电磁式直线电机的特点和选用原则

1.电磁式直线电机优点

传统的“旋转电机+滚珠丝杠副”直线伺服系统本身具有一系列不利因素，如机械间隙、摩擦、扭曲、螺距的周期性误差等；而直线电机伺服系统则没有任何中间传动环节，实现了“零传动”，因而具有诸多优点，具体如下。

（1）没有机械接触，传动力是在气隙中产生的，除了直线电机导轨以外没有任何其他的摩擦，因而近乎无摩擦磨损，噪声低，寿命长，维护简单。

（2）结构简单、紧凑，刚性好，动态响应快，系统可靠性高。

（3）运行的行程在理论上是不受任何限制的，而且其性能不会因为其行程大小的改变而受到影响。

（4）更高的加速度、更快的运行速度和更宽的变速范围。加速度可达（10～30）g，极端速度性能好，既有良好的低速性能，又有极高的高速性能。

（5）运动平稳。这是因为除了起支撑作用的直线导轨或气浮轴承外，没有其他机械连接或转换装置。

（6）微纳定位和运动控制精度高。由于取消了丝杠等机械传动机构，因此减少了传统系统中间隙与变形滞后所带来的跟踪误差。借助高精度直线位移传感器实现闭环控制，直线电机动态运行控制精度可以提高10～100倍，其定位精度为0.1～0.01 μm。

2.电磁式直线电机缺点

从表面看，电磁式直线电机运动单元可逐步取代“旋转电机+滚珠丝杠副”传统结构的伺服系统而成为驱动直线运动的主流。但事实是，直线电机因固有的结构形式，与旋转电机比，也存在一些无法克服的缺点，主要如下。

（1）直线电机的耗电量大，尤其在进行高荷载、高加速度的运动时，机床瞬间电流给车间的供电系统带来沉重负荷。

（2）直线电机的动态刚性极差，不能起缓冲阻尼作用，在高速运动时容易引起机床其他部分共振。

（3）发热量大，固定在工作台底部的直线电机动子是高发热部件，安装位置不利于自然散热，对机床的恒温控制造成很大挑战。(www.xing528.com)

（4）不能自锁紧。为了保证操作安全，直线电机驱动的运动轴，尤其是垂直运动轴，必须额外配备锁紧机构，这增加了机床的复杂性。

（5）具有开断的初级结构，磁场不对称，从而导致端部效应。这种端部效应使得励磁电流存在畸变，产生推力波动。

3.电磁式直线电机选用原则

直线电机有它独特的应用，是旋转电机所不能替代的。但是并不是任何场合使用直线电机都能取得良好效果。为此必须首先了解直线电机的选用原则，以便能恰到好处地应用它。其选用原则涉及以下几个方面的内容。

（1）选择合适的运动速度。

直线感应电机的运动速度与同步速度有关，而同步速度又正比于极距，因此极距的选择范围决定了运动速度的选择范围。极距太小会降低槽的利用率，降低品质因数，从而降低电动机的效率和功率因数。因此，极距不能太小（下限通常取3 cm）。极距可以没有上限，但当电机的输出功率一定时，初级铁芯的纵向长度是有限的；同时为了减小纵向边缘效应，电动机的极数不能太少，故极距不可能太大。

（2）选择合适的推力。

旋转电机可以适应很大的推力范围，因为它可以配上不同的变速机构得到不同的转速和转矩。直线感应电机则不同，它无法用变速箱来改变速度和推力，因此它的推力无法扩大。要得到比较大的推力，只能加大电机尺寸，这有时是不经济的。一般来说，在工业应用中，直线感应电机适用于轻载推动。

（3）要有合适的往复运行频率。

在工业应用中，直线感应电机是往复运动的。较高的加工率要求直线微纳运动系统具有较高的往复运行频率。这意味着电机要在较短的时间内完成启动、加速、运行、制动、定位，以及换向等。往复运行频率越高，电机的加速度就越大，加速度所对应的推力也就越大，有时加速度所对应的推力甚至大于负载所需推力。推力的提高导致电机的尺寸和质量加大，而其质量加大又引起加速度所对应的推力进一步提高，这有时会产生恶性循环。

（4）要有合适的定位精度。

在许多应用场合，电机运行定位精度越高，采取的措施越多，成本越大，因此，不可一味追求高性能和高精度，而应在满足使用要求的前提下尽可能降低成本，达到既经济又性价比高。