòng)只需電機(jī)無(wú)需齒輪，聯(lián)軸器或滑輪，對(duì)很多應(yīng)用來(lái)說(shuō)很有意義的，把那些不必要的，減低性能和縮短機(jī)械壽命的零件去掉了。

　　本期將就直線電機(jī)及其應(yīng)用做一些討論：

　　1、直線電機(jī)適合高速直線運(yùn)動(dòng)，這個(gè)速度有何限制？

　　2、直線電機(jī)的價(jià)格一直是用戶所關(guān)注的問(wèn)題，因?yàn)橹本€電機(jī)目前都采用稀土永磁材料，材料價(jià)格比較昂貴，您認(rèn)為如何解開(kāi)用戶這個(gè)心結(jié)？

　　3、直線電機(jī)采用全閉環(huán)控制，這個(gè)閉環(huán)控制有何特點(diǎn)？與伺服相比，優(yōu)點(diǎn)在哪里？

　　行業(yè)觀點(diǎn)

　　北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司

　　副總經(jīng)理張浩

　　我們?cè)诤芏鄨?chǎng)合可以看到，許多直線驅(qū)動(dòng)裝置或系統(tǒng)都是采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)中間轉(zhuǎn)換裝置（例如鏈條、鋼絲繩、同步帶、齒條或絲杠等機(jī)構(gòu)）轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的。由于這些裝置或系統(tǒng)有中間轉(zhuǎn)換傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所以整機(jī)存在著體積大、效率低、精度低等問(wèn)題。近些年直線電機(jī)的高速發(fā)展，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直線電機(jī)的速度通常指線速度，相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。直線電機(jī)的速度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)機(jī)械部件，形成直線位移運(yùn)動(dòng)的速度。這個(gè)速度的大小，代表了直線電機(jī)的性能，生產(chǎn)制造商的技術(shù)水平。直線電機(jī)的應(yīng)用，與旋轉(zhuǎn)電機(jī)有些區(qū)別，它與負(fù)載的情況有很大的關(guān)系。所以，我們提到的速度，通常指空載下的直線移動(dòng)速度。普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)由于受到離心力的作用，其旋轉(zhuǎn)速度受到限制；而直線電機(jī)運(yùn)行時(shí)，它的零部件和傳動(dòng)裝置不像旋轉(zhuǎn)電機(jī)那樣會(huì)受到離心力的作用，因而它的直線速度可以不受限制。

　　直線電機(jī)由于技術(shù)含量、制造工藝和材料的問(wèn)題，所以成本較高。并不單一是因?yàn)橛来挪牧系某杀靖撸饕€有對(duì)制造直線電機(jī)的加工設(shè)備要求較高，例如怎么樣保證較長(zhǎng)行程的加工精度等，需要高精尖的數(shù)控機(jī)床才能完成。隨著我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的不斷提升，加工工藝和加工精度都會(huì)逐步提高，相信再過(guò)幾年，直線電機(jī)的機(jī)械制造成本會(huì)大大降低。談到稀土永磁材料的成本，的確這段時(shí)間增長(zhǎng)的較快，很多應(yīng)用到該材料的電機(jī)成本都在上漲。如何能夠更好的應(yīng)用稀土永磁材料，已經(jīng)是一個(gè)關(guān)系到材料方面的新課題，這個(gè)需要生產(chǎn)永磁材料的廠家研究。例如，現(xiàn)有的稀土永磁體都是采用燒結(jié)工藝，磁密度較大，是否有的場(chǎng)合可以采用粘結(jié)工藝，磁密度偏小些，可以應(yīng)用到一些輕負(fù)載、小功率的電機(jī)上等。

　　直線電機(jī)采用的全閉環(huán)控制，是指電機(jī)本體上裝有光柵尺，時(shí)刻反饋動(dòng)子的位置，由于光柵尺的位置精度很高，所以用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，可以提高控制精度。與標(biāo)準(zhǔn)伺服驅(qū)動(dòng)的直線單元比，采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)裝置，不需要任何轉(zhuǎn)換裝置而直接產(chǎn)生推力，簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)，保證了運(yùn)行的可靠性，提高了傳動(dòng)效率，降低了制造成本，易于維護(hù)。直線電機(jī)是通過(guò)電能直接產(chǎn)生直線電磁推力的，它在驅(qū)動(dòng)裝置中，其運(yùn)動(dòng)可以無(wú)機(jī)械接觸，使傳動(dòng)零部件無(wú)磨損，從而大大減少了機(jī)械損耗，例如直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的磁懸浮列車就是如此。普通伺服驅(qū)動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中，噪聲是不可避免的；而直線電機(jī)是靠電磁推力驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行，所以整個(gè)裝置的噪音很小或無(wú)噪音，運(yùn)行環(huán)境好。由于直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且它的初級(jí)鐵心在嵌線后可以用環(huán)氧樹(shù)脂等密封成整體，所以可以在一些特殊場(chǎng)合中應(yīng)用。例如可在潮濕甚者水中使用，可在有腐蝕性氣體或有毒、有害氣體中應(yīng)用，甚至在高溫或低溫下使用。

　　直線電機(jī)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)也使散熱效果較好，由于初級(jí)的鐵心和繞組端部都暴露在空氣中，次級(jí)很長(zhǎng)，具有很大的散熱面，熱量很容易散發(fā)掉，所以直線電機(jī)的熱負(fù)荷可以取得較高，并且不需要附加冷卻裝置。

　　同時(shí)，直線電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度是普通伺服驅(qū)動(dòng)方式比不了的，用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以大大提高設(shè)備的加工效率。當(dāng)然，直線電機(jī)的不足之處在于效率和功率因數(shù)較低，尤其是低速時(shí)比較明顯。

　　主要原因：

　　一是直線電機(jī)的初次級(jí)氣隙一般比旋轉(zhuǎn)電機(jī)的氣隙大，因此所需的磁化電流較大，使損耗增加；二是由于直線電機(jī)初級(jí)鐵心兩端斷開(kāi)，產(chǎn)生了所謂的邊端效應(yīng)，從而引起波形畸變等問(wèn)題，也會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗增加。但從整個(gè)裝置或系統(tǒng)來(lái)看，由于采用直線電機(jī)后可省去中間傳動(dòng)裝置，所以，系統(tǒng)的效率有時(shí)還是比采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的高。

　　企業(yè)觀點(diǎn)

　　深圳市大族電機(jī)科技有限公司

　　產(chǎn)品線經(jīng)理王書華

　　1、直線電機(jī)適合高速直線運(yùn)動(dòng)，這個(gè)速度有何限制？

　　總體來(lái)講，速度受供電電壓、導(dǎo)軌、反饋元件分辨率和采樣速率、電機(jī)參數(shù)的限制，電機(jī)本體不是瓶頸。

　　速度方面，基于直驅(qū)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的直線電機(jī)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，速度一般可達(dá)300m/min（以永磁同步直線電機(jī)為例，感應(yīng)直線電機(jī)更高），加速度達(dá)到20g，能滿足絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合。直線電機(jī)高速限制與幾個(gè)因素有關(guān)（假設(shè)電機(jī)參數(shù)已定）：(1)供電電壓，直線電機(jī)一般作為電動(dòng)機(jī)使用，其反電勢(shì)會(huì)抵消母線電壓，進(jìn)而限制速度，提高電壓可以提高電機(jī)的速度上限；(2)鐵心材料，

　　同步轉(zhuǎn)速等于二倍的極距和頻率乘積，當(dāng)極距一定，高速意味著更高的電流激勵(lì)頻率，而高的頻率帶來(lái)更多的鐵損，增加發(fā)熱，而一般使用的硅鋼片在設(shè)計(jì)時(shí)限制在一定頻率使用范圍；(3)其他系統(tǒng)組件，比如導(dǎo)軌允許運(yùn)行的最大加速度一般小于5g、光柵尺以1um分辨率運(yùn)行的速度一般低于5m/s。在高速應(yīng)用系統(tǒng)中，要充分考慮各個(gè)組件的特點(diǎn)。

　　因此，直線電機(jī)針對(duì)不同的應(yīng)用要進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)，主要有以下幾個(gè)因素（假設(shè)電壓一定）：1、合理的極距設(shè)計(jì)，滿足最大速度時(shí)低于一定頻率的要求，限制鐵損發(fā)熱；2、合理的繞組設(shè)計(jì)，根據(jù)速度要求設(shè)計(jì)電機(jī)力常數(shù)（對(duì)應(yīng)反電勢(shì)常數(shù)）、電阻、電感，以滿足最高速度時(shí)的供電電壓需求；

　　3、加強(qiáng)冷卻，直線電機(jī)在改善發(fā)熱后速度還可以進(jìn)一步提高。

　　因此，理論上講，如果沒(méi)有空間、電壓和其它性能參數(shù)的限制，單純對(duì)速度要求而言，電機(jī)本體設(shè)計(jì)不是瓶頸；但實(shí)際應(yīng)用中，需求是復(fù)雜的，需要綜合考慮；直線電機(jī)在高速應(yīng)用中，不僅要考慮電機(jī)本身的耐受能力，還要綜合電機(jī)的外圍因素。但不論如何，直線電機(jī)的高運(yùn)動(dòng)性能仍是其明顯優(yōu)勢(shì)之一。

　　2、直線電機(jī)的價(jià)格一直是用戶所關(guān)注的問(wèn)題，因?yàn)橹本€電機(jī)目前都采用稀土永磁材料，材料價(jià)格比較昂貴，您認(rèn)為如何解開(kāi)用戶這個(gè)心結(jié)？

　　價(jià)格方面，直線電機(jī)的價(jià)格要是要高出一些。在一個(gè)10μm定位精度的系統(tǒng)中，使用直線電機(jī)的綜合成本大致是滾珠絲杠的2倍。但是隨著對(duì)精度和速度要求的提高，使用滾珠絲杠的系統(tǒng)成本大幅增加，直線電機(jī)在高精高速的應(yīng)用中具備明顯的優(yōu)勢(shì)。

　　正常情況下直線電機(jī)的成本較高主要取決于幾個(gè)方面：

　　(1)材料成本，比如高性能的永磁體、銅等；這個(gè)材料成本和傳統(tǒng)電機(jī)的差距比較明顯，但從使用成本上來(lái)講，對(duì)于精度/可靠性和壽命等要求比較高的應(yīng)用場(chǎng)合，還是有性價(jià)比的；

　　(2)規(guī)模化，直線電機(jī)還是小批量產(chǎn)品，沒(méi)有規(guī)模優(yōu)勢(shì)，因此折合單個(gè)產(chǎn)品成本偏高；限于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的尺寸規(guī)格，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用改進(jìn)各種結(jié)構(gòu)配合；

　　(3)應(yīng)用成本，直線電機(jī)配套的系統(tǒng)附件成本較高，比如直線光柵尺、驅(qū)動(dòng)器（運(yùn)動(dòng)控制困難，雖然直線電機(jī)的理論速度與加速度都很誘人，但實(shí)際上只有合理的配置負(fù)載、驅(qū)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)最佳效果）；這些產(chǎn)品核心技術(shù)仍掌握在國(guó)外，短期內(nèi)價(jià)格降不下來(lái)；

　　（4）應(yīng)用技術(shù)不成熟，直線電機(jī)的普遍應(yīng)用需要熟悉其技術(shù)的工程師，需要眾多廠商的成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，這些條件目前還未具備。

　　因此，直線電機(jī)的應(yīng)用還是根據(jù)實(shí)際需求，它的價(jià)格和性能優(yōu)勢(shì)只有在部分高端或特殊應(yīng)用中才能體現(xiàn)，比如長(zhǎng)行程、高速、高精度、高可靠性、單軸多動(dòng)子和免維護(hù)的應(yīng)用場(chǎng)合；客戶應(yīng)合理利用直線電機(jī)技術(shù)，比如直線電機(jī)的高速、高精度等特點(diǎn)，決定著它在電子裝備業(yè)的硬性需求：加工各種微米級(jí)、納米級(jí)的高精度產(chǎn)品，并把直線電機(jī)技術(shù)運(yùn)用到生產(chǎn)中，以大力提高生產(chǎn)能力和生產(chǎn)水平。希望客戶了解更全面的信息，進(jìn)行合理選擇、理性消費(fèi)。

　　3、直線電機(jī)采用全閉環(huán)控制，這個(gè)閉環(huán)控制有何特點(diǎn)？與伺服相比，優(yōu)點(diǎn)在哪里？

　　以運(yùn)動(dòng)平臺(tái)舉例比較：傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是由旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)絲杠、皮帶等傳動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)的，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)與工作臺(tái)及工件之間存在絲杠、皮帶、齒輪等中間環(huán)節(jié)，傳動(dòng)鏈長(zhǎng)；滾珠絲杠又是一種細(xì)而長(zhǎng)的非剛性傳動(dòng)元件，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度要求較高時(shí)，由于滾珠絲杠傳動(dòng)慣量大、扭矩剛度低、傳動(dòng)誤差大、磨損嚴(yán)重、彈性變形引起爬行、反向間隙引起非線性誤差等一系列缺陷，從而影響運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能。直線電機(jī)應(yīng)用，動(dòng)子與負(fù)載直接剛性連接在一起，采用直線光柵尺等位置反饋直接檢測(cè)動(dòng)子和負(fù)載的位置，去除傳統(tǒng)絲桿、聯(lián)軸器的反向間隙、磨擦、扭曲變形等等因素，系統(tǒng)的剛性和線性度大大提高，系統(tǒng)控制性能如快速性，控制精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力大大提高，并且由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以維護(hù)簡(jiǎn)單，理論上行程可實(shí)現(xiàn)無(wú)限長(zhǎng)，磨損少壽命長(zhǎng)，同時(shí)系統(tǒng)控制性能隨時(shí)間的變化影響很小。