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直线电机在世界制造技术与装备业中的
应用与发展综述
叶云岳
浙江大学{310027}
yeyunyue@


1、概述
直线运动与旋转运动是世界上最主要的两种运动方式,许多直线驱动装置或系统往往
都是采用旋转电动机通过中间转换装置,如链条、钢丝绳、皮带、齿条或丝杆等机构转换为
直线运动。由于这些装置或系统有中间转换传动机构,所以整机机构往往较为复杂,体积较
大,速度和精度不能进一步满足人们的更高要求。直线电机是一种将电能转换成直线运动机
械能,而不需任何中间转换机构的传动装置,它具有结构简单,无接触运行,噪声低,速度
和精确度高,控制容易,维护方便,可靠性高等优点。它是 20 世纪下半叶以来电工领域中
具有新原理、新理论的新技术。目前,直线电机技术在各种直线驱动装置与系统中得到了越
来越广泛的应用,例如高速磁浮列车、磁浮船,各种物流输送线,各种自动化设备如绘图机、
打印机、复印机、扫描仪,各种民用、军用设备等,尤其在工业制造技术与装备业中,应用
直线电机更为广泛和突出,特别是近年来,直线电机所具有的结构简单、无接触、高速、易
控制和精度高等优点更促进了它在该领域的发展应用。在国外,直线电机在机应床业的应用
甚至成了一种“热点”,而得到了人们的广泛关注。
2、直线电机在国外制造装备业中的应用与发展
、直线电机在机床中应用的优点
直线电机在国外制造装备业中的应用首先在机床设备方面,传统机床的驱动装置依赖
丝杆驱动,丝杆驱动本身就具有一系列不利因素,包括:长度限制、机械背隙、磨擦、扭曲、
螺距一周期误差、较长的振动衰减时间、与电机的耦合惯量以及丝杠的轴向压缩等。所有这
些因素均限制了传统驱动装置的效率和精度。当设备磨损时,必须进行不断的调节以确保所
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需精度。直线电机驱动技术可以保证相当高的性能水准以及比传统的、将旋转运动转化为直
线运动的电机驱动装置具备更高的简便性。由于直线电机直接与移动负载相连,因此在电机
和负载之间没有背隙,而且柔量很小。
首先,利用直线驱动装置可以很容量地达到小于 1μm/s 或高达 5m/s 的速度。直线驱
动系统可以保证恒定的速度特性,速度偏差优于±%。在需要较高加速度的应用中,较
小的直线电机可以方便地提供大于 10g 的加速度,而传统电机一般产生的加速度在 1g 范围
内。直线驱动电机的精度只受反馈分辨率、控制算法以及电机结构的限制。采用前馈控制的
直线电机系统可以减少跟踪误差 200 倍以上,而传统的驱动系统却受前述各因素的制约,此
外还受机械系统限制。
其次,直线电机结构简单,由很少组件组成,因此需要的润滑也较少(直线导轨需要
定期润滑)。这意味着它的使用寿命较长以及运行比较干净。相比而言,传统的驱动系统由
20 多个零部件组成,包括电机、联轴器、滚珠丝杠、U 形块、轴承、枕块以及润滑系统。
每个零部件都需要装配时间、调整时间以及预防性维护。相反,直线电机结构很简单,它是
一个电磁执行机构,该执行机构是由两个支承在一个直线导轨上的刚体零件组成。
直线电机的其他优点包括较低的作用力和较小的速度波纹,从而保证较平稳的运动轮
廓。当然,这依赖于电机的结构、磁板以及驱动软件。为了利用直线电机固有的动态制动的
优点,驱动放大器应该有效地监控逆电动势(EMF),即使系统电源可能关断也要这样。多
个直线电机可以用“背靠背”的方式安装以保证提高作用力。还可以增设额外的磁板以保证
实质性的无限行程(受反馈设备和电缆长度限制)而不损失精度。
法国雷诺自动化公司的工程主管 Jean-Paul Bugaud 认为“直线电机已日趋成熟,它的精
度决非滚珠丝杆驱动的机床所能匹敌。两三年以后,它在高精密与高精度加工中将是一种标
准的选择。温度的变化已不再令人焦虑,它们能在 10℃或 40℃的运转中得到相同的精度。
几年以后,估计除了廉价机床外,将不再采用滚珠丝杆了。


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、直线电机在机