直线电动机实现机床进给系统零传动（二）

明春艳

　　直线电动机的缺点是：首先直线电动机端部磁场的畸变影响到行波磁场的完整性，使直线电动机损耗增加，推力减小，而且存在较大的推力波动，这就是直线电动机特有的“端部效应(EdgeEffect)”。直线电动机的结构特点决定了端部效应是不可避免的。其次直线电动机的控制难度大，因为在电动机的运行过程中负载(如工件重量、切削力等)的变化、系统参数摄动和各种干扰(如摩擦力等)，包括端部效应都直接作用到电动机上，没有任何缓冲或削弱环节，如果控制系统的鲁棒性不强，会造成系统的失稳和性能的下降。其他缺点包括安装困难、需要隔磁、效率低、成本高等。
　　制造业中满足高速加工中心进给系统要求的主要是交流直线电动机。交流直线电动机可分为感应式和同步式两大类。虽然同步式直线电动机比感应式直线电动机成本较高、装配困难、需要屏蔽磁场，但效率较高、结构简单、次级不用冷却、控制方便、更容易达到所要求的高性能，并且随着钕铁硼(NdFeB)永磁材料的出现和发展，永磁同步直线电动机将逐渐发展成主流。因此在高速加工中心中永磁交流同步直线电动机所占的比例将越来越高。
3 w7 X5 E- ~2 o7 a7 c　　4直线电动机的发展及应用
　　国外直线电动机发展
　　发展历史
  w& @0 C% k1 @  ~7 D) D　　直线电动机发展的起点并不比旋转电动机晚很多，在世界上出现旋转电动机后不久，就出现了直线电动机的雏形，但直线电动机的发展过程是曲折的。
( i$ i' m! |/ U( g# \　　1845年英国人CharlesWheastone发明了世界上第一台直线电动机，但这种直线电动机由于气隙过大而导致效率很低，未获成功。到20世纪中叶，控制、电子、材料等技术的发展，为直线电动机的开发提供了理论和技术上的支持，直线电动机开始进入新的发展阶段。英国的E.R.Laithwaite教授是现代直线电动机发展的先驱者，他强调直线电动机的基础研究，以他为首的研究小组取得了不少重要的成果。代表人物还有日本的山田一教授，他撰写了多本有关直线电动机的著作。20世纪70年代以后，直线电动机应用的领域更加广泛，如自动绘图仪、液态金属泵(MHD)、电磁锤、轻工机械、家电、空气压缩机和半导体制造装置等。90年代以后，随着高速加工概念的提出，直线电动机开始作为进给系统出现在加工中心中。由于直接驱动进给系统具有传统进给系统无法比拟的优点和潜力，再次受到各国的重视。据有关报导，美国1997年直线电动机及驱动装置的销售额为4553万美元，预计2002年将达到10772万美元。
　　直线电动机作为一种机电系统，将机械结构简单化，电气控制复杂化，符合现代机电技术的发展趋势。
　　美国的Anorad公司是世界上最著名的直线电动机生产商，该公司在1988年就推出了无刷直流直线电动机，并获得美国专利。公司主要生产永磁同步式直线电动机，形成了不同结构、不同功率的一系列产品，广泛应用于各种领域。
! c8 H' O2 S* W  ?. ?7 J　　德国的Indramat公司既生产感应式直线电动机，又生产永磁式直线电动机，共50多个型号。永磁式具有高效率(最高1.72N/W)和高推力密度的特点。据报导，其产品速度能达到600m/min，推力达22kN。
　　为了降低直线电动机的价格，Trilogy公司推出了直线编码模块(LEM)。它利用电动机的磁场提供位置的反馈，与行程无关。可工作于恶劣的环境，提供的换向信号与全行程传感器一样，分辨率和重复精度为5µm。
8 a6 L" _! P: A$ u! c　　其他直线电动机生产商的产品各具特色，详细请见刘金凌等所著《高频响直流直线电机》(刊于《微特电机》1993年第4期)。在机床和加工中心的应用直线电动机在高速加工中心和其它大行程数控机床进给系统中的应用还是近几年的事情。安装直线电动机的机床必须有先进的数控系统、很高的刚度和固有频率，移动部件的质量要尽量小，这样才能充分发挥直线电动机的能力。另外，机床中直接驱动进给系统的设计还要考虑冷却与散热问题。为了防止切屑和各种粉末被直线电动机的敞开式磁场吸引，还必须采取隔磁和防磁措施。此外，直线电动机不象丝杠那样可以自锁，如果电动机垂直安装，还要考虑平衡配重和制动等环节。
+ A5 g2 X. i: d( i( X, ~　　Ford、Ingersoll和Anorad公司在80年代中期的合作，最初实现了直线电动机在机床上的应用。Ford公司希望机床既高速、高精度，又高柔性。合作的结果是Ingersoll公司推出了“高速模块”HVM800，其三轴都安装了Anorad公司的永磁式直线电动机，获得很好的性能。
　　德国Ex-Cell-O公司于1993年在德国汉诺威欧洲机床会上展出世界上第一台直线电动机驱动工作台的XHC240型高速加工中心，采用的是德国Indramat公司开发的感应式直线电动机，各轴移动速度高达80m/min，加速度可达1g。之后，许多厂商纷纷推出安装直线电动机的加工中心。据统计，1997年采用直线电动机的机床销售量为300台，预计到2005年将增加到3000台。10年后，将有20%的数控机床安装直线电动机。
　　除了切削加工机床外，其他机床如激光切割、等离子切割、电火花加工等设备也开始应用直线电动机。
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