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在近期舉辦的中國運動控制/直驅技術產業發展高峰論壇上，長沙一派直驅科技股份有限公司直驅電機事業部技術總監蘭志勇教授發表了《直線電機在機床行業的應用》的主題演講，詳細介紹了直線電機的技術特點，以及目前直線電機在數控機床行業的應用狀況。

直線電機簡介

直線電機的基本結構，可視為將傳統伺服電機沿徑向剖開，并將電機的圓周展開成直線，由定子演變而來的一側稱為初級，由轉子演變而來的一側稱為次級。

圖1 直線電機基本結構

與旋轉電機的工作原理類似，直線電機也是利用電磁作用將電能轉換成為運動動能。但在氣隙中產生的磁場不是旋轉的，而是呈直線正弦分布的、平移的，被稱為行波磁場。

圖2 電機行波磁場

 直線電機的基槽配合有很多種，從單元電機的角度來說，最簡單有三槽兩極、六槽五極、六槽七極、六槽八極甚至九槽八極等等類型，那么在什么應用領域，我們采用什么樣的基槽配合是比較合理的，直線電機在機床上應用的時候有一個問題：即推力波動及在靜態的情況下，上矢能后，如何讓電機的抖動最小，這對于磁場的優化是非常關鍵的一個技術。

 直線電機的應用優越性包括：

l  無限行程；

l  優越的高速及低速性能，高速度達到10～30m/s，超低速0.001mm/s；

l  超常加速能力，加速度可達50g；

l  運動平穩、無反向間隙；

l  高定位精度和重復精度。

直線電機的設計與工藝

要把電機做起來首先就得做電磁計算、機械設計，然后做工藝，最后再形成樣機進行測試這樣一個流程。實際上，真正的核心就是磁場的設計和計算這一塊，國內企業在這一方面應該要加強。

圖3 一款機床用直線電機主體結構

由于長沙一派直驅有數控機床的技術開發基礎，十余年前就對數控機床里所用到的直線電機進行探索，近幾年改變觀念，對直線電機的工藝進行優化提升，不僅電機要保證客戶需求，還要通過進行電機優化解決客戶端所出現的問題。

對于直線電機在高精密伺服行業遇到最大的問題就是推力波動和速度波動，我們不能把問題全部都交給控制，實際上電機本身也可以做很多優化工作來達到整體性能的提升。

內部繞組的工藝設計中，繞組本身是整矩的，相與相之間相差120度，這一項已經申請了發明專利。另外，是電機的仿真，一派的產品在出廠之前，會把包括電磁、機械、工藝、散熱全部要重新做仿真，這是它的持續推力，這個波型上可以看出，當在額定電流的情況下，電流加的頂子，電機的處理是抖動的，這就叫推力波動。有了這個推力波動就會導致電機的速度波動，可以用滑動控制ACMC，把它限定在一定的范圍之內，在很多情況下，尤其是在數控領域的抖動是致命的，需要兩方面結合才能把推力波動降到最小。

圖4 一款機床用直線電機線圈繞組繞線方式

這是整體電機內部磁密的分布，很多情況下，電機水管的位置在哪里呢？現在直線電機里面，大多把水管放在槽底部，這是最簡單的一種做法，放到槽底部。槽底部這個地方往往是最熱的地方，所以我們也做了大量的工作，怎么樣把電機最熱的位置找到，并在這個地方去放銅管散熱。經過一輪的優化之后，銅管還在，這兩年我們也做了很多自動化的設備，銅管原來是人工去挖，現在是全自動化，銅管一進去再出來就已經成型了。這個設備摸索了將近差不多一年的時間，包括貼磁片，自動貼磁片的磁缸機等，目前測試已完成，如果投入使用，對于生產效率及精準度的提升將起到巨大的作用。

第三個工作就是我們針對不同類型的直線電機建立了通用的測試平臺。從它常規的形式實驗到客戶所需要的數據均可提供，整個的實驗體系非常完善。

直線電機在機床上的應用探討

大推力的直線電機在機床行業包括數控機床里面到底能不能用？因為長沙一派在這個領域耕耘了20多年，所以在機床行業有很大的優勢，看中了大推力直線電機在行業的應用。2021年，長沙一派在針對機床行業的直線電機，包括輕載型、重載型，大概研發了包括30款，明年會在機床領域全面鋪開。

一派直驅開發的 ECK2150A采用高頻響高精度直線伺服電機，最大加速度40g，重復定位精度 0.001mm，用于加工中凸變橢圓活塞時，尺寸精度5μm，輪廓精度5μm，CmK＞1.67。該技術可推廣應用到凸輪、曲軸、多棱軸等非圓截面的數控加工，以及高精度數控機床。     

此外，一派直驅推出的國內最大推力平板直線電機，為國內首創，解決了國外技術封鎖的問題，產品的主要技術指標達到了國際先進水平，可全面替代進口，主要應用于超大重載型高精度數控機床、大功率超快激光切割機等。

目前，一派直驅開發的直線電機系利被廣泛用于多種數控機床領域，例如數控落地鏜床、鉆攻機床、雙驅龍門平臺等等，并可按照客戶需求提供適合的直線電機技術解決方案，來替代原有的伺服+滾軸絲桿的方案，完全能夠滿足實際應用要求。

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