引

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

　　在技術(shù)層面，直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉(zhuǎn)電機按徑向剖開，并展成平面而成。直線電機比機械系統(tǒng)比有很多獨特的優(yōu)勢，如非常高速和非常低速、高加速度、幾乎零維護（無接觸零件）、高精度、無空回等。完成直線運動只需電機無需齒輪，聯(lián)軸器或滑輪，對很多應(yīng)用來說很有意義的，把那些不必要的，減低性能和縮短機械壽命的零件去掉了。

　　本期將就直線電機及其應(yīng)用做一些討論：

　　1、直線電機適合高速直線運動，這個速度有何限制？

　　2、直線電機的價格一直是用戶所關(guān)注的問題，因為直線電機目前都采用稀土永磁材料，材料價格比較昂貴，您認為如何解開用戶這個心結(jié)？

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

　　行業(yè)觀點

　　北京和利時電機技術(shù)有限公司

　　副總經(jīng)理張浩

　　我們在很多場合可以看到，許多直線驅(qū)動裝置或系統(tǒng)都是采用旋轉(zhuǎn)電機通過中間轉(zhuǎn)換裝置（例如鏈條、鋼絲繩、同步帶、齒條或絲杠等機構(gòu)）轉(zhuǎn)換為直線運動的。由于這些裝置或系統(tǒng)有中間轉(zhuǎn)換傳動機構(gòu)，所以整機存在著體積大、效率低、精度低等問題。近些年直線電機的高速發(fā)展，已經(jīng)在各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直線電機的速度通常指線速度，相當于旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)速。直線電機的速度，遠遠高于旋轉(zhuǎn)電機通過機械部件，形成直線位移運動的速度。這個速度的大小，代表了直線電機的性能，生產(chǎn)制造商的技術(shù)水平。直線電機的應(yīng)用，與旋轉(zhuǎn)電機有些區(qū)別，它與負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速度。普通旋轉(zhuǎn)電機由于受到離心力的作用，其旋轉(zhuǎn)速度受到限制；而直線電機運行時，它的零部件和傳動裝置不像旋轉(zhuǎn)電機那樣會受到離心力的作用，因而它的直線速度可以不受限制。

　　直線電機由于技術(shù)含量、制造工藝和材料的問題，所以成本較高。并不單一是因為永磁材料的成本高，主要還有對制造直線電機的加工設(shè)備要求較高，例如怎么樣保證較長行程的加工精度等，需要高精尖的數(shù)控機床才能完成。隨著我國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的不斷提升，加工工藝和加工精度都會逐步提高，相信再過幾年，直線電機的機械制造成本會大大降低。談到稀土永磁材料的成本，的確這段時間增長的較快，很多應(yīng)用到該材料的電機成本都在上漲。如何能夠更好的應(yīng)用稀土永磁材料，已經(jīng)是一個關(guān)系到材料方面的新課題，這個需要生產(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)用到一些輕負載、小功率的電機上等。

　　直線電機采用的全閉環(huán)控制，是指電機本體上裝有光柵尺，時刻反饋動子的位置，由于光柵尺的位置精度很高，所以用直線電機驅(qū)動負載，可以提高控制精度。與標準伺服驅(qū)動的直線單元比，采用直線電機驅(qū)動的傳動裝置，不需要任何轉(zhuǎn)換裝置而直接產(chǎn)生推力，簡化了整個系統(tǒng)，保證了運行的可靠性，提高了傳動效率，降低了制造成本，易于維護。直線電機是通過電能直接產(chǎn)生直線電磁推力的，它在驅(qū)動裝置中，其運動可以無機械接觸，使傳動零部件無磨損，從而大大減少了機械損耗，例如直線電機驅(qū)動的磁懸浮列車就是如此。普通伺服驅(qū)動的直線運動，其機械結(jié)構(gòu)在運行中，噪聲是不可避免的；而直線電機是靠電磁推力驅(qū)動裝置運行，所以整個裝置的噪音很小或無噪音，運行環(huán)境好。由于直線電機結(jié)構(gòu)簡單，且它的初級鐵心在嵌線后可以用環(huán)氧樹脂等密封成整體，所以可以在一些特殊場合中應(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。

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

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

　　主要原因：

　　一是直線電機的初次級氣隙一般比旋轉(zhuǎn)電機的氣隙大，因此所需的磁化電流較大，使損耗增加；二是由于直線電機初級鐵心兩端斷開，產(chǎn)生了所謂的邊端效應(yīng)，從而引起波形畸變等問題，也會導致?lián)p耗增加。但從整個裝置或系統(tǒng)來看，由于采用直線電機后可省去中間傳動裝置，所以，系統(tǒng)的效率有時還是比采用旋轉(zhuǎn)電機的高。

　　企業(yè)觀點

　　深圳市大族電機科技有限公司

　　產(chǎn)品線經(jīng)理王書華

　　1、直線電機適合高速直線運動，這個速度有何限制？

　　總體來講，速度受供電電壓、導軌、反饋元件分辨率和采樣速率、電機參數(shù)的限制，電機本體不是瓶頸。

　　速度方面，基于直驅(qū)結(jié)構(gòu)特點的直線電機具有相當大的優(yōu)勢，速度一般可達300m/min（以永磁同步直線電機為例，感應(yīng)直線電機更高），加速度達到20g，能滿足絕大多數(shù)應(yīng)用場合。直線電機高速限制與幾個因素有關(guān)（假設(shè)電機參數(shù)已定）：(1)供電電壓，直線電機一般作為電動機使用，其反電勢會抵消母線電壓，進而限制速度，提高電壓可以提高電機的速度上限；(2)鐵心材料，

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

　　因此，直線電機針對不同的應(yīng)用要進行不同的設(shè)計，主要有以下幾個因素（假設(shè)電壓一定）：1、合理的極距設(shè)計，滿足最大速度時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，根據(jù)速度要求設(shè)計電機力常數(shù)（對應(yīng)反電勢常數(shù)）、電阻、電感，以滿足最高速度時的供電電壓需求；

　　3、加強冷卻，直線電機在改善發(fā)熱后速度還可以進一步提高。

　　因此，理論上講，如果沒有空間、電壓和其它性能參數(shù)的限制，單純對速度要求而言，電機本體設(shè)計不是瓶頸；但實際應(yīng)用中，需求是復雜的，需要綜合考慮；直線電機在高速應(yīng)用中，不僅要考慮電機本身的耐受能力，還要綜合電機的外圍因素。但不論如何，直線電機的高運動性能仍是其明顯優(yōu)勢之一。

　　2、直線電機的價格一直是用戶所關(guān)注的問題，因為直線電機目前都采用稀土永磁材料，材料價格比較昂貴，您認為如何解開用戶這個心結(jié)？

　　價格方面，直線電機的價格要是要高出一些。在一個10μm定位精度的系統(tǒng)中，使用直線電機的綜合成本大致是滾珠絲杠的2倍。但是隨著對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，直線電機在高精高速的應(yīng)用中具備明顯的優(yōu)勢。

　　正常情況下直線電機的成本較高主要取決于幾個方面：

　　(1)材料成本，比如高性能的永磁體、銅等；這個材料成本和傳統(tǒng)電機的差距比較明顯，但從使用成本上來講，對于精度/可靠性和壽命等要求比較高的應(yīng)用場合，還是有性價比的；

　　(2)規(guī)?；?，直線電機還是小批量產(chǎn)品，沒有規(guī)模優(yōu)勢，因此折合單個產(chǎn)品成本偏高；限于結(jié)構(gòu)特點，沒有形成標準、統(tǒng)一的尺寸規(guī)格，需要根據(jù)實際應(yīng)用改進各種結(jié)構(gòu)配合；

　　(3)應(yīng)用成本，直線電機配套的系統(tǒng)附件成本較高，比如直線光柵尺、驅(qū)動器（運動控制困難，雖然直線電機的理論速度與加速度都很誘人，但實際上只有合理的配置負載、驅(qū)動才能實現(xiàn)最佳效果）；這些產(chǎn)品核心技術(shù)仍掌握在國外，短期內(nèi)價格降不下來；

　?。?）應(yīng)用技術(shù)不成熟，直線電機的普遍應(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)驗和市場經(jīng)驗，這些條件目前還未具備。

　　因此，直線電機的應(yīng)用還是根據(jù)實際需求，它的價格和性能優(yōu)勢只有在部分高端或特殊應(yīng)用中才能體現(xiàn)，比如長行程、高速、高精度、高可靠性、單軸多動子和免維護的應(yīng)用場合；客戶應(yīng)合理利用直線電機技術(shù)，比如直線電機的高速、高精度等特點，決定著它在電子裝備業(yè)的硬性需求：加工各種微米級、納米級的高精度產(chǎn)品，并把直線電機技術(shù)運用到生產(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，進行合理選擇、理性消費。

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

　　以運動平臺舉例比較：傳統(tǒng)運動平臺是由旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動，帶動絲杠、皮帶等傳動部件驅(qū)動的，在旋轉(zhuǎn)電機與工作臺及工件之間存在絲杠、皮帶、齒輪等中間環(huán)節(jié)，傳動鏈長；滾珠絲杠又是一種細而長的非剛性傳動元件，當運動速度要求較高時，由于滾珠絲杠傳動慣量大、扭矩剛度低、傳動誤差大、磨損嚴重、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，從而影響運動平臺的動態(tài)性能。直線電機應(yīng)用，動子與負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動子和負載的位置，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、動態(tài)響應(yīng)能力大大提高，并且由于結(jié)構(gòu)簡單，所以維護簡單，理論上行程可實現(xiàn)無限長，磨損少壽命長，同時系統(tǒng)控制性能隨時間的變化影響很小。