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直线电机及其在高速机床中的应用

邓英剑 ! 湖南冶金职业技术学院" 株州 #$%&&& ’

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【摘要】介绍了直线电机的工作原理及其主要特点，并介绍了直线电机在高速机床中的应用。

关键词：直线电机；高速机床；应用

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图 $ 直线电机工作原理图

现在所使用的机器中有不少是作直线运动的。这些直线运

动多数采用旋转式电动机，通过齿轮、带、滚珠丝杠等传动装

置，进行力矩、速度、运动方式的变换。由于中间传动装置的存

在，使得整部机器体积大、效率低、精度差等，在要求产品高精

度、高密度装配的今天，要求生产机械及测量装置中所用的驱

动器能高速运行，具有高的定位精度等。这就促进了人们对直

线驱动器——

— 直线电机的研究和应用。

$ 直线电机的工作原理

直线电机的工作原理如图 $ 所示。将传统筒型旋转电动机

沿其轴线的平面剖开拉直，展成一平

面。由原来旋转电机的定子演变来的

一侧叫直线电动机的初级，由原来的

转子演变而来的一侧称直线电动机

的次极。当多相交流电通入多相对称

绕组时，就会在直线电动机的初、次

极间的气隙中产生一个行波磁场，当

次级绕组在行波磁场的切割下产生

感应电动势时，便产生感应电流，这

感应电流与气隙磁场的相互作用便

产生了电磁推力。假如初级绕组固定不动，次级就顺着行波磁

场的运动方向做直线运动了。

% 直线电机的主要特点

直线电机与旋转式电机相比，主要有如下几个特点：

! $ ’ 无机械传动装置，设备总体结构简单，体积小

由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装

置，

因而使得系统本身的结构大为简化，

重量和体积大大下降。

! % ’ 反应速度快、灵敏度高，随动性好

直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑，因而使得动子和

定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，这就消除了定、动

子间的接触摩擦阻力，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速

性和随动性。

! E ’ 定位精度高

直线电机无机械传动装置，因而可以消除中间环节所带来

的各种定位误差，加上精确的闭环控制，可实现很高的定位精度

（高达 &F $ G &F &$!H）与刚度。

! # ’ 无旋转运动，不受离心力作用，速度不受限制，容易实现

高速直线运动。

! I ’ 直线电动机是开放式的，采用短初级结构时，各部分只

有部分时间在发热，散热容易。

! J ’ 工作安全可靠、寿命长。

直线电机可以实现无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零，

所以故障少，免维修，因而工作安全可靠、寿命长。

E 直线电机在高速机床中的应用

从 $K#& 年 B@2986> L@62>7<.6 制作出世界上第一台直线电机

至今，直线电机的研究已经由探索阶段进入了实用商品阶段。

$MME 年德国 )N:688 O P 公司在汉诺威国际机床博览会上

展出了世界上第一台带有直线电机驱动工作台的 3QB O %#& 型
高速加工中心，采用德国 R.S92H27 公司的感应式直线电机，机床
最高主轴转速为 %#&&&9 T H-.，工作台最大进给速度为 J&H T

H-.。与此同时，美国 R./69><88 公司在其 3U5 O K&& 型高速加工

中心上，采用了美国 V.<92S 公司开发成功的永磁式直线电机，
最高主轴转速为 %&&&&9 T H-.，工作台最大进给速度为 WJF %H T

H-.。直线电机在高速机床上的应用，

轰动了国际机床界和学术

界，此后，直线电机像雨后春笋般在世界各工业发达国家蓬勃发

展起来。

在直线电机应用于高速机床前，主要采用的是传统的“旋转

电机 X 滚珠丝杠”传动方式。随着高速加工技术的发展，滚珠丝
杠系统的弱点逐渐暴露。由于它的组成元件多，传动链长，滚珠

丝杠又是一种细而长的非刚性传动元件，当运动速度要求较高

时，滚珠丝杠转动惯量大、扭转刚度低，传动误差大，摩擦磨损严

重，弹性变形引起爬行、反向死区引起非线形误差等一系列缺

陷，会影响机床的动态性能。目前，一般滚珠丝杠能实现的最大

直线运动速度为 %& G E&H T H-.，加速度 &F $ G &F E/，远远不能满
足高速加工的要求。

而直流电机直接驱动所具有的优点则恰恰可以弥补传统传

动方式的不足，其速度是滚珠丝杠副的 E& 倍；加速度是滚珠丝

*来稿日期：

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文章编号：

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中图分类号：?5EIMF #

文献标识码：Y

6 89 6

《机械设计与制造》 V4/F %&&#

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