1 引言
高速化、精密化和模塊化是現代制造技術的發展方向。新的切削理論認為：當切削速度達到一定程度（約500m/min）后，切削區溫度不再上升，并且切削力反而會減小，刀具磨損也減少。這樣在提高生產率的同時還能提高零件的表面質量和加工精度。
一般來說，高速加工的切削速度和進給速度都比常規加工要高出一個數量級。因此高速主軸和快速進給系統是實現高速加工的兩項關鍵技術，其中對進給系統提出了以下新要求：（1）進給速度必須與高速主軸相匹配，達到60m/min或更高：（2）加速度要大，這樣才能在最短的時間和行程內達到要求的高速度，至少要1～2g：（3）動態性能要好，能實現快速的伺服控制和誤差補償，具有較高的定位精度和剛度。
長期以來，數控機床的進給系統主要是“旋轉伺服電動機，滾珠絲杠”，這種進給系統所能達到的最高進給速度為90～120m/min，最大加速度只有1.5g。同時，由于從電動機主軸到工作臺之間存在聯軸節、絲杠、螺母、軸承、支架等一系列中間環節，當進給部件要完成啟動、加減速、反轉、停車等動作時，這些機械元件產生的彈性變形、摩擦、反向間隙等，會造
成進給運動的滯后和其它許多非線性誤差：這些中間環節也加大了系統的慣性質量，影響了對運動指令的快速響應。另外，絲杠是細長桿，在力和熱的作用下，會產生變形，影響加工精度。
為了克服傳統進給系統的缺點，簡化機床結構，滿足高速精密加工的要求，人們開始研究新型的進給系統，直線電動機就是最有前途的快速進給系統。它取消了源動力和工作臺部件之間的一切中間傳動環節，使得機床進給傳動鏈的長度為零，這就是所謂的“直接驅動”或“零傳動”。
2 直線電動機的原理和分類
所謂直線電動機就是利用電磁作用原理，將電能直接轉換直線運動動能的設備。在實際的應用中，為了保證在整個行程之內初級與次級之間的耦合保持不變，一般要將初級與次級制造成不同的長度。直線電動機與旋轉電動機類似，通入三相電流后，也會在氣隙中產生磁場，如果不考慮端部效應，磁場在直線方向呈正弦分布，只是這個磁場是平移而不是旋轉的，因此稱為行波磁場。行波磁場與次級相互作用便產生電磁推力，這就是直線電動機運行的基本原理。由于直線電動機和旋轉電動機之間存在以上對應關系，因此每種旋轉電動機都有相對應的直線電動機，但直線電動機的結構形式比旋轉電動機更靈活。直線電動機按工作原理可分為：直線直流電動機、直線感應電動機、直線同步電動機、直線步進電動機、直線壓電電動機及直線磁阻電動機：按結構形式可分為平板式、U形及圓筒式。
3 直線電動機的優缺點分析
直線電動機的特點在于直接產生直線運動，與間接產生直線運動的“旋轉電動機，滾動絲杠”相比，其優點是（具體性能見下表）：
（1）沒有機械接觸，傳動力是在氣隙中產生的，除了導軌外沒有其它摩擦：（2）結構簡單，體積小，以最少的零部件數量實現直線驅動，而且是只有一個運動的部件：（3）行程在理論上不受限制，而且性能不會因為行程的改變而受到影響：（4）可以提供很寬的速度范圍，從每秒幾微米到數米，特別是高速是其一個突出的優點：（5）加速度很大，最大可達10g：（6）運動平穩，這是因為除了起支撐作用的直線導軌或氣浮軸承外，沒有其它機械連接或轉換裝置的緣故：（7）精度和重復精度高，因為消除了影響精度的中間環節，系統的精度取決于位置檢測元件，有合適的反饋裝置可達亞微米級：（8）維護簡單，由于部件少，運動時無機械接觸，從而大大降低了零部件的磨損，只需很少甚至無需維護，使用壽命更長。
直線電動機與“旋轉電動機，滾珠絲杠”傳動性能比較表
直線電動機的缺點是：首先直線電動機端部磁場的畸變影響到行波磁場的完整性，使直線電動機損耗增加，推力減小，而且存在較大的推力波動，這就是直線電動機特有的“端部效應（Edge Effect）”。直線電動機的結構特點決定了端部效應是不可避免的。其次直線電動機的控制難度大，因為在電動機的運行過程中負載（如工件重量、切削力等）的變化、系統參數攝動和各種干擾（如摩擦力等），包括端部效應都直接作用到電動機上，沒有任何緩沖或削弱環節，如果控制系統的魯棒性不強，會造成系統的失穩和性能的下降。其他缺點包括安裝困難、需要隔磁、效率低、成本高等。
制造業中滿足高速加工中心進給系統要求的主要是交流直線電動機。交流直線電動機可分為感應式和同步式兩大類。雖然同步式直線電動機比感應式直線電動機成本較高、裝配困難、需要屏蔽磁場，但效率較高、結構簡單、次級不用冷卻、控制方便、更容易達到所要求的高性能，并且隨著釹鐵硼（NdFeB）永磁材料的出現和發展，永磁同步直線電動機將逐漸發展成主流。因此在高速加工中心中永磁交流同步直線電動機所占的比例將越來越高。
4 直線電動機的發展及應用
國外直線電動機發展
發展歷史
直線電動機發展的起點并不比旋轉電動機晚很多，在世界上出現旋轉電動機后不久，就出現了直線電動機的雛形，但直線電動機的發展過程是曲折的。
1845年英國人Charles Wheastone發明了世界上第一臺直線電動機，但這種直線電動機由于氣隙過大而導致效率很低，未獲成功。到20世紀中葉，控制、電子、材料等技術的發展，為直線電動機的開發提供了理論和技術上的支持，直線電動機開始進入新的發展階段。英國的E.R.Laithwaite教授是現代直線電動機發展的先驅者，他強調直線電動機的基礎研究，以他為首的研究小組取得了不少重要的成果。代表人物還有日本的山田一教授，他撰寫了多本有關直線電動機的著作。20世紀70年代以后，直線電動機應用的領域更加廣泛，如自動繪圖儀、液態金屬泵（MHD）、電磁錘、輕工機械、家電、空氣壓縮機和半導體制造裝置等。90年代以后，隨著高速加工概念的提出，直 線電動機開始作為進給系統出現在加工中心中。由于直接驅動進給系統具有傳統進給系統無法比擬的優點和潛力，再次受到各國的重視。據有關報導，美國1997年直線電動機及驅動裝置的銷售額為4553萬美元，預計2002年將達到10772萬美元。
直線電動機作為一種機電系統，將機械結構簡單化，電氣控制復雜化，符合現代機電技術的發展趨勢。
美國的Anorad公司是世界上最著名的直線電動機生產商，該公司在1988年就推出了無刷直流直線電動機，并獲得美國專利。公司主要生產永磁同步式直線電動機，形成了不同結構、不同功率的一系列產品，廣泛應用于各種領域。
德國的Indramat公司既生產感應式直線電動機，又生產永磁式直線電動機，共50多個型號。永磁式具有高效率（最高1.72N/W）和高推力密度的特點。據報導，其產品速度能達到600m/min，推力達22kN。
為了降低直線電動機的價格，Trilogy公司推出了直線編碼模塊（LEM）。它利用電動機的磁場提供位置的反饋，與行程無關。可工作于惡劣的環境，提供的換向信號與全行程傳感器一樣，分辨率和重復精度為5µm。
其他直線電動機生產商的產品各具特色，詳細請見劉金凌等所著《高頻響直流直線電機》（刊于《微特電機》1993年第4期）。在機床和加工中心的應用直線電動機在高速加工中心和其它大行程數控機床進給系統中的應用還是近幾年的事情。安裝直線電動機的機床必須有先進的數控系統、很高的剛度和固有頻率，移動部件的質量要盡量小，這樣才能充分發揮直線電動機的能力。另外，機床中直接驅動進給系統的設計還要考慮冷卻與散熱問題。為了防止切屑和各種粉末被直線電動機的敞開式磁場吸引，還必須采取隔磁和防磁措施。此外，直線電動機不象絲杠那樣可以自鎖，如果電動機垂直安裝，還要考慮平衡配重和制動等環節。
Ford、Ingersoll和Anorad公司在80年代中期的合作，最初實現了直線電動機在機床上的應用。Ford公司希望機床既高速、高精度，又高柔性。合作的結果是Ingersoll公司推出了“高速模塊”HVM800，其三軸都安裝了Anorad公司的永磁式直線電動機，獲得很好的性能。
德國Ex-Cell-O公司于1993年在德國漢諾威歐洲機床展覽會上展出世界上第一臺直線電動機驅動工作臺的XHC240型高速加工中心，采用的是德國Indramat公司開發的感應式直線電動機，各軸移動速度高達80m/min，加速度可達1g。之后，許多廠商紛紛推出安裝直線電動機的加工中心。據統計，1997年采用直線電動機的機床銷售量為300臺，預計到2005年將增加到3000臺。10年后，將有20%的數控機床安裝直線電動機。
除了切削加工機床外，其他機床如激光切割、等離子切割、電火花加工等設備也開始應用直線電動機。
國內直線電動機的研究情況
雖然國內研究直線電動機的單位不少，但將直線電動機作為機床或加工中心進給系統研究的主要有3所大學：廣東工業大學成立了“超高速加工與機床研究室”，主要研究和開發“超高速電主軸”和“直線電動機高速進給單元”。他們研究的是直線感應電動機，開發了GD-3型直線電動機高速數控進給單元，額定進給力為2kN，最高進給速度100m/min，定位精度0.004mm，行程為800mm。從90年代后期開始，沈陽工業大學對永磁直線同步電動機進行研究，并制造了推力為100N的樣機。他們研究的另一重點是電動機的控制方式及伺服系統，并就此發表了多篇論文。清華大學精密儀器與機械學系制造工程研究所成功地研制了高頻響直流直線電動機，行程可達5mm，截止頻率大于250Hz，推力達幾百牛頓，用于驅動中凸變活塞車床的橫向刀架，在實際加工中獲得了較好的應用效果。現在正在進行研究的是長行程永磁直線伺服單元，電動機的額定推力為1500N，最高速度60m/min，空載最大加速度1g，行程600mm。
應該看到，在國內，直線電動機特別是機床進給系統中的直線伺服電動機的研究還處于起步階段，研究人員和經費明顯不足，進展也比較慢，和國外的差距越來越大，加強研究已是迫在眉睫。為了打破國外的技術壟斷，必須走技術跟蹤和自主開發相結合的道路，加強基礎和關鍵技術的研究。
5 發展趨勢與研究方向
發展趨勢
目前直線電動機直接驅動技術的發展呈現出以下趨勢：
機床進給系統用直線伺服電動機，將以永磁式為主導：
將電動機、編碼器、導軌、電纜等集成，減小電動機尺寸，便于安裝和使用：
將各功能部件（導軌、編碼器、軸承、接線器等）模塊化：
注重相關技術的發展，如位置反饋元件、控制技術等，這是提高直線電動機性能 的基礎。
研究方向
直線電動機的研究目標是提高電動機性能，滿足應用要求。直線電動機的主要性能包括速度、加速度、推力及其波動、定位精度、重復定位精度、機械特性（速度-推力特性）、瞬態性能（速度響應）和熱特性等。
作為一種機電系統，要提高性能無非可從結構和控制兩方面著手。
結構設計
直線電動機包括初、次級磁路結構以及支撐、傳感測量、冷卻、防塵、防護等機械結構。
磁路設計
磁路設計最重要的任務是使電動機的推力和推力波動達到設計要求。
電動機內磁場分布的計算是磁路設計的基礎。由于結構的特殊性，使得直線電動機存在端部效應，引起磁場的畸變，同時使用硅鋼片等軟磁材料來聚合磁路，媒質邊界曲折交錯、磁路復雜、非線性強。如果采用傳統的等效磁路法或圖解法進行計算，將會產生較大的誤差，甚至是不可能的。因此目前普遍采用數值解法—主要是用有限元法（FEM）來計算直線電動機的磁場分布，從而進一步計算推力及其波動以及垂直力等性能。目前市場上已經有很多優秀的電磁場FEM軟件可供選用，所以用FEM計算直線電動機電磁場的關鍵點在于建立精確的有限元模型。
減少推力波動是磁路設計的一個重點也是難點。推力波動產生的原因有：初級電流和反電動勢存在高次諧波、氣隙磁密波形非正弦、齒槽效應、端部效應等。通過優化永磁鐵的形狀和排列方式、降低永磁勵磁磁密、初級采用無鐵心和多極結構、增加槽的數目、加大氣隙等措施可以減小推力波動，但某些措施會造成其它性能的減弱，所以設計時應綜合考慮設計要求，達到最佳效果。
機械結構設計 機械結構涉及的問題很多，在這里我們只強調一下對冷卻系統的研究，因為這個問題很容易被忽略。其實熱特性是直線電動機的一個重要特性，同一型號的電動機有冷卻時的推力峰值是無冷卻時的兩倍，所以電動機冷卻系統的好壞對電動機的性能有很大的影響，從冷卻系統著手進行優化設計是提高電動機性能的一條捷徑。電動機熱特性的分析一般也采用有限元法，在計算結果的基礎上對冷卻進行優化設計。
控制技術的研究
控制技術是直線電動機設計的另一個重點和難點。
直線伺服系統運行時直接驅動負載，這樣負載的變化就直接反作用于電動機：外界擾動，如工件或刀具質量、切削力的變化等，也未經衰減就直接作用于電動機：電動機參數的變化也直接影響著電動機的正常運行：直線導軌存在摩擦力：直線電動機還存在齒槽效應和端部效應。這些因素都給直線電動機的控制帶來困難。控制算法中必須要對這些擾動予以抑制或補償，否則容易造成控制系統的失穩。
總體來說，控制器的設計要達到以下要求：穩態跟蹤精度高、動態響應快、抗干擾能力強、魯棒性好。不同的直線電動機或不同的應用場合對控制算法會提出不同的要求，所以要根據具體情況采用合適的控制方法。目前直線伺服電動機采用的控制策略主要有傳統的PID控制、解耦控制，現代控制方法如非線性控制、自適應控制、滑模變結構控制、H∞控制、智能控制如模糊控制、人工智能（如人工神經元網絡系統）控制等。
可以看出，直線電動機的控制算法運算量大，而且在高速加工進給系統的實際應用中實時性很強，因此對整個數控系統提出了很高的要求。要滿足這種要求，在優化控制算法的同時，還應采用高性能的硬件。在高速加工中心進給系統中通常采用全數字驅動技術，以PC作為基本平臺，DSP實現插補和伺服控制。
雖然直線電動機的控制比旋轉電動機難度大得多，但他們的電磁特性和運行原理基本相似，而旋轉電動機的伺服控制技術已發展得比較成熟。所以在實驗研究階段，為了盡快建立實驗系統，以驗證設計的可行性，我們也可以將旋轉電動機的伺服控制器改造成直線電動機的伺服控制器，這樣可以降低研制的成本和周期，對開發專用的直線電動機伺服控制器也有指導意義。
試驗研究理論研究是設計的基礎，但要確定電動機的性能，歸根到底還要靠具體的試驗。旋轉電動機的性能試驗技術已經很成熟，并且已經標準化，但直線電動機的性能試驗還沒有統一的方法。因此研究高效精確的直線電動機性能試驗方法也是一個很重要的課題，對理論研究也有促進作用。試驗研究的關鍵點在于各項參數如速度、加速度、靜態力、動態力、位移、溫度等的準確測量，如果需要還要設計專門的試驗臺。根據理論計算的結果進行設計方案優化，在此基礎上制造出樣機，然后通過對樣機進行性能試驗，驗證設計的正確性。一臺性能優良的直線電動機往往要經過多次反復計算、試驗才能制造出來。
