直線電機將取代傳統(tǒng)機床結構 專家是這么說的

        *，裝備制造業(yè)，屬國中之重，然而，在裝備制造業(yè)中，除了數(shù)控機床外，很少有人知道直線電機是怎么一回事， 有人說，在未來10年，甚至在更短的時間內，直線電機直接驅動將取代傳統(tǒng)的機床結構。

        關于直線電機，目前有美國、德國、日本等有幾家生產(chǎn)研制企業(yè)，而我國僅有一家專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)。直線電機是20世紀末期，隨著電子技術突飛猛進發(fā)展出現(xiàn)的新型驅動元件，從原理上說被稱為“直接傳動”或“無間隙傳動”。

        直線電機的歷史可以回溯到上世紀的1831年8月29日，當時的英國電學之父法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象，后來，這種電磁感應成為目前各類電機和發(fā)電機工作的基礎原理，直線電機也就是利用了這一基本原理。

        然而，直線電機并沒有像其他旋轉電機一樣，一經(jīng)發(fā)明就被工業(yè)界接受并得到廣泛應用。而*臺得到商業(yè)應用直線感應電機，是由英國的電學工程師Eric Laithwaite教授在上世紀70年代發(fā)明的，而它僅僅被用于驅動高速織布機中的梭子。

        近年來，由于直線電機直接驅動技術的顯著優(yōu)點，才走上了精密運動控制領域：如集成電路制造、硅片加工、精密和超精密加工、航空航天及軍事裝備制造與控制等。

        2007年10月12日，第九屆中國*成果交易會在深圳市會展中心舉行。此次展會盛況，共有國內外的3000多家企業(yè)、26所名高校參加。重點展出了直線電機倒立擺、直線電機驅動與控制教學平臺及*的硬件在回路實時仿真系統(tǒng)等產(chǎn)品。

        揭開平板直線電機的神秘面紗

        直線電機與旋轉電機的原理相同，概念上可以將旋轉電機沿其徑向展開并根據(jù)運動要求加長，即成為直線電機。其中定子相當于直線電機的初級，轉子相當于直線電機的次級。當在初級中通入三相正弦電流后，在次級之間的氣隙中就會產(chǎn)生磁場，由于這個磁場是平移的，不是旋轉的，故稱為行波磁場，在行波磁場與次級的作用下，產(chǎn)生電磁推力，從而使次級產(chǎn)生直線運動。這種直線運動可以直接帶動工作臺，結構簡單、傳動環(huán)節(jié)少、不需要傳統(tǒng)的由旋轉電機經(jīng)絲杠來轉換，沒有傳動間隙（包括反向間隙），因此精度較高，被稱為“直接傳動”、“無間隙傳動”或“零傳動”，而且具有高速高加速的特點，行程不受限制。

        然而，直線電機與旋轉電機不同的是，直線電機的結構多種多樣，但仍可分為有鐵芯和無鐵芯兩大類。具體結構則可以分為平板型、“U”型和圓筒型。除“U”型外，其他兩種都可以做成有鐵芯和無鐵芯結構。

        平板型直線電機有三種設計類型：無槽無鐵心，無槽有鐵心和有槽有鐵心，這三種結構定子形狀是相同的，僅僅是動子結構有些變化。

        無槽無鐵心平板型直線電機是將動子線圈安裝在鋁制基座或非導磁材料上，因為動子里無鐵心故與電機電子磁體之間沒有吸引力。結構設計與安裝都比較簡單，這種設計漏磁較大，輸出力小；但其優(yōu)點是動子安裝方便，運動平穩(wěn)。

        無槽有鐵心平板型直線電機在結構上與無槽無鐵心的直線電機類似，但線圈是安裝在硅鋼片疊成的鐵心上，然后固定在鋁制基座上。硅鋼片疊成的鐵心用來引導磁場和增加輸出力。因為動子里有硅鋼片疊成的鐵心，故動子和磁體之間會出現(xiàn)吸引力，并且該吸引力正比于電機產(chǎn)生的力。這種電機能比上述無鐵心的結構產(chǎn)生更大的推力，但運動時有擾動力，穩(wěn)定性差。

        有槽有鐵心平板型直線電機，是將上面無槽結構的鐵芯平板改造為有槽結構，并將線圈繞組嵌入到槽中，便形成有槽有鐵心平板型直線電機結構。有槽結構，使磁力線更為集中，可以極大提高電機推力；但同時，在鐵心和磁軌之間有強大的吸引力，然而這些力同時會加劇導軌結構的磨損。由于有邊緣效應，這種結構仍然有內在擾動力，運行穩(wěn)定性不好，需要通過斜放磁體或控制方法解決。

        由于直線電機是直接把電能轉化為直線的機械運動，并直接與負載相連，故具備高速高加速等特性。今天直線電機在實際運行中可以達到5m/s的速度和5g的高加速度。理論上電機能達到20g的加速度和40m/s的速度，但其他機械結構如導軌和拖鏈等限制了電機特性的發(fā)揮。具體的優(yōu)點有：

        在速度方面，直線電機的zui大速度只受驅動電壓和控制器的限制。通常直線電機的速度在1微米的分辨率下是3m/s，分辨率為10微米時能達到5 m/s以上的速度。

        直線電機驅動的精度、分辨率和重復精度取決于反饋裝置。在直線反饋裝置的精度很寬的范圍下，分辨率和精度主要受控制系統(tǒng)的帶寬限制。它的優(yōu)點一是在高頻響上：直線電機驅動的頻響特性是傳統(tǒng)的通過機械傳動裝置獲得直線運動的100倍，因此具備更快的加速度，從而在工業(yè)運用中提高生產(chǎn)能力。二是剛度好：因為沒有機械傳動裝置，剛度的增加是可以通過調節(jié)驅動器增益和電流來增加，它比滾珠絲杠驅動的裝置好得多。當然它受電機的峰值推力、驅動器zui大電流和反饋裝置的分辨率限制。三是零間隙：通過導軌支撐直接實現(xiàn)直線運動，中間沒有其他機械傳動部件，故沒有間隙。而目前廣泛使用的滾珠絲杠等直線運動結構，都有不能解決的間隙問題。四是維護簡單：因為直線電機的初級和次級沒有接觸部分，故沒有磨損。

        隨著微電子、電力電子技術、永磁材料技術和驅動技術的發(fā)展，直線電機技術正逐步走向完善，并逐步被市場接受。國外電機（氣）公司相繼推出自己的直線電機產(chǎn)品，年銷量已超過30萬臺。主要應用領域為：列車驅動、物料運送、數(shù)控機床、食品和輕工機械、自動繪圖儀、液壓金屬泵、空氣壓縮機、電磁炮、家用電器以及半導體器件加工設備、噴繪機械等。它所具有的優(yōu)勢，越來越引起人們的重視，不久的將來，它將像微電子技術和計算機技術一樣，在人類的各個領域中得到廣泛的利用。

        在機床進給系統(tǒng)中，采用直線電動機直接驅動后取消了從電機到工作臺（拖板）之間的中間機械傳動環(huán)節(jié)，因此是直接驅動，無間隙。直線電機直接驅動將是今后高速數(shù)控機床進給系統(tǒng)的基本傳動方式。

        磁懸浮列車結合了磁懸浮和直線電機驅動技術，列車和軌道之間無接觸、無機械磨損，直線電機直接驅動可使列車高速運行。它具有速度高、運量大、對環(huán)境影響（噪聲、振動等）小、能耗低、維護方便、運行安全平穩(wěn)、無脫軌危險和很強的爬坡能力等一系列優(yōu)點。目前，世界上許多工業(yè)發(fā)達的國家為占領該技術的制高點，爭奪未來市場，分別投入了巨大的人力和物力。

        直線電機的高速特性可為各種物料輸送行業(yè)所利用。直線電機驅動可用于郵政分揀輸送線，行李分揀輸送線，鋼材生產(chǎn)輸送線，電氣、電子、機械加工生產(chǎn)線，食品加工線、制藥生產(chǎn)線，各種物料輸送及立體倉庫的調度等。直線電機亦可用于電梯、升降機等。

        直線電機可用于驅動各類門、窗，還有用直線電機驅動的洗衣機、干燥機、晾衣架、家用電動工具等。

        在計算機外設方面，主要是需要直線運動的打印機、噴繪機、CD機和光驅等，同樣具有磨損小、快速和壽命長的特點。

        在軍事應用方面，主要是把直線電機用于電磁炮、飛機彈射系統(tǒng)及仿真設施。例如，利用直線電機產(chǎn)生的巨大速度和加速度，模擬戰(zhàn)斗機飛行員逃生時坐椅的彈射系統(tǒng)。直線電機也可用于衛(wèi)星中的調節(jié)執(zhí)行器。

        在醫(yī)療儀器方面，直線電機目前用于醫(yī)療儀器中的直線運動驅動，如CT機、X光掃描儀器等，也可用于驅動的人工心臟。