直线电动机实现机床进给系统零传动（三）

竹溪七叶

　　国内直线电动机的研究情况
　　虽然国内研究直线电动机的单位不少，但将直线电动机作为机床或加工中心进给系统研究的主要有3所大学：广东工业大学成立了“超高速加工与机床研究室”，主要研究和开发“超高速电主轴”和“直线电动机高速进给单元”。他们研究的是直线感应电动机，开发了GD-3型直线电动机高速数控进给单元，额定进给力为2kN，最高进给速度100m/min，定位精度0.004mm，行程为800mm。从90年代后期开始，沈阳工业大学对永磁直线同步电动机进行研究，并制造了推力为100N的样机。他们研究的另一重点是电动机的控制方式及伺服系统，并就此发表了多篇论文。清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所成功地研制了高频响直流直线电动机，行程可达5mm，截止频率大于250Hz，推力达几百牛顿，用于驱动中凸变活塞车床的横向刀架，在实际加工中获得了较好的应用效果。现在正在进行研究的是长行程永磁直线伺服单元，电动机的额定推力为1500N，最高速度60m/min，空载最大加速度1g，行程600mm。
　　应该看到，在国内，直线电动机特别是机床进给系统中的直线伺服电动机的研究还处于起步阶段，研究人员和经费明显不足，进展也比较慢，和国外的差距越来越大，加强研究已是迫在眉睫。为了打破国外的技术垄断，必须走技术跟踪和自主开发相结合的道路，加强基础和关键技术的研究。
# V, Y7 L9 ]+ h8 a) O) U; O　　5发展趋势与研究方向
: ?. C; I& q0 T. e　　发展趋势
5 Z( y3 N6 c. T) [; U8 Q　　目前直线电动机直接驱动技术的发展呈现出以下趋势：
　　机床进给系统用直线伺服电动机，将以永磁式为主导：
  b& H% K  W7 b) i3 t( q* g) Q　　将电动机、编码器、导轨、电缆等集成，减小电动机尺寸，便于安装和使用：
! N8 {' F" W/ {7 D　　将各功能部件(导轨、编码器、轴承、接线器等)模块化：
　　注重相关技术的发展，如位置反馈元件、控制技术等，这是提高直线电动机性能的基础。
3 S3 F4 p. G$ g9 a4 W( z( _0 c　　研究方向
& d. s9 {, ]% @　　直线电动机的研究目标是提高电动机性能，满足应用要求。直线电动机的主要性能包括速度、加速度、推力及其波动、定位精度、重复定位精度、机械特性(速度-推力特性)、瞬态性能(速度响应)和热特性等。
6 n3 F. g6 t1 v- k2 S' V　　作为一种机电系统，要提高性能无非可从结构和控制两方面着手。
　　结构设计
　　直线电动机包括初、次级磁路结构以及支撑、传感测量、冷却、防尘、防护等机械结构。
; g1 x1 J& t; r6 l; }2 m　　磁路设计
　　磁路设计最重要的任务是使电动机的推力和推力波动达到设计要求。
; |1 B# n* [/ u, f　　电动机内磁场分布的计算是磁路设计的基础。由于结构的特殊性，使得直线电动机存在端部效应，引起磁场的畸变，同时使用硅钢片等软磁材料来聚合磁路，媒质边界曲折交错、磁路复杂、非线性强。如果采用传统的等效磁路法或图解法进行计算，将会产生较大的误差，甚至是不可能的。因此目前普遍采用数值解法—主要是用有限元法(FEM)来计算直线电动机的磁场分布，从而进一步计算推力及其波动以及垂直力等性能。目前市场上已经有很多优秀的电磁场FEM软件可供选用，所以用FEM计算直线电动机电磁场的关键点在于建立精确的有限元模型。
/ b, h/ P* j+ ~  O　　减少推力波动是磁路设计的一个重点也是难点。推力波动产生的原因有：初级电流和反电动势存在高次谐波、气隙磁密波形非正弦、齿槽效应、端部效应等。通过优化永磁铁的形状和排列方式、降低永磁励磁磁密、初级采用无铁心和多极结构、增加槽的数目、加大气隙等措施可以减小推力波动，但某些措施会造成其它性能的减弱，所以设计时应综合考虑设计要求，达到最佳效果。
　　机械结构设计机械结构涉及的问题很多，在这里我们只强调一下对冷却系统的研究，因为这个问题很容易被忽略。其实热特性是直线电动机的一个重要特性，同一型号的电动机有冷却时的推力峰值是无冷却时的两倍，所以电动机冷却系统的好坏对电动机的性能有很大的影响，从冷却系统着手进行优化设计是提高电动机性能的一条捷径。电动机热特性的分析一般也采用有限元法，在计算结果的基础上对冷却进行优化设计。
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