直线电机的发展及其磁阻力优化综述

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第3O卷第9期2013年 9月机 电 工 程Journal of Mechanical& Electrical EngineeringVoI_30 No．9Sep．2013DOI：10．3969／j．isn．1001—4551．2013．09．004直线电机的发展及其磁阻力优化综述章达众 2，廖有用 ，李国平2(1．中国科学院 宁波材料技术与工程研究所，浙江 宁波 315211；2．宁波大学 机械工程系，浙江 宁波 315211)摘要：针对传统间接驱动系统在自动化设备上的应用缺陷等问题，提出了直接驱动的概念，以直线电机为动力源直接推动运动台运动。在比较直接驱动与传统间接驱动性能的基础上，论述了直线电机在大行程、高速高精度自动化控制领域的应用趋势，并从驱动原理、驱动力和定位精度等方面介绍了国内外直线电机的研究现状。针对影响直线电机驱动性能的磁阻力参数，归纳了相关文献削弱磁端效应和减少齿槽力的原理和研究方法，并从电机本体设计与电机控制技术两个方面对直线电机磁阻力的优化方法进行了总结。研究结果表明：直线电机以其良好的运行性能将逐步取代传统旋转电机的市场地位，同时直线电机在工程应用上的深入推广必须解决制造工艺、电机热效应、电机驱动器设计等问题。

关键词：直线电机 ；发展；磁阻力 ；电机设计；控制中图分类号：TH39；TM359．4 文献标志码：A 文章编号 ：1001—4551(2013)09—1051—04Development of linear motor and its optimization method of detent forceZHANG Da—zhong ，LIAO You—yong ，LI Guo—ping(1．Ningbo Institute of Materials Technology&Engineering，Chinese Academy of Sciences，Ningbo315211，China；2．Department of Mechanical Engineering，Ningbo University，Ningbo 315211，China)Abstract：Aiming at application defects of traditional indirect driving system using in automation equipment，the concept of direct drivingwas proposed，the linear motor was used as a power source to promote the platform．Based on a comparison of direct driving and the tradition-al indirect driving perform ance，the application tendency of linear motor was discussed using in automatic control fields of larger stroke，highspeed and high precision，and then the linear motor of domestic and foreign research status were introduced from the driving principle，thedriving force and the positioning precision．In view of the effecting of detent force of linear motor on its driving performance，the principle andresearch methods using by some related scholars were summarized，which were about the end efect weakened and cogging force reduced，andfinally the optimization methods were summed up for the linear motor S detent force from the motor body design and the motor control technol-ogy．The results indicate that owning to the perfect operating perform ance of linear motor，it will replace the traditional rotary motor in the in—dustry market，at the same time，the linear motor must solve the problem of manufacturing process，the motor therm al efects，and the motordriver design to be promoted in engineering application deeply.

Key words：linears motor；development；detent force；motor design ；controlo引言 嘉随着制造行业越来越苛刻的要求，现代先进制造 器、丝杠等中间传递环节，造成整体系统刚性不够、弹性装备向着高速度、高精度、快响应、大行程的趋势发展。 变形严重，又因为该“间接传动”中丝杠精度很难提高、收稿日期：2013一o4—11作者简介：章达众(1987一)，男，浙江温州人，主要从事永磁同步直线电机的设计及优化方面的研究．E-mail：zhangdzh###nimte．ac．en通信联系人：廖有用，男，研究员，博士生导师．E—mail：liaoyy###nimte．ac．ca· 1052· 机 电 工 程 第 30卷存在反向间隙等缺点，使得传统的进给系统无法达到上述要求。相对而言，直线电机具有结构简单、安装方便、无接触、无磨损等优点 j¨，并在精度、重复定位精度、刚度、工作寿命等其他性能指标上都优于旋转电机。近些年来，直线电机逐步取代旋转电机在工业自动化上的应用，其设备的性能指标均优于传统的自动化设备。

本研究主要介绍直线电机的发展历程与现阶段国内外直线电机的技术水平，并从直线电机的本体设计与控制两方面概述直线电机的磁阻力优化方法。

1 直线电机的发展与研究近况1．1 直线电机的发展历程直线电机与旋转电机出现的年代相差不远。19世纪40年代英国人 Charles Wheatatone 发明了全球第一台直线电机，但由于该样机气隙过大导致电机效率不高而宣告失败。随后直线电机研究热在全球蔓延，在之后的100多年中直线电机的发展经历了探索实验、开发应用到实用商品化 3个阶段，每个阶段都有各自的特点。在探索实验阶段主要是理论推导与实验数据为主；在开发应用阶段直线电机出现了感应直线电机，以感应直线电机为主的设备相继被开发出来，如空气压缩机、磁头定位驱动装置、缝纫机等；第三阶段是实用商品化阶段，伴随着市场上高矫顽力、高磁能积的钕铁硼出现，越来越多的感应直线电机向着永磁直线电机的方向发展，如采油机器设备用永磁直线电机，高速钻孔用永磁直线电机，还有 PCB打孔用永磁直线电机等。

感应直线电机与永磁直线电机性能对比如表 1所示 J。

1．2 国内外直线电机的研究近况表 1 永磁直线电机与感应直线电机性能对比统配套日臻成熟，并且在工业没备、物流自动化、交通运输等领域得以广泛应用。如西门子(Siemens)已推出成套适合数控设备的直线电机、马Ⅸ动器及数控系统，最大移动速度达到 200 m／rain，最大推力为 6 600 N；以研究数控系统为主的发那科(FANUC)也推出用于高端设备用的直线电机，以求提供完整的系统解决方案，其底下的 LiS系列直线电机，存机械结构中没有磨损部件，也无需考虑如滚珠丝杠发牛形变等的冈素，利用高刚性的伺服系统，实现高增益 、高精度的运动控制，以及免维护的机械结构；MITSUBISHI开发研究的精密两轴XY工件台，分辨率达到了 1 Ixm，重复定位精度±1．5 txm；Kolmorgen公司开发了两种类 的永磁直线同步电动机，该种无铁芯结构的直线电机具有较高的动态特性、零齿槽力、零电磁引力，在速度低于 I Ixm／s时仍能平滑运动，而带铁芯的直线电机其额定推力可以达到8 000N，运行巾最大加速度亓丁达 15 g；最近几年，来自中国台湾的HIWIN、新加坡的AKRIBIS等也开始以巾姿态的身份进入市场，HIWIN不仅做直线电机，而且直线电机的配套器件也产品化生产，如线性导轨、光栅、磁栅等。国外直线电机生产商的电机性能比较表如表 2近几年来，欧美等发达国家的直线电机技术和系 所示 。

表2 国外直线电机生产商电机性能对比表目前，国内品牌近通过几年的研发，在产品覆盖面上占有了一席之地，主要有哈尔滨泰富、深圳大族精密机电、北京首科凯奇、惠摩森、郑州微纳等，哈尔滨泰富将 自己的直线电机产品应用到各种自动化设备中，如直线电机驱动的轨道交通 、梁游武直线电机拖动抽油机 、直线电机驱动的食品加T没备等，大族精密机电将自己的直线产品用于开发平俞，不仪仪是 xY■维平台，还有三三维平台。在同内的高校或者是研究机构中，
机 电 工 程 第 3卷用于永磁直线伺服控制系统中，消除滑模控制器抖振对系统的影响，文献[27—28]将H。。鲁棒控制应用于直线电机中，取得了较好的实验效果，文献[29]采用预测控制提高直线电机的跟踪性能。

3 结束语直线电机直接驱动系统具有结构简单、安装方便、高速高精快响应等优点，其主要推广与高速、高精等旋转电机无法满足要求的场合。现代直线电机技术日益成熟，其势必取代传统的“旋转电机 +丝杠”的传动模式。

当然，直线电机也有其自身的缺点，如前述电机存在的磁阻力影响电机的伺服运动之外，还需要在以下方面完善：(1)直线电机的制造与工艺。目前制备直线电机工艺不全面，主要以人工装备为主，不能满足电机大批量生产；(2)电机的热分析。热分析是直线电机今后研究的主要方向，它是电机系的一个重要领域，电机在运行中散热是否及时能较大程度地影响电机的整体性能；(3)直线电机驱动器的研究。目前国内尚无自己牌子的直线电机驱动器，主要被国外的 Coplay与 Elmo公司所垄断，这也是直线电机的应用在国内受限制的主要原 因之一。

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『编辑：张 翔]