直線電機直接驅動系統具有結構簡單、動態響應快、精度高、速度和加速度大、振動和噪聲小等一系列優點，是各類超高速精密機床的理想傳動方式。介紹了直線電機的工作原理與性能特點，重點闡述了直線電機的效率與功率因數、冷卻措施、法向磁吸力、伺服控制、隔磁與防護、重力加速度、電源電壓等七個方面的關鍵技術問題及其解決辦法。

現代科學技術的飛速發展，對零件的制造精度和加工效率提出了越來越高的要求，作為工作母機的機床在加工速度和加工精度等性能指標方面必須要有一個質的飛躍。然而，采用“旋轉電機＋滾珠絲杠”進給傳動方式的傳統機床，由于受自身結構的限制，在進給速度、加速度、快速定位精度等方面很難有突破性的提高。于是，一種嶄新的進給傳動方式———直線電機直接驅動方式應運而生。直線電動機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能、而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置，具有起動推力大、動態響應快、定位精度高、速度與加速度大、振動與噪聲小、行程長度不受限制等優點。特別是由于直線電動機無離心力作用，故直線移動速度可以不受限制；而且其加速度非常大，最高可達10g（g＝9．8m／s2），能實現起動時瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間準停。但是，直線電動機直接驅動也存在一些缺點———關鍵技術問題。筆者對直線電動機的工作原理及性能特點、直線驅動的關鍵技術問題及其解決對策進行了綜述。

1直線電動機的工作原理

直線電動機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能、而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。它可以看成是將一臺旋轉電機沿徑向剖開，并展成平面而成，如圖1所示。由定子演變而來的一側稱為初級，由轉子演變而來的一側稱為次級。在實際應用時，將初級和次級制造成不同的長度，以保證在所需行程范圍內初級與次級之間的耦合保持不變。直線電動機可以是短初級長次級，也可以是長初級短次級。考慮到制造成本、運行費用，目前一般均采用短初級長次級。

直線電機工作原理與旋轉電機相似。以直線感應電動機為例：當初級繞組通入交流電源時，便在氣隙中產生行波磁場，次級在行波磁場切割下，將感應電動并產生電流，該電流與氣隙中的磁場相互作用就產生電磁推力。如果初級固定，則次級在推力的作用下做直線運動；反之，則初級作直線運動。其他類型直線電動機的工作原理可由同類型旋轉電機類推。目前在進給機構中應用的直線電動機主要有同步式和感應式兩類。同步式是在定件（如床身）上，沿全行程的一條直線上一塊接一塊地裝上永磁鋼，而在動件（如工作臺）下方的全長上，對應地一塊接一塊地安裝上含鐵心的通電繞組。感應式在動件上也是安裝含鐵心的通電繞組，但在定件上用不通電的繞組替代同步式的永磁鋼，且每個繞組中的每一匝均是短路的。

2直線電動機的優點

（1）動態響應快、定位精度高。直線電動機直接驅動系統由于取消了機械中間傳動環節，消除了反向間隙，系統的彈性變形大大減少，運動慣量也減少，使整個閉環控制系統動態響應性能和定位精度大大提高，目前定位精度最高可達±7nm。

（2）直線移動速度快。由于無離心力作用，直線速度可以不受限制。目前在機床上直線電動機實際可用的最大進給速度達150～210m／min。

（3）加減速度大。加減速度最高可達到10g（g＝9．8m／s2），從而實現起動時瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間準停，這對于機床等短行程進給非常有利。

（4）起動推力大。目前直線電動機最大推力已達20kN，從理論上講，直線電動機不存在任何推力極限。

（5）行程長度不受限制。在導軌上通過串聯直線電動機的定件，就可無限延長動件的行程長度。

（6）運行噪聲低、傳動效率高。由于無中間傳動環節，大幅度減少了機械摩擦，使運動噪聲大大下降，而由摩擦、彈性變形所引起的能量損耗大大減少。

3、關鍵技術問題及其解決辦法

直線電機伺服進給系統由于具有結構簡單、動態響應快、速度與加速度大、定位精度高、行程長度不受限制，振動與噪聲小等一系列優點，因而在機床上具有廣泛的應用前景。可以說，直線電機的發展與應用促進了現代機床技術的發展，有可能使機床結構和性能發生革命性的變化。但也必須注意到直線電機本身還有一些問題沒有得到很好解決，在機床進給系統中使用直線電機時，要揚長避短、綜合分析、充分發揮直線電機的優越性。在其設計、制造、控制、裝配過程中要特別注意解決好以下幾個方面的關鍵技術問題。

1）效率和功率因數與同容量旋轉電機相比，直線電機的效率和功率因數要低，尤其在低速時更加明顯。這主要是由兩方面原因引起的：一是直線電機的初、次級之間的氣隙比旋轉電機的氣隙大（2～3倍），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芯兩端開斷，產生了直線電機所特有的邊端效應，從而引起波形畸變等問題，其結果也導致損耗增加。這個問題要從兩方面來考慮。一方面，作為一個直線電機伺服進給系統，由于省去了中間機械傳動環節，可大大減少機械摩擦和系統的彈性變形，其運動質量、運動慣量也減少，從而使能量損耗大大減少，有可能使系統的總效率比采用旋轉電機的系統的效率還要高。另一方面，在直線電機的設計、制造過程中，要采取各種措施來提高直線電機的性能，特別要注意降低端部效應的影響。例如：可以在直線電機初級繞組的端部槽中，采用全填滿的繞組形式，即雙層繞組中每端部槽中放有兩組線圈邊，來提高設計電機的性能；也可以在主初級前面增加一段輔助短初級，用來減少入端電磁行波的效應，但增加補償繞組會使電機的重量和成本增大，而且，有時在結構上實現起來會有困難；還可以在次級鐵芯上開槽來顯著降低端部效應，從而使鼠籠次級的直線感應電機的性能比疊次級的要好。當然，還可以采用各種數值算法和優化算法通過對直線電機進行計算機輔助優化設計，來提高其性能指標。

（2）冷卻措施直線電機本身由于結構簡單，其散熱效果還是比較好的。但是，當直線電機用于機床時，由于其通常只能安裝在機床內部，散熱比較困難，而且直線電機的繞組、鐵芯就處在機床導軌附近，將嚴重引起機床導軌熱變形。這與旋轉電機傳動方式相比有很大的不同，一方面旋轉電機利用電機軸上的風扇即能較好地散熱，另一方面旋轉電機經絲杠等傳動后，到機床導軌的空間距離已較遠，也就不存在由此引起的熱變形問題。所以機床進給系統采用直線電機驅動后，有時需要采取風冷（自然風或壓縮空氣）或循環水冷等冷卻措施。冷卻問題要在進行直線電機結構和電氣參數設計時就加以考慮，否則，如果散熱條件不好，就會制約直線電機的電參數（如電流）的強度，從而制約其推力的大小，影響電機的性能。

（3）法向磁吸力直線電機除產生平行于運動方向的電磁推力外，還會在初級與次級間產生一個垂直于進給運動方向的法向磁吸力，其數值大約為推力的10倍左右。這個法向磁吸力通常是不希望存在的，而且由于在機床上所使用的直線電機大都無法做成雙邊型，這就對機床結構剛度提出了更高的要求，因此在進行機床結構設計，必須要考慮到這個法向磁吸力。為保證推力平穩，直線電機的布局應盡量做成對稱結構。也可以將直線電機的初、次級與機床導軌副結合起來設計，利用初級與次級間的法向磁吸力來實現無機械接觸的磁懸浮導軌，變不利為有利。

（4）伺服控制直線電機給系統雖然消除了中間傳動機構的彈性變形、間隙、摩擦等因素對系統精度的影響，但由于直線電機的初、次級通常是與機床工作臺、床身聯在一起的，工作臺等移動部件必然包含在閉環系統之內，也就是說直線電機傳動控制只能采用全閉環控制，這就使得各種干擾（如工件重量、切削力等的變化）不經過任何中間環節的衰減而直接傳到直線電機上，加大了伺服控制的難度。而對于旋轉電機傳動通常是采用半閉環控制來隔離這些干擾，即使采用全閉環控制，由于滾珠絲桿等彈性中間環節能吸收和抑制這些干擾，因而其伺服控制的難度相對較小。因此，對于直線電機伺服進給系統來講，必須采用比旋轉電機傳動時更為有效的控制技術。直線電機伺服進給系統這種機械上的簡化，導致其控制難度的加大，在目前的技術水平上來看是合理的，而且用軟件和微電子器件取代機械部件有可能獲得更高的性能和經濟效益。為了更好地解決直線電機的控制問題，近年來人們在直線電機的控制方面進行了大量的研究工作，取得了不少成果和一些成功的應用實例。這些研究工作基本上可以分為兩個方面：一是采用矢量控制技術、變頻調速器、PID控制器等已有成熟的控制技術；二是研究適用于直線電機的控制理論和控制技術。隨著自動控制技術與微計算機技術的發展，直線電機的控制方法會越來越多，然而，要在高速、精密機床進給系統中廣泛采用直線電機，在控制方面還有許多工作要做。

（5）隔磁與防護由于旋轉電機磁場是封閉式的，不會對外界造成任何影響，而直線電機的磁場是敞開式的，特別是同步式直線電機要在機床床身上安裝一排排強磁的永久磁鐵，而工件、床身和工具等均為磁性材料，很容易被直線電機的磁場吸住，使裝配工作很難進行特別是磁性切屑和空氣中的磁性塵埃一旦被吸入直線電機的初級與次級之間不大的氣隙中，就會造成堵塞，電機就無法工作。為此，采用感應式要比同步式好一點，其裝配難度也相對較小，但工作時仍有磁場，防護工作仍不能忽視。因此，在機床進給系統中，不管采用的是同步式還是感應式直線電機，都應采取有效的隔磁防護措施：可以加套蓋；可以采用三維折疊式密封罩將直線電機的磁場封閉起來；也可以在機床內部裝噴管，從內部向外噴出空氣，使灰塵、切屑粉末不被吸入。

（6）重力加速度當直線電機應用于垂直進給機構時，必須要解決好直線電機斷電時的自鎖問題和通電工作時重力加速度對其影響問題。這個問題比較復雜，不是簡單地加平衡配重塊就能解決的，必須在電機和伺服驅動控制模塊上采取相應的措施

（7）電源電壓直線電機特別是直線感應電機的起動推力受電源電壓的影響較大，因此，必須采取有關措施來保證電源的穩定或者改變電機的有關特性來減少或消除這種影響。

4、結束語

直線電機具有旋轉電機所不具備的許多優越性能，不僅可以用于使用旋轉電機的地方，還可以用于旋轉電機無能為力的地方。目前直線電機在機床上的應用還只是處于初級階段，隨著直線電機理論與技術的進一步發展，直線電機在機床上的應用必定會越來越廣泛，有可能出現與旋轉電機相抗衡的局面，特別是在高速精密機床上甚至完全取代旋轉電機。因此，在充分利用直線驅動的優點的同時，也要認真研究直線驅動的關鍵技術問題，并研究出解決對策，從而使直線驅動在機床等方面的應用越來越廣泛。