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直线电机工作原理及其驱动技术的应用

摘要：简述了直线电机工作原理及其驱动技术，并且举例说明了直线电机直接驱动与传统数

控机床旋转伺服电机“+滚珠丝杠”的传动方式对比具有的巨大优势。介绍了直线电机进给驱

动技术在数控机床上的几个应用实例，指出直线电机进给驱动技术将是高速数控机床未来发

展的方向。

引言

随着航空航天、汽车制造、模具加工、电子制造行业等领域对高效率地进行加工的要求

越来越高，需要大量高速数控机床。机床进给系统是高速机床的主要功能部件。而直线电机

进给系统彻底改变了传统的滚珠丝杠传动方式存在的弹性变形大、响应速度慢、存在反向间

隙、易磨损等先天性的缺点，并具有速度高、加速度大、定位精度高、行程长度不受限制等

优点，令其在数控机床高速进给系统领域逐渐发展为主导方向。

1直线电机及其驱动技术

现代先进的驱动技术主要分为两大类：一类为电磁式的，另一类则为非电磁式的。

电磁类的现代先进的驱动技术主要由现代电磁类驱动器与现代控制系统组成，它的驱动

器包括传统改进型的电磁驱动器与新发展型的电磁驱动器。它们中有旋转的、直线的、磁浮

的、电磁发射的等等。除了在一般通用电机技术基础上改进获得的电机技术外，还有更多的

是在通用电机技术基础上进一步发展的新型电机技术，如直线电机技术、无刷直流电机技术、

开关磁阻电机技术和各种新型永磁电机技术等。

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需通过中问任何转换装置的新

颖电机，它具有系统结构简单、磨损少、噪声低、组合性强、维护方便等优点。旋转电机所

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具有的品种，直线电机几乎都有相对应的品种，其应用范围正在不断扩大，并在一些它所能

独特发挥作用的地方取得了令人满意的效果。

直线电机结构示意图如下图所示。直线电机是将传统圆筒型电机的初级展开拉直，变初

级的封闭磁场为开放磁场，而旋转电机的定子部分变为直线电机的初级，旋转电机的转子部

分变为直线电机的次级。在电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，在初级和次级间产

生气隙磁场，气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，沿展开的直线方向呈正弦分布。当三相

电流随时问变化时，使气隙磁场按定向相序沿直线移动，这个气隙磁场称为行波磁场。当次

级的感应电流和气隙磁场相互作用便产生了电磁推力，如果初级是固定不动的，次级就能沿

着行波磁场运动的方向做直线运动。即可实现高速机床的直线电机直接驱动的进给方式，把

直线电机的初级和次级分别直接安装在高速机床的工作台与床身上。由于这种进给传动方式

的传动链缩短为0，被称为机床进给系统的零“传动”。

与旋转“伺服电机+滚珠丝杠”传动方式相比较，直线电机直接驱动有以下优点：（1）

高速度，目前最大进给速度可达100～200m／min。（2）高加速度，可高达2g～10g。（3）

定位精度高，由于只能采用闭环控制，其理论定位精度可以为0，但由于存在检测元件安装、

测量误差，实际定位精度不可能为0。最高定位精度可达0．1～0．01m。（4）行程不受

限制，由于直线电机的次级（定子）可以一段一段地铺在机床床身上，不论有多远，对系统

的刚度不会产生影响。例如，美国CincinnatiMilacron公司为航空工业生产了一台HyperM

ach大型高速加工中心，主轴转速为60000r／min，主电机功率为80kW。直线进给采用了

直线电机，其轴行程长达46m，工作台快速行程为100m／min，加速度达2g。在这种机床

上加工一个大型薄壁飞机零件只需30min；而同样的零件在一般高速铣床上加工，费时3h；

在普通数控铣床上加工，则需8h，优势相当明显[1]。

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2直线电机在数控机床的应用

现代数控机床经过半个世纪的发展，其加工速度和加工精度得到极大提高。其加工精度

从最初的0．01mm到现在的1μm，提高了10000倍，加工速度则从每分钟几十毫米提高

到每分钟几十米，提高了1000倍。机床技术水平的高速发展是机床自动化技术发展的结果，

也是以CNC为代表的先进制造技术对传统机械制造业的渗透，从而形成的机电一体化产品

的结果[2]。

数控机床采用直线电机驱动技术，克服了传统驱动方式的许多缺陷，获得了极高的性能

指标和优点。国外在高速加工中心上已广泛应用直线电机驱动，同时也应用到机床装