摘要：介紹了圓筒型直線電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，討論了圓筒型直線電機(jī)在沖壓機(jī)、并聯(lián)機(jī)床以及并聯(lián)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等機(jī)床上的應(yīng)用情況與進(jìn)展。
關(guān)鍵詞：圓筒型直線電機(jī)；沖壓機(jī)；并聯(lián)機(jī)床；坐標(biāo)測(cè)量機(jī)
1 圓筒型直線電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)
直線電機(jī)是從普通的旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來(lái)，如果將旋轉(zhuǎn)電機(jī)的圓筒形定子、轉(zhuǎn)子剖開(kāi)拉直，就形成了平板型結(jié)構(gòu)的直線電機(jī)，如果再把這種扁平的初級(jí)、次級(jí)卷繞在一根與磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方向平行的軸上，即可得到一種結(jié)構(gòu)上與平板型直線電機(jī)完全不同的圓筒型直線電機(jī)，其演變過(guò)程如圖1所示。圓筒型直線電機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，當(dāng)在初級(jí)繞組通入交流電源時(shí)，便在氣隙中產(chǎn)生行波磁場(chǎng)，次級(jí)在行波磁場(chǎng)切割下，將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生電流，該電流與氣隙中的磁場(chǎng)相互作用就產(chǎn)生電磁推力。如果初級(jí)固定，則次級(jí)在推力的作用下做直線運(yùn)動(dòng)。反之，則初級(jí)作直線運(yùn)動(dòng)。它把電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹本�運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能而無(wú)中間變換裝置。圓筒型直線電機(jī)也可分為同步式和感應(yīng)式兩類(lèi)，普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)和平板型直線電機(jī)端部繞組浪費(fèi)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(yīng)電機(jī)的初級(jí)繞組只是簡(jiǎn)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(wú)端部繞組，因而圓筒型直線感應(yīng)電機(jī)初級(jí)繞組利用率高，同時(shí)也沒(méi)有橫向邊緣效應(yīng)，也不存在端部漏磁通以及附加阻抗，并且在圓柱形次級(jí)上也不存在總徑向力，因此，減少了直線軸承上所承受的應(yīng)力，也使其制造工藝大大簡(jiǎn)化。圓筒型直線感應(yīng)電機(jī)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(jí)可以有三種：第一種是一根厚壁鋼管或迭片鐵芯，稱(chēng)為鋼次級(jí)或磁性次級(jí)，鋼既起導(dǎo)磁作用，又起導(dǎo)電作用，由于鋼的電阻率較大，故鋼次級(jí)的電磁性能較差，第二種為鋼管或迭片鐵芯上復(fù)合一層非磁性材料. 銅層（或鋁層），稱(chēng)為復(fù)合次級(jí)，在復(fù)合次級(jí)中，鋼主要用于導(dǎo)磁，而導(dǎo)電主要靠非磁性層，它的電磁性能要比磁性次級(jí)好得多，第三種是在鋼管或迭片鐵芯上開(kāi)槽，槽中放入非磁性材料. 銅環(huán)或鋁環(huán)，稱(chēng)為鼠籠次級(jí)，這種直線電機(jī)性能較好，但結(jié)構(gòu)和工藝較復(fù)雜。鋼次級(jí)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)的散熱條件比較差，因此適合小功率的電機(jī)。上述三種類(lèi)型次級(jí)，后兩者單位體積產(chǎn)生的起動(dòng)推力較大。
2 圓筒型直線電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)
（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。圓筒型直線電機(jī)不需要經(jīng)過(guò)中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)而直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，運(yùn)動(dòng)慣量減少，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和定位精度大大提高；同時(shí)也提高了可靠性，節(jié)約了成本，使制造和維護(hù)更加簡(jiǎn)便。它的初次級(jí)可以直接成為機(jī)構(gòu)的一部分，這種獨(dú)特的結(jié)合使得這種優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步體現(xiàn)出來(lái)。
（2）適合高速直線運(yùn)動(dòng)。因?yàn)椴淮嬖陔x心力的約束，普通材料亦可以達(dá)到較高的速度。而且如果初、次級(jí)間用氣墊或磁墊保存間隙，運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)機(jī)械接觸，因而運(yùn)動(dòng)部分也就無(wú)摩擦和噪聲。這樣，傳動(dòng)零部件沒(méi)有磨損，可大大減小機(jī)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(jí)繞組利用率高。在圓筒型直線感應(yīng)電機(jī)中，初級(jí)繞組是餅式的，沒(méi)有端部繞組，因而繞組利用率高。
（4）無(wú)橫向邊緣效應(yīng)。橫向效應(yīng)是指由于橫向開(kāi)斷造成的邊界處磁場(chǎng)的削弱，而圓筒型直線電機(jī)橫向無(wú)開(kāi)斷，所以磁場(chǎng)沿周向均勻分布。
（5）容易克服單邊磁拉力問(wèn)題。徑向拉力互相抵消，基本不存在單邊磁拉力的問(wèn)題。
（6）易于調(diào)節(jié)和控制。通過(guò)調(diào)節(jié)電壓或頻率，或更換次級(jí)材料，可以得到不同的速度、電磁推力，適用于低速往復(fù)運(yùn)行場(chǎng)合。
（7）適應(yīng)性強(qiáng)。直線電機(jī)的初級(jí)鐵芯可以用環(huán)氧樹(shù)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(huán)境中使用；而且可以設(shè)計(jì)成多種結(jié)構(gòu)形式，滿(mǎn)足不同情況的需要。
3 圓筒型直線電機(jī)的缺點(diǎn)
（1）效率和功率因數(shù)較低。圓筒型直線電機(jī)的效率和功率因數(shù)比同容量的旋轉(zhuǎn)電機(jī)要低，特別在低速時(shí)。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(jí)鐵芯兩端開(kāi)斷，產(chǎn)生縱向邊緣效應(yīng)，從而引起波形畸變等問(wèn)題，其結(jié)果也導(dǎo)致?lián)p耗增加。
（2）起動(dòng)推力易受到電壓波動(dòng)的影響。在低速高滑差情況下，往往要求有比較恒定的起動(dòng)推力，但當(dāng)電源電壓有波動(dòng)時(shí)，起動(dòng)推力變化很大，因此需要電源電壓比較穩(wěn)定。
（3）運(yùn)行速度范圍受到電機(jī)極距的限制。當(dāng)電源頻率一定時(shí)，電機(jī)的運(yùn)行速度在很大程度上取決于電機(jī)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(nèi)。在要求低速的傳動(dòng)系統(tǒng)中，就往往需要增加變頻設(shè)備。
（4）饋電比較復(fù)雜。對(duì)于動(dòng)初級(jí)的直線電機(jī)，在速度較高或行程較長(zhǎng)時(shí)，饋電比較復(fù)雜。
（5）散熱較困難。圓筒型直線電機(jī)的散熱條件要比扁平型直線電機(jī)差，這就限制了電機(jī)所允許的電參數(shù)，從而限制了電機(jī)的推力，因而圓筒型直線電機(jī)不適合大功率電機(jī)。
4 圓筒型直線電機(jī)在機(jī)床上的應(yīng)用
早在1917年就出現(xiàn)了第一臺(tái)圓筒型直線電機(jī)，事實(shí)上那是一種具有換接初級(jí)線圈的直流磁阻電機(jī)。當(dāng)時(shí)人們?cè)噲D將它作為導(dǎo)彈發(fā)射裝置，但其發(fā)展并沒(méi)有超出模型階段。直至20世紀(jì)50年代中期，控制、材料等技術(shù)的飛速發(fā)展極大地促進(jìn)了直線電機(jī)的發(fā)展，圓筒型直線電機(jī)的優(yōu)越性開(kāi)始體現(xiàn)出來(lái)，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。1978年A. Mendrela和J. Turowski設(shè)計(jì)了一種能產(chǎn)生螺旋運(yùn)動(dòng)的直線感應(yīng)電機(jī)，并用于車(chē)床和鏜床上；也有人將圓筒型直線電機(jī)用于加工中心的機(jī)械手中。近年來(lái)，圓筒型直線電機(jī)在機(jī)床上的應(yīng)用增多，而且發(fā)展較快。特別是在行程長(zhǎng)度小于0.5m的情況，采用圓筒型直線電機(jī)能更好地利用材料，可使相應(yīng)的傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單緊湊，因而受到了高度的重視。
傳統(tǒng)的機(jī)械式?jīng)_壓機(jī)（沖床）的動(dòng)力來(lái)源于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，它需要一整套復(fù)雜的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧闹本�往復(fù)運(yùn)動(dòng)，為獲得足夠的沖壓力，還需配備一只儲(chǔ)能大飛輪。因而，這種沖壓機(jī)部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積笨重，噪聲大，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，使用不靈活，而且容易發(fā)生人身傷害事故。為此，浙江大學(xué)研制了一種由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的沖壓機(jī)，其總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。它主要分為三大部分，即機(jī)身部分、直線電機(jī)部分和控制系統(tǒng)部分。所采用的直線電機(jī)主要為圓筒型直線感應(yīng)電機(jī)。其基本工作原理為：插上電源，起動(dòng)電源開(kāi)關(guān)，直線電機(jī)的初級(jí)通電并產(chǎn)生電磁力，使圓柱型次級(jí)帶動(dòng)模架向下運(yùn)動(dòng)，沖壓工件；沖壓結(jié)束，次級(jí)在反向電磁力與恢復(fù)彈簧的拉動(dòng)下回到初始位置，等待下一次的沖壓。這種新型直線電機(jī)沖壓機(jī)和傳統(tǒng)的機(jī)械式?jīng)_壓機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；體積小、重量輕；無(wú)周期性的機(jī)械噪聲；脈沖式工作，有節(jié)能效果；沖壓噸位、頻率、速度可調(diào)；易于控制，能實(shí)現(xiàn)多種保護(hù)功能。 |
