摘要：介紹了圓筒型直線電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，討論了圓筒型直線電機(jī)在沖壓機(jī)、并聯(lián)機(jī)床以及并聯(lián)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)測量機(jī)等機(jī)床上的應(yīng)用情況與進(jìn)展。
關(guān)鍵詞：圓筒型直線電機(jī)；沖壓機(jī)；并聯(lián)機(jī)床；坐標(biāo)測量機(jī)
1 圓筒型直線電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)
直線電機(jī)是從普通的旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來，如果將旋轉(zhuǎn)電機(jī)的圓筒形定子、轉(zhuǎn)子剖開拉直，就形成了平板型結(jié)構(gòu)的直線電機(jī)，如果再把這種扁平的初級、次級卷繞在一根與磁場運(yùn)動方向平行的軸上，即可得到一種結(jié)構(gòu)上與平板型直線電機(jī)完全不同的圓筒型直線電機(jī)，其演變過程如圖1所示。圓筒型直線電機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，當(dāng)在初級繞組通入交流電源時(shí)，便在氣隙中產(chǎn)生行波磁場，次級在行波磁場切割下，將感應(yīng)電動勢并產(chǎn)生電流，該電流與氣隙中的磁場相互作用就產(chǎn)生電磁推力。如果初級固定，則次級在推力的作用下做直線運(yùn)動。反之，則初級作直線運(yùn)動。它把電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動的機(jī)械能而無中間變換裝置。圓筒型直線電機(jī)也可分為同步式和感應(yīng)式兩類，圖2所示是圓筒型直線感應(yīng)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)。
圖1 旋轉(zhuǎn)電機(jī)到直線電機(jī)的演變過程
圖2 圓簡型直線電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)
普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)和平板型直線電機(jī)端部繞組浪費(fèi)材料，增加成本，增加了電阻損耗和端部漏抗。圓筒型直線感應(yīng)電機(jī)的初級繞組只是簡單地由一系列共軸線圈組成，然后由三相電源順序供電，并無端部繞組，因而圓筒型直線感應(yīng)電機(jī)初級繞組利用率高，同時(shí)也沒有橫向邊緣效應(yīng)，也不存在端部漏磁通以及附加阻抗，并且在圓柱形次級上也不存在總徑向力，因此，減少了直線軸承上所承受的應(yīng)力，也使其制造工藝大大簡化。圓筒型直線感應(yīng)電機(jī)的齒部是用圓形硅鋼片迭壓而成；其軛部一般用厚壁鋼管作成，但為提高效率，也可由硅鋼片迭壓而成；次級可以有三種：第一種是一根厚壁鋼管或迭片鐵芯，稱為鋼次級或磁性次級，鋼既起導(dǎo)磁作用，又起導(dǎo)電作用，由于鋼的電阻率較大，故鋼次級的電磁性能較差，第二種為鋼管或迭片鐵芯上復(fù)合一層非磁性材料. 銅層（或鋁層），稱為復(fù)合次級，在復(fù)合次級中，鋼主要用于導(dǎo)磁，而導(dǎo)電主要靠非磁性層，它的電磁性能要比磁性次級好得多，第三種是在鋼管或迭片鐵芯上開槽，槽中放入非磁性材料. 銅環(huán)或鋁環(huán)，稱為鼠籠次級，這種直線電機(jī)性能較好，但結(jié)構(gòu)和工藝較復(fù)雜。鋼次級雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是渦流損耗很大，所以一般不采用。另外，圓筒型直線電機(jī)的散熱條件比較差，因此適合小功率的電機(jī)。上述三種類型次級，后兩者單位體積產(chǎn)生的起動推力較大。
2 圓筒型直線電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)
（1）結(jié)構(gòu)簡單。圓筒型直線電機(jī)不需要經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)而直接產(chǎn)生直線運(yùn)動，使結(jié)構(gòu)大大簡化，運(yùn)動慣量減少，動態(tài)響應(yīng)性能和定位精度大大提高；同時(shí)也提高了可靠性，節(jié)約了成本，使制造和維護(hù)更加簡便。它的初次級可以直接成為機(jī)構(gòu)的一部分，這種獨(dú)特的結(jié)合使得這種優(yōu)勢進(jìn)一步體現(xiàn)出來。
（2）適合高速直線運(yùn)動。因?yàn)椴淮嬖陔x心力的約束，普通材料亦可以達(dá)到較高的速度。而且如果初、次級間用氣墊或磁墊保存間隙，運(yùn)動時(shí)無機(jī)械接觸，因而運(yùn)動部分也就無摩擦和噪聲。這樣，傳動零部件沒有磨損，可大大減小機(jī)械損耗，避免拖纜、鋼索、齒輪與皮帶輪等所造成的噪聲，從而提高整體效率。
（3）初級繞組利用率高。在圓筒型直線感應(yīng)電機(jī)中，初級繞組是餅式的，沒有端部繞組，因而繞組利用率高。
（4）無橫向邊緣效應(yīng)。橫向效應(yīng)是指由于橫向開斷造成的邊界處磁場的削弱，而圓筒型直線電機(jī)橫向無開斷，所以磁場沿周向均勻分布。
（5）容易克服單邊磁拉力問題。徑向拉力互相抵消，基本不存在單邊磁拉力的問題。
（6）易于調(diào)節(jié)和控制。通過調(diào)節(jié)電壓或頻率，或更換次級材料，可以得到不同的速度、電磁推力，適用于低速往復(fù)運(yùn)行場合。
（7）適應(yīng)性強(qiáng)。直線電機(jī)的初級鐵芯可以用環(huán)氧樹脂封成整體，具有較好的防腐、防潮性能，便于在潮濕、粉塵和有害氣體的環(huán)境中使用；而且可以設(shè)計(jì)成多種結(jié)構(gòu)形式，滿足不同情況的需要。
3 圓筒型直線電機(jī)的缺點(diǎn)
（1）效率和功率因數(shù)較低。圓筒型直線電機(jī)的效率和功率因數(shù)比同容量的旋轉(zhuǎn)電機(jī)要低，特別在低速時(shí)。這是由以下原因引起的：它的電磁氣隙與極距的比值通常較大，所需的磁化電流也較大，使損耗增加；初級鐵芯兩端開斷，產(chǎn)生縱向邊緣效應(yīng)，從而引起波形畸變等問題，其結(jié)果也導(dǎo)致?lián)p耗增加。
（2）起動推力易受到電壓波動的影響。在低速高滑差情況下，往往要求有比較恒定的起動推力，但當(dāng)電源電壓有波動時(shí)，起動推力變化很大，因此需要電源電壓比較穩(wěn)定。
（3）運(yùn)行速度范圍受到電機(jī)極距的限制。當(dāng)電源頻率一定時(shí)，電機(jī)的運(yùn)行速度在很大程度上取決于電機(jī)的極距，一般極距不能太大，也不能太小，所以它的速度也被限制在某一合適的范圍內(nèi)。在要求低速的傳動系統(tǒng)中，就往往需要增加變頻設(shè)備。
（4）饋電比較復(fù)雜。對于動初級的直線電機(jī)，在速度較高或行程較長時(shí)，饋電比較復(fù)雜。
（5）散熱較困難。圓筒型直線電機(jī)的散熱條件要比扁平型直線電機(jī)差，這就限制了電機(jī)所允許的電參數(shù)，從而限制了電機(jī)的推力，因而圓筒型直線電機(jī)不適合大功率電機(jī)。
4 圓筒型直線電機(jī)在機(jī)床上的應(yīng)用
早在1917年就出現(xiàn)了第一臺圓筒型直線電機(jī)，事實(shí)上那是一種具有換接初級線圈的直流磁阻電機(jī)。當(dāng)時(shí)人們試圖將它作為導(dǎo)彈發(fā)射裝置，但其發(fā)展并沒有超出模型階段。直至20世紀(jì)50年代中期，控制、材料等技術(shù)的飛速發(fā)展極大地促進(jìn)了直線電機(jī)的發(fā)展，圓筒型直線電機(jī)的優(yōu)越性開始體現(xiàn)出來，其應(yīng)用范圍越來越廣。1978年A. Mendrela和J. Turowski設(shè)計(jì)了一種能產(chǎn)生螺旋運(yùn)動的直線感應(yīng)電機(jī)，并用于車床和鏜床上；也有人將圓筒型直線電機(jī)用于加工中心的機(jī)械手中。近年來，圓筒型直線電機(jī)在機(jī)床上的應(yīng)用增多，而且發(fā)展較快。特別是在行程長度小于0.5m的情況，采用圓筒型直線電機(jī)能更好地利用材料，可使相應(yīng)的傳動裝置結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊，因而受到了高度的重視。
傳統(tǒng)的機(jī)械式?jīng)_壓機(jī)（沖床）的動力來源于旋轉(zhuǎn)電動機(jī)，它需要一整套復(fù)雜的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧闹本€往復(fù)運(yùn)動，為獲得足夠的沖壓力，還需配備一只儲能大飛輪。因而，這種沖壓機(jī)部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積笨重，噪聲大，生產(chǎn)周期長，使用不靈活，而且容易發(fā)生人身傷害事故。為此，浙江大學(xué)研制了一種由直線電機(jī)驅(qū)動的沖壓機(jī)，其總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。它主要分為三大部分，即機(jī)身部分、直線電機(jī)部分和控制系統(tǒng)部分。所采用的直線電機(jī)主要為圓筒型直線感應(yīng)電機(jī)。其基本工作原理為：插上電源，起動電源開關(guān)，直線電機(jī)的初級通電并產(chǎn)生電磁力，使圓柱型次級帶動模架向下運(yùn)動，沖壓工件；沖壓結(jié)束，次級在反向電磁力與恢復(fù)彈簧的拉動下回到初始位置，等待下一次的沖壓。這種新型直線電機(jī)沖壓機(jī)和傳統(tǒng)的機(jī)械式?jīng)_壓機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單；體積小、重量輕；無周期性的機(jī)械噪聲；脈沖式工作，有節(jié)能效果；沖壓噸位、頻率、速度可調(diào)；易于控制，能實(shí)現(xiàn)多種保護(hù)功能。
圖3 直線電機(jī)沖壓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
近年來，一種在機(jī)床結(jié)構(gòu)技術(shù)上有突破性進(jìn)展的并聯(lián)機(jī)床引起了全球機(jī)床制造業(yè)的關(guān)注。并聯(lián)機(jī)床實(shí)質(zhì)上是機(jī)器人技術(shù)與機(jī)床結(jié)構(gòu)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。并聯(lián)機(jī)床與傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床在特性上形成了鮮明的對比。傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的各運(yùn)動自由度是串聯(lián)相接的，傳動鏈長，系統(tǒng)剛性差，累積誤差大而精度低。并聯(lián)機(jī)床采用并聯(lián)閉環(huán)靜定或非靜定桿系結(jié)構(gòu)，具有很高的剛度；其傳動鏈極短，沒有累積誤差，故精度高；而且其運(yùn)動部件質(zhì)量小、慣性小，大大改善了動態(tài)響應(yīng)性能，可以獲得很高的進(jìn)給速度和加速度。因而，美、日、歐、俄等國對這種新型數(shù)控裝備的工程應(yīng)用前景和市場潛力極為樂觀，紛紛斥巨資競相研究和開發(fā)。目前，國內(nèi)外研制的并聯(lián)機(jī)床大多是基于Stewart平臺結(jié)構(gòu)，其進(jìn)給傳動系統(tǒng)是由6根可變長度驅(qū)動桿組成，通過改變驅(qū)動桿長度來改變帶有刀具的活動平臺的位姿以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動。在機(jī)床運(yùn)行過程中，6根驅(qū)動桿必須統(tǒng)一協(xié)調(diào)運(yùn)動，因而要求各驅(qū)動桿必須在工作空間內(nèi)的任何方向都能進(jìn)行快速的精密伸縮運(yùn)動。這就給驅(qū)動桿在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程實(shí)現(xiàn)上帶來了很大的困難。目前，驅(qū)動桿一般是通過旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)和滾珠絲杠螺母副來驅(qū)動；或者通過滑動柱塞的伸縮或滑塊運(yùn)動來驅(qū)動。但驅(qū)動桿的這些驅(qū)動方式在響應(yīng)速度和精度等方面很難滿足并聯(lián)機(jī)床的需要，因而有必要尋找新的驅(qū)動方式。對照圓筒型直線電機(jī)的特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)圓筒型直線電機(jī)非常適合于并聯(lián)機(jī)床驅(qū)動桿的驅(qū)動，并可以與驅(qū)動桿進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，因而在并聯(lián)機(jī)床上具有廣泛的應(yīng)用前景。
圖4所示為我們最近設(shè)計(jì)的用圓筒型直線電機(jī)驅(qū)動的并聯(lián)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)測量機(jī)的一種結(jié)構(gòu)示意圖。其中圓筒型直線電機(jī)與驅(qū)動桿設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，而直線電機(jī)的圓筒型初級通過萬向聯(lián)軸器與靜止的基座相聯(lián)結(jié)，直線電機(jī)的圓柱型次級通過球形鉸鏈與安裝激光測頭的動平臺相聯(lián)結(jié)。其基本工作原理為：在圓筒型直線電機(jī)的初級繞組中通入交流電源，將產(chǎn)生沿電機(jī)軸向的行波磁場，并形成電磁推力，使直線電機(jī)的次級作伸縮運(yùn)動，從而使驅(qū)動桿的長度發(fā)生變化，使測頭移動至測點(diǎn)位置，同時(shí)由高精度光柵對驅(qū)動桿長度的變化量進(jìn)行精確檢測，并以此為依據(jù)，計(jì)算出測點(diǎn)處的空間坐標(biāo)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)測量機(jī)的小慣性、無切削力的特點(diǎn)可使直線電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)得到更加充分的發(fā)揮，從而實(shí)現(xiàn)快速精密測量。直線電機(jī)并聯(lián)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)測量機(jī)可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成多種結(jié)構(gòu)形式，從而大大拓寬坐標(biāo)測量機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。
圖4 直線電機(jī)并聯(lián)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
隨著新型磁性材料的不斷涌現(xiàn)，以及直線電機(jī)在設(shè)計(jì)、制造、控制等方面的不斷進(jìn)步，圓筒型直線電機(jī)以其所特有的優(yōu)越性必定會在機(jī)床上獲得越來越廣泛的應(yīng)用。目前這方面的應(yīng)用還只是處于初級階段，還有許多問題需要解決，但我們必須給予高度重視，在思想上和技術(shù)上做好一切準(zhǔn)備，搶占這一領(lǐng)域的制高點(diǎn)。
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作者簡介：
張春良：男，1964年生，南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，浙江大學(xué)生產(chǎn)工程研究所博士研究生。
陳子辰：浙江大學(xué)生產(chǎn)工程研究所教授、博士研究生導(dǎo)師
梅德慶：浙江大學(xué)生產(chǎn)工程研究所講師、博士。
