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摘要：介紹了圓筒型直線電機的工作原理、結構與特點，討論了圓筒型直線電機在沖壓機、并聯機床以及并聯機構坐標測量機等機床上的應用情況與進展。
關鍵詞：圓筒型直線電機；沖壓機；并聯機床；坐標測量機

1 圓筒型直線電機的工作原理與結構

直線電機是從普通的旋轉電機演變而來，如果將旋轉電機的圓筒形定子、轉子剖開拉直，就形成了平板型結構的直線電機，如果再把這種扁平的初級、次級卷繞在一根與磁場運動方向平行的軸上，即可得到一種結構上與平板型直線電機完全不同的圓筒型直線電機，其演變過程如圖1所示。圓筒型直線電機的工作原理與旋轉電機相似，當在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，將感應電動勢并產生電流，該電流與氣隙中的磁場相互作用就產生電磁推力。如果初級固定，則次級在推力的作用下做直線運動。反之，則初級作直線運動。它把電能直接轉變為直線運動的機械能而無中間變換裝置。圓筒型直線電機也可分為同步式和感應式兩類，圖2所示是圓筒型直線感應電機的典型結構。

圖1 旋轉電機到直線電機的演變過程

圖2 圓簡型直線電機的典型結構

普通旋轉電機和平板型直線電機端部繞組浪費材料，增加成本，增加了電阻損耗和端部漏抗。圓筒型直線感應電機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電機初級繞組利用率高，同時也沒有橫向邊緣效應，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力，也使其制造工藝大大簡化。圓筒型直線感應電機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，鋼既起導磁作用，又起導電作用，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合一層非磁性材料. 銅層（或鋁層），稱為復合次級，在復合次級中，鋼主要用于導磁，而導電主要靠非磁性層，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. 銅環或鋁環，稱為鼠籠次級，這種直線電機性能較好，但結構和工藝較復雜。鋼次級雖然結構簡單，但是渦流損耗很大，所以一般不采用。另外，圓筒型直線電機的散熱條件比較差，因此適合小功率的電機。上述三種類型次級，后兩者單位體積產生的起動推力較大。

2 圓筒型直線電機的優點

（1）結構簡單。圓筒型直線電機不需要經過中間轉換機構而直接產生直線運動，使結構大大簡化，運動慣量減少，動態響應性能和定位精度大大提高；同時也提高了可靠性，節約了成本，使制造和維護更加簡便。它的初次級可以直接成為機構的一部分，這種獨特的結合使得這種優勢進一步體現出來。

（2）適合高速直線運動。因為不存在離心力的約束，普通材料亦可以達到較高的速度。而且如果初、次級間用氣墊或磁墊保存間隙，運動時無機械接觸，因而運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。在圓筒型直線感應電機中，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。橫向效應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）易于調節和控制。通過調節電壓或頻率，或更換次級材料，可以得到不同的速度、電磁推力，適用于低速往復運行場合。

（7）適應性強。直線電機的初級鐵芯可以用環氧樹脂封成整體，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境中使用；而且可以設計成多種結構形式，滿足不同情況的需要。

3 圓筒型直線電機的缺點

（1）效率和功率因數較低。圓筒型直線電機的效率和功率因數比同容量的旋轉電機要低，特別在低速時。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，產生縱向邊緣效應，從而引起波形畸變等問題，其結果也導致損耗增加。

（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，但當電源電壓有波動時，起動推力變化很大，因此需要電源電壓比較穩定。

（3）運行速度范圍受到電機極距的限制。當電源頻率一定時，電機的運行速度在很大程度上取決于電機的極距，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。在要求低速的傳動系統中，就往往需要增加變頻設備。

（4）饋電比較復雜。對于動初級的直線電機，在速度較高或行程較長時，饋電比較復雜。

（5）散熱較困難。圓筒型直線電機的散熱條件要比扁平型直線電機差，這就限制了電機所允許的電參數，從而限制了電機的推力，因而圓筒型直線電機不適合大功率電機。

4 圓筒型直線電機在機床上的應用

早在1917年就出現了第一臺圓筒型直線電機，事實上那是一種具有換接初級線圈的直流磁阻電機。當時人們試圖將它作為導彈發射裝置，但其發展并沒有超出模型階段。直至20世紀50年代中期，控制、材料等技術的飛速發展極大地促進了直線電機的發展，圓筒型直線電機的優越性開始體現出來，其應用范圍越來越廣。1978年A. Mendrela和J. Turowski設計了一種能產生螺旋運動的直線感應電機，并用于車床和鏜床上；也有人將圓筒型直線電機用于加工中心的機械手中。近年來，圓筒型直線電機在機床上的應用增多，而且發展較快。特別是在行程長度小于0.5m的情況，采用圓筒型直線電機能更好地利用材料，可使相應的傳動裝置結構更加簡單緊湊，因而受到了高度的重視。

傳統的機械式沖壓機（沖床）的動力來源于旋轉電動機，它需要一整套復雜的轉換機構將旋轉運動轉變為所需的直線往復運動，為獲得足夠的沖壓力，還需配備一只儲能大飛輪。因而，這種沖壓機部件多，結構復雜，體積笨重，噪聲大，生產周期長，使用不靈活，而且容易發生人身傷害事故。為此，浙江大學研制了一種由直線電機驅動的沖壓機，其總體結構示意圖如圖3所示。它主要分為三大部分，即機身部分、直線電機部分和控制系統部分。所采用的直線電機主要為圓筒型直線感應電機。其基本工作原理為：插上電源，起動電源開關，直線電機的初級通電并產生電磁力，使圓柱型次級帶動模架向下運動，沖壓工件；沖壓結束，次級在反向電磁力與恢復彈簧的拉動下回到初始位置，等待下一次的沖壓。這種新型直線電機沖壓機和傳統的機械式沖壓機相比，具有結構簡單；體積小、重量輕；無周期性的機械噪聲；脈沖式工作，有節能效果；沖壓噸位、頻率、速度可調；易于控制，能實現多種保護功能。

圖3 直線電機沖壓機結構示意圖

近年來，一種在機床結構技術上有突破性進展的并聯機床引起了全球機床制造業的關注。并聯機床實質上是機器人技術與機床結構技術相結合的產物。并聯機床與傳統的數控機床在特性上形成了鮮明的對比。傳統數控機床的各運動自由度是串聯相接的，傳動鏈長，系統剛性差，累積誤差大而精度低。并聯機床采用并聯閉環靜定或非靜定桿系結構，具有很高的剛度；其傳動鏈極短，沒有累積誤差，故精度高；而且其運動部件質量小、慣性小，大大改善了動態響應性能，可以獲得很高的進給速度和加速度。因而，美、日、歐、俄等國對這種新型數控裝備的工程應用前景和市場潛力極為樂觀，紛紛斥巨資競相研究和開發。目前，國內外研制的并聯機床大多是基于Stewart平臺結構，其進給傳動系統是由6根可變長度驅動桿組成，通過改變驅動桿長度來改變帶有刀具的活動平臺的位姿以實現進給運動。在機床運行過程中，6根驅動桿必須統一協調運動，因而要求各驅動桿必須在工作空間內的任何方向都能進行快速的精密伸縮運動。這就給驅動桿在結構設計和工程實現上帶來了很大的困難。目前，驅動桿一般是通過旋轉伺服電機和滾珠絲杠螺母副來驅動；或者通過滑動柱塞的伸縮或滑塊運動來驅動。但驅動桿的這些驅動方式在響應速度和精度等方面很難滿足并聯機床的需要，因而有必要尋找新的驅動方式。對照圓筒型直線電機的特點，可以發現圓筒型直線電機非常適合于并聯機床驅動桿的驅動，并可以與驅動桿進行一體化設計，因而在并聯機床上具有廣泛的應用前景。

圖4所示為我們最近設計的用圓筒型直線電機驅動的并聯機構坐標測量機的一種結構示意圖。其中圓筒型直線電機與驅動桿設計成一個整體，而直線電機的圓筒型初級通過萬向聯軸器與靜止的基座相聯結，直線電機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結。其基本工作原理為：在圓筒型直線電機的初級繞組中通入交流電源，將產生沿電機軸向的行波磁場，并形成電磁推力，使直線電機的次級作伸縮運動，從而使驅動桿的長度發生變化，使測頭移動至測點位置，同時由高精度光柵對驅動桿長度的變化量進行精確檢測，并以此為依據，計算出測點處的空間坐標。并聯機構坐標測量機的小慣性、無切削力的特點可使直線電機的優點得到更加充分的發揮，從而實現快速精密測量。直線電機并聯機構坐標測量機可根據需要設計成多種結構形式，從而大大拓寬坐標測量機的應用領域。

圖4 直線電機并聯機構坐標測量機結構示意圖

隨著新型磁性材料的不斷涌現，以及直線電機在設計、制造、控制等方面的不斷進步，圓筒型直線電機以其所特有的優越性必定會在機床上獲得越來越廣泛的應用。目前這方面的應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，在思想上和技術上做好一切準備，搶占這一領域的制高點。

參考文獻
【1】葉云岳 直線電機原理與應用 北京：機械工業出版社，2000
【2】郭慶鼎，王成元，周美文，孫廷玉 直線交流伺服系統的精密控制技術 北京：機械工業出版社，2000
【3】楊紅 新型沖壓機用直線感應電機的迭代參數化設計及其動態測試研究［博士學位論文］ 杭州：浙江大學圖書館，1999

作者簡介：
張春良：男，1964年生，南華大學機械工程學院教授，浙江大學生產工程研究所博士研究生。
陳子辰：浙江大學生產工程研究所教授、博士研究生導師
梅德慶：浙江大學生產工程研究所講師、博士。