直线电机的概述

一 直线电机的基本结构

图1-1所示的a和b分别表示了一台旋转电机和一台直线电机。

图1-1 旋转电机和直线电机示意图 a)旋转电机 b）直线电机

直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线，如图1-2所示。这样就得到了由旋转电机演变而来的最原始的直线电机。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧成为次级。

图1-2 由旋转电机演变为直线电机的过程 a）沿径向剖开 b)把圆周展成直线

图1-2中演变而来的直线电机，其初级和次级长度是相等的，由于在运行时初级和次级之间要做相对运动，如果在运动开始时，初级与次级正巧对齐，那么在运动中，初级与次级之间互相耦合的部分越来越少，而不能正常运动。为了保

证在所需的行程范围内，初级和次级之间的耦合能保持不变，因此世界应用时，是将初级与次级制造成不同的长度。由于段初级在制造成本上，运行的费用上均比短次级低得多，因此一般采用短初级长次级。如图1-3所示。

图1-3 单边型直线电机 a）短初级 b）短次级

在图1-3中所示的直线电机中仅在一边安放初级，对于这样的结构型式称为单边型直线电机。特点是在初级与次级之间存在着很大的法向吸力，一般这个法向吸力在钢次级时约为推力的10倍左右，大多数场合这种吸力是不希望存在的。

图1-4 双边型直线电机 a)短初级 b)短次级

在图1-4中所示的直线电机在次级的两边都装上了初级。这样这个法向吸力就可以相互抵消，这种结构型式称为双边型。

上述介绍的直线电机称为扁平型直线电机，是目前应用最为广泛的，除此之外直线电机还可以做成圆筒型（也称管型）结构，它也可以看作是由旋转电机演

变过来的，演变过程如图1-5所示。

图1-5 旋转电机演变成圆筒型直线电机的过程 a）旋转电机 b)扁平型单边直线电

机 c)圆筒型（管型）直线电机

图1-5a表示一台旋转电机以及由定子绕组所构成的磁场极性分布情况；图1-5b表示转变为扁平型直线电机后，初级绕组所构成的磁场极性分布情况，然后将扁平型直线电机沿着和直线运动相垂直的方向卷接成筒形。这样就构成图1-5c所示的圆筒型直线电机。

直线电机还有圆弧型和圆盘型结构。所谓圆弧型结构，就是将平板型直线电机的初级沿运动方向改成圆弧型，并安放于圆柱次级的柱面外侧，如图1-6所示。

图1-6 圆弧型直线电动机 图1-7 圆盘型直线电机

图1-7是圆盘型直线电机，该电机把次级做成一片圆盘，将初级放在次级圆盘靠近边缘的平原上，圆盘型直线电机的初级可以是双面的，也可以是单面的。圆弧型和圆盘型直线电机的运动实际上是一个圆周运动。

二 直线电机的工作原理

直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的，而且其工作原理也与旋转电机相似。

图1-8 旋转电机的基本工作原理 1-定子 2-转子 3-磁场方向

将图1-10所示的旋转电机在顶上沿径向剖开，将圆周拉直，变成了图1-9所示的直线电机。在直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，也会产生气隙磁场。当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机的相似，可看成沿展开的直线方向呈正弦形分布。当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A 、B、C相序沿直线移动。这个原理与旋转电机的相似，差异在于：这个磁场是平移的，而不是旋转的，因此称为行波磁场。

行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，即为Vs（m/s），称为同步速度，且

Vs=2fτ （1.1）

再来看行波磁场对次级的作用。假定次级为栅形次级，图1-9中仅画出其中的一根导条。次级导条在行波磁场切割下，将感应电动势并产生电流。而所有导条的电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，如果初级是固定不动的，那么次级就是顺着行波磁场运动的方向作直线运动。若次级移动的速度用V表示，转差率用S表示，则有

VsvVsVsVSVsSV(1S)Vs （1.2）

图1-9 直线电机的基本工作原理

在电动机运行状态下，S在0与1之间。上述就是直线电机的基本工作原理。

三 直线电机的分类概述

1 按结构形式分类

直线电机的分类在不同的场合下有不同的分类型式。按其结构型式主要可分为扁平型、圆筒型（管型）、圆盘型和圆弧型四种。

扁平型直线电机，即为一种扁平的矩形结构的直线电机，如图1-1b，它有单边型和双边型之分。每种型式下又分别由短初级长次级或长初级短次级。

圆筒型直线电机，即为一种外形如旋转电机的圆柱形的直线电机如图1-5所示。这种直线电机一般均为短初级长次级型式。

圆盘型直线电机，即为电机的次级是一个圆盘，不同型式的初级驱动圆盘次级做圆周运动，如图1-7所示。其初级可以是单边型也可以是双边型。

圆弧型直线电机，如图1-6所示，它的运动形式是旋转运动，且与普通旋转电机非常接近。圆弧型与圆盘型的主要区别，在于次级的形式和初级对次级的驱动点有所不同。

按以上结构型式分类的直线电机相互关系可以图1-10所示的形式表示。

长初级 扁平型 短初级 单边型 圆盘型 短初级圆弧型 双边型 圆筒型 图1-10 直线电机的结构分类

2 按功能用途分类

直线电机按其功能用途主要可以分为力电机、功电机和能电机。 1. 力电机

力电机是指单位输入功率所能产生的推力，或者单位体积所能产生的推力，主要用于在静止物体上或低速的设备上施加一定的推力的直线电机。它以短时运行、低速运行为主，例如阀门的开闭、机械手的操作等等。 2. 功电机

功电机主要作为长期连续运行的直线电机，它的性能衡量的指标与旋转电机基本一样。即可用效率、功率因数等指标来衡量其电机性能的优劣。例如高速磁悬浮列车，各种高速运行的输送线等等。 3．能电机

能电机是指运动构件在短时间内所能产生的极高能量的驱动电机，它主要是在短时间、短距离内提供巨大的直线运动能，例如导弹、鱼雷的发射等等。

3 按工作原理分类

直线电机按其工作原理可分为两个大的方面，即直线电动机和直线驱动器，直线电动机包括交流直线感应电动机、交流直线同步电动机、直线直流电动机和直线步进（脉冲）电动机、混合式直线电动机等。直线驱动器包括直线振荡电动机、直线电磁螺线管电动机、直线电磁泵、直线超声波电动机等。

四 直线电机的特性

1 是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构的装置； 2 结构多样，可根据需要制成扁平型、圆筒型或盘型等各种形式； 3 可以采用交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作；

4 不同种类具有截然不同的工作特点，可以根据需要进行选择。能满足高速、大推力

五 直线电机发展应用的概况

1 世界各国直线电机研究应用的概况

表1.1 世界各国直线电机研究应用机构状况表 机构 国别 （研究起始时间） 九州大学工学部 LIM、LSM、磁浮列车 （1973年） 日本：大学40余所、企事业50余家选择部分列出 信州大学工学部 （1974年） LIM、LSM、LDM、LPM、LOA及控制、检测、人工心脏等 武藤大学工学部 （1986年） 东京大学工学部 LIM、LSM及超导磁浮列车 山村昌、正田英介、曾根悟 山田一、肋若弘之 LIM、LSM、LDM、LPM及控制 海老原大树 野中作太郎、藤并信男 研究课题或者成果、产品 主要代表人 东京农工大学工学部 （1970年） 早稻田大学 日本大学工学部 （1980年） 铁道总研 运输部 LDM、LSM、电磁泵、检测 鹿野快男 直线电机及装置 LIM、磁悬浮搬运，水中、海洋中用直线电机 磁悬浮列车 直线电机及在地铁中的应用 小贯天 大平鹰一、川西利昌 荻原、掘上 东芝公司交通、开发部 LSM，超导磁悬浮山梨线，LIM及搬运设备产品，电车用LIM等 富士电机公司 （1980年） 日本奥德斯 （OTIS） 日本工器 麻省理工学院 肯塔基大学 美国 西屋电气公司 ANORAD公司 英国皇家学院 威尔斯大学电工、电子与系统工程学院 英国 巴斯大学电子电工学院 直线驱动公司 （Linear Drives Ltd.） 亚琛工业大学电机研究室 不论瑞工业大学 德国 柏林工业大学 西门子公司 （Demage公司） LIM、LSM、直线电机搬运装置、常导磁悬浮等 LIM、LSM、永磁直线电机、磁浮轴承等 LSM，磁悬浮列车 直线电机与磁悬浮列车 三个系列的各种直线电机产品 4个系列的各种直线电机产品 LIM、LDM、LPM、LSM基础理论研究 LIM及其各种装置 LDM、无刷LDM等 直线电机理论研究 LIM、LSM、LDM、LPM等 直线电机空压机、真空泵等产品 直线电机理论研究 直线电机理论研究 LIM、电磁搅拌、LSM、自动升降机、自动门等产品 直线电机电梯产品 井上骏夫、奥山等 大岛健二 S.A.Nasar等 Chitayat等 E.R.Laithwaite H.Basaj J.F.Eastham G.Henneberger H.Web P.Mnich 俄罗斯 俄防爆电气设备科学研究院 直线电机驱动煤矿推车、运输车，直线电机驱动煤砖成形机，直线电机驱动提升机 乌拉尔工业研究所 列宁格勒矿业学院 法国 加拿大 I.N.R.E.T.S 女王大学应用科学院 直线电机驱动传送带设备 各种LIM及矿山运输系统 LIM及磁悬浮装置 直线电机驱动输送系统，超导磁悬浮电磁机械基础理论研究 阿里山大尔 J.P.Pascal Tony.R.Ea-stham Graham.E.-Dawson I.Bolden A.A.Afonin 罗马尼亚 乌克兰 蒂米什瓦工业研究院 乌克兰科学院 基辅电工力学研究所 直线感应电动机专门设计与实验所 LIM、LPM、LOA理论分析，驱动控制 LPM,LOA及其应用 机械鱼的驱动装置等 LIM的设计及LIM汽车撞击试验线的制造 直线电机的理论分析及阵线电机电梯的研究 南非 开普敦大学电工系 J.F.Giieras 韩国 汉阳大学电工系 韩国电气研究所 LIM及搬运装置研究 常导磁悬浮列车 椎丙一 申判锡 2 中国直线电机发展应用的概况

表1.1 中国直线电机研究应用机构状况表

机构 (研究起始时间) 中国科学院电工所

LIM及磁悬浮研究，LPM及绘图机产品，LSM、直线加速器、磁悬浮

推进船等

西安交通大学

LIM、LSM及各种应用，电磁锤、打箔机、压砖机、铁磁分离器等

太原工学院

筒型LIM，直线旋转电机、LOA、阵线振动、传送带输送线研究等

上海大学

LIM及各种应用、割麻、拦门、玻

璃搅拌、邮政输送等

北京煤矿干部管理学院

江苏理工大学 铁道部铁道院

矿用LIM LIM、LPM等 常导磁悬浮列车研究

张义儒等 杨正林等 李红等

蔡廷锡、江建中、屠关镇

熊光煜、刘星达等 陈世坤、鱼振民 徐善纲、金能强等

研究课题或成果、产品

主要代表人

西南交通大学 陕西直线电机机械设备公司

杭州宇恒公司 龙游电器设备厂 香港城市工程学院

常导磁悬浮列车及LIM LIM及矿用 推车等 LIM及冲压机、输送线等

筒型电机及设备 LDM及音响设备实用化研究

连级三、林国斌等

乔中寿 杨贤诚 刘锦春 S.W.Leung

六 直线电机的应用

现代数控机床经过半个世纪的发展，其加工速度和加工精度得到极大提高。其加工精度从最初的0．01mm到现在的1μm，提高了10000倍，加工速度则从每分钟几十毫米提高到每分钟几十米，提高了1000倍。机床技术水平的高速发展是机床自动化技术发展的结果，也是以CNC为代表的先进制造技术对传统机械制造业的渗透，从而形成的机电一体化产品的结果[2]。

数控机床采用直线电机驱动技术，克服了传统驱动方式的许多缺陷，获得了极高的性能指标和优点。国外在高速加工中心上已广泛应用直线电机驱动，同时也应用到机床装备的各个领域，使机床的各项性能大为提高。1993年德国Ex—cell—O公司在汉诺威国际机床博览会上展出了世界上第一台应用直线电机驱动技术的HSC一240型超高速加工中心，该机床最大快移速度为60m／min。日本机床装备发展迅猛，高档机床大量采用直线电机驱动技术。早在1998年第十九届JIMTOF上，就展出了8台直线电机作进给驱动的机床。在2002年日本东京第二十一届JIMTOF机床展上23家公司展出了41台装有直线电机的数控机床，包括加工中心11台[3]。目前，采用直线电机驱动技术的机床是日本机床生产商供应的主流实用机床。欧美西方工业大国的机床制造厂商也大量应用直线电机驱动技术，著名的有DMG、Sodiek、Kings—bury、Anorad、Jobs和ForestLine等公司。在2003年的意大利米兰EMO2003国际机床展上，直接驱动已经成为高性能机床的重要技术手段，会展中德国DMG公司展品多为直线电机驱动。大批高性能加工中心采用了直线电机直接驱动技术。使用直线电机比用滚珠丝杆传动的成本已从l0年前的高30％，降低到目前只高15％～20％，而且参展商普遍认为用户可以节省运行成本20％以上，从而可以及时收回附加投资。JOBS公司认为有一半以上的机床采用直线电机在技术上和经济上都是值得的[4]。

国内直线电机技术的研究始于20世纪7O年代，上海电机厂、宁波大学、沈阳工业大学、清华大学、国防科技大学、浙江大学、广东工业大学等高校都做了相关研究[5-6]，但未能实现真正应用到高速机床上，大推力、长行程的进给，不是真正意义上的应用在高速机床上的直线电机进给单元。清华大学机械学系制造工程研究所研究的长行程永磁直线伺服单元额定推力1 500N，最高速度60m／min，行程600mm[7]。沈阳工业大学研究的重点摆在了永磁同步直线电动机的控制方式及伺服系统[8]；在CIM T2003（中国国际机床展览会）上，北京机电院高技术股份公司、江苏多棱数控机床股份有限公司展出了国产首批直线电机驱动的立式加工中心（VS1250），其X、Y轴采用了直线电机，最大进给速度60m／s。采用直线光栅尺反馈，全闭环控制，定位精度高，稳定性好。该加工中心采用了西门子840D系统，具有很高的可靠性与稳定性[9]。这些研究工作为直线电机技术在高速机床上的应用发挥了积极作用。目前在我国机床行业中，应用直线电机进给系统的产品越来越多。在CIMT2005上，作为全球最大的切削机床制造商之一的DWG公司，其产品中有1／3的采用了直线电机驱动技术，展出的DMC 75V linear精密立式加工中心所有进给轴都采用高动力性能直线

电机驱动，良好动态特性的基础是采用了高度稳定的龙门结构和经优化的高刚度床身，加速度高达2g，快移速度90m／min，从而可使生产率提高20％ ，该系列加工中心特别适合于模具加工[10]。2006年，德国Zimmermann公司推出了直线驱动龙门铣床FZ38，直线电机驱动通过高 因素获得高水平的标准控制，使得即便是在高进给率的情况下仍能保持非常小的拖曳距离和高定位精度[11]。DMG推出了Sprint 65直线驱动机床，在置轴上加速度达到g，快移速度40m／min[12] 。在2007年4月的中国国际机床展（CIMT2007）上，直线电机的应用越来越广泛，杭州机床集团有限公司推出了国内首次使用直线电机的平面磨床（MUGK7120X5）。全球领先的运动控制解决方案提供商丹纳赫传动，在现场的研讨会中提到直接驱动电机近年来在国内外都得到了客户的广泛认可，它改变了原有旋转电机加丝杠的结构，大大简化了机械的设计，提高了工作效率。

七 总结与展望

直线电机驱动技术与数控机床制造的结合大大促进了世界制造业的发展，大大提高了

加工精度和加工效率。直线电机进给系统是一种能把电能直接转换成直线运动的机械能，且不需要任何中间传动环节的驱动装置。它将传统的回转运动转变为直接的直线运动，因此机床的速度、加速度、刚度、动态性能得到完全改观。通过采用直线电机驱动技术使得在高速移动中获得高的定位精度成为现实，有效克服通过传统旋转电机进行驱动时，机械传动机构传动链较长、体积大、效率低、能耗高、精度差等缺点。所以，直线电机驱动技术将是高速数控机床未来发展的方向。