直線電機的歷史可以追溯到1840年惠斯登製作的並不成功的略現雛形的直線電機，其後的160多年中直線電機經歷了探索實驗、開發套用和使用商品化三個時期。
基本介紹
- 中文名：直線電機
- 年代：1840年
- 發明者：惠斯登
- 發展階段：探索、開發、商品化
電機簡介,套用的現狀,工作原理,邁入數控領域,
電機簡介
1971年至目前，直線電機終於進入獨立套用的時期，各類直線電機的套用得到了迅速的推廣，製成了許多有實用價值的裝置和產品，例如直線電機驅動的鋼管輸送機、運煤機、各種電動門、電動窗等。利用直線電機驅動的磁懸浮列車，速度已超過500km/h，接近了航空飛行的速度。
我國的直線電機的研究和套用是從20世紀70年代初開始的。目前主要成果有工廠行車、電磁錘、衝壓機等。我國直線電機研究雖然也取得了一些成績，但與國外相比，其推廣套用方面尚存在很大的差距。目前，國內不少研究單位已注意到這一點。
套用的現狀
近幾年，國際上對數控工具機採用直線電機顯得特別熱門，其原因是：
為了提高生產效率和改善零件的加工質量而發展的高速和超高速加工現已成為工具機發展的一個重大趨勢，一個反應靈敏、高速、輕便的驅動系統，速度要提高到 120～150m/min以上。傳統的“旋轉電機+滾珠絲槓”的傳動形式所能達到的最高進給速度為100m/min，加速度僅為5~10m/s2。直線電機驅動工作檯，其速度是傳統傳動方式的30倍，加速度是傳統傳動方式的10倍，最大可達10g；剛度提高了7倍；直線電機直接驅動的工作檯無反向工作死區；由於電機慣量小，所以由其構成的直線伺服系統可以達到較高的頻率回響。
1993年，德國ZxCell-O公司推出了世界上第一個由直線電機驅動的工作檯HSC-240型高速加工中心，工具機主軸最高速達到24000r/min，最大進給速度為60m/min，加速度達到1g，當進給速度為 20m/min時，其輪廓精度可達0.004mm。美國的Ingersoll公司緊接著推出了HVM-800型高速加工中心，主軸最高轉速為 20000r/min，最大進給速度為75.20m/min。
1996年開始，日本相繼研製成功採用直線電機的臥式加工中心、高速工具機、超高速小型加工中心、超精密鏡面加工工具機、高速成形工具機等。
我國浙江大學研製了一種由直線電機驅動的衝壓機，浙江大學生產工程研究所設計了用圓筒型直線電機驅動的並在線上構坐標測量機。2001年南京四開公司推出了自行開發的採用直線電機直接驅動的數控直線電機車床，2003年第8屆中國國際工具機展覽會上，展出北京電院高技術股份公司推出的VS1250直線電機取得的加工中心，該工具機主軸最高轉速達15000r/min。
工作原理
直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。它可以看成是一台旋轉電機按徑向剖開，並展成平面而成。
由定子演變而來的一側稱為初級，由轉子演變而來的一側稱為次級。在實際套用時，將初級和次級製造成不同的長度，以保證在所需行程範圍內初級與次級之間的耦合保持不變。直線電機可以是短初級長次級，也可以是長初級短次級。考慮到製造成本、運行費用，目前一般均採用短初級長次級。 直線電動機的工作原理與旋轉電動機相似。以直線感應電動機為例：當初級繞組通入交流電源時，便在氣隙中產生行波磁場，次級在行波磁場切割下，將感應出電動勢並產生電流，該電流與氣隙中的磁場相作用就產生電磁推力。如果初級固定，則次級在推力作用下做直線運動；反之，則初級做直線運動。 直線電機的驅動控制技術 一個直線電機套用系統不僅要有性能良好的直線電機，還必須具有能在安全可靠的條件下實現技術與經濟要求的控制系統。隨著自動控制技術與微計算機技術的發展，直線電機的控制方法越來越多。對直線電機控制技術的研究基本上可以分為三個方面：一是傳統控制技術，二是現代控制技術，三是智慧型控制技術。 傳統的控制技術如PID反饋控制、解耦控制等在交流伺服系統中得到了廣泛的套用。其中PID控制蘊涵動態控制過程中的過去、現在和未來的信息，而且配置幾乎為最優，具有較強的魯棒性，是交流伺服電機驅動系統中最基本的控制方式。為了提高控制效果，往往採用解耦控制和矢量控制技術。 在對象模型確定、不變化且是線性的以及操作條件、運行環境是確定不變的條件下，採用傳統控制技術是簡單有效的。但是在高精度微進給的高性能場合，就必須考慮對象結構與參數的變化。各種非線性的影響，運行環境的改變及環境干擾等時變和不確定因數，才能得到滿意的控制效果。因此，現代控制技術在直線伺服電機控制的研究中引起了很大的重視。常用控制方法有：自適應控制、滑模變結構控制、魯棒控制及智慧型控制。 近年來模糊邏輯控制、神經網路控制等智慧型控制方法也被引入直線電動機驅動系統的控制中。目前主要是將模糊邏輯、神經網路與PID、H∞控制等現有的成熟的控制方法相結合，取長補短，以獲得更好的控制性能。
邁入數控領域
直線電動機是藉助於電磁作用原理，直接將電能轉換為直線運動的驅動裝置。世界上第一台直線電動機是英國物理學家惠斯登（Sir Charles Wheatstone）發明，並於1845年取得專利。最初以高速運輸和牽引為主，經過不斷改進後套用範圍逐漸擴大到電腦及辦公設備、半導體製造裝備、醫療裝備、工業自動化、自動繪圖儀等等。根據不同套用場合的差異，直線電動機的種類也很多。近年出現一種由直線電動機與鋁合金滾柱導軌組合的高速線性驅動部件。Vmax=600m/min，加速度4g，套用在快速抓取和放下的場合。圖為中國台灣HIWIN公司的LMS、LMC小推力伺服直線電動機，Vmax=210m/min。
隨著控制技術、電子技術、材料技術的發展，HIWIN直線電動機經歷了由快速輕載到快速大推力，由一般工業領域向大型、精密、高速數控裝備領域發展的過程。美國Ingersoll公司於1982年開發出用AC-LM驅動的高速加工中心樣機，在EMO’93展會上Ex-cell-O公司首次展出在各坐標軸上配置感應式直線電動機（Indramat公司生產）的XHC240型臥式加工中心，各軸快移速度80m/min，加速度1g，定位精度0.004mm。上述公司邁出了AC-LM在數控工具機上套用的第一步。AC-LM作為高速、高精度、高剛度的直接驅動系統已引起業界的高度重視，在隨後的EMO’97又掀起了“歐洲的直線電機熱”。
中國雖然早在1969年浙江大學等單位就開始研究工業用直線電動機，但是AC-LM在數控工具機上的套用還是最近十多年的事情，清華大學、廣東工學院、瀋陽工業大學、哈工大等單位在研究AC-LM用於高速數控工具機方面做了大量工作。清華大學承擔了國家“十五”科技項目，並與江蘇瑞安特公司聯合推出“數控工具機用直線電機及伺服系統”，在CCMT2004（上海）展會上展出。中國用於數控工具機的AC-LM仍處於成長期，離專業化生產還有一定的距離。近年來，中國研發高速、高檔數控工具機的企業開始採用AC-LM，但多數是從國外進口。
