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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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