直線電機在機床行業(yè)的應(yīng)用
在近期舉辦的中國運動控制/直驅(qū)技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇上，長沙一派直驅(qū)科技股份有限公司直驅(qū)電機事業(yè)部技術(shù)總監(jiān)蘭志勇教授發(fā)表了《直線電機在機床行業(yè)的應(yīng)用》的主題演講，詳細(xì)介紹了直線電機的技術(shù)特點，以及目前直線電機在數(shù)控機床行業(yè)的應(yīng)用狀況。
直線電機簡介
直線電機的基本結(jié)構(gòu)，可視為將傳統(tǒng)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(cè)稱為初級，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級。
圖1 直線電機基本結(jié)構(gòu)
與旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成為運動動能。但在氣隙中產(chǎn)生的磁場不是旋轉(zhuǎn)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
直線電機的應(yīng)用優(yōu)越性包括：
l 無限行程；
l 優(yōu)越的高速及低速性能，高速度達(dá)到10～30m/s，超低速0.001mm/s；
l 超常加速能力，加速度可達(dá)50g；
l 運動平穩(wěn)、無反向間隙；
l 高定位精度和重復(fù)精度。
直線電機的設(shè)計與工藝
要把電機做起來首先就得做電磁計算、機械設(shè)計，然后做工藝，最后再形成樣機進(jìn)行測試這樣一個流程。實際上，真正的核心就是磁場的設(shè)計和計算這一塊，國內(nèi)企業(yè)在這一方面應(yīng)該要加強。
圖3 一款機床用直線電機主體結(jié)構(gòu)
由于長沙一派直驅(qū)有數(shù)控機床的技術(shù)開發(fā)基礎(chǔ)，十余年前就對數(shù)控機床里所用到的直線電機進(jìn)行探索，近幾年改變觀念，對直線電機的工藝進(jìn)行優(yōu)化提升，不僅電機要保證客戶需求，還要通過進(jìn)行電機優(yōu)化解決客戶端所出現(xiàn)的問題。
對于直線電機在高精密伺服行業(yè)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(yōu)化工作來達(dá)到整體性能的提升。
內(nèi)部繞組的工藝設(shè)計中，繞組本身是整矩的，相與相之間相差120度，這一項已經(jīng)申請了發(fā)明專利。另外，是電機的仿真，一派的產(chǎn)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(xù)推力，這個波型上可以看出，當(dāng)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(dǎo)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(nèi)，在很多情況下，尤其是在數(shù)控領(lǐng)域的抖動是致命的，需要兩方面結(jié)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(nèi)部磁密的分布，很多情況下，電機水管的位置在哪里呢？現(xiàn)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(jīng)過一輪的優(yōu)化之后，銅管還在，這兩年我們也做了很多自動化的設(shè)備，銅管原來是人工去挖，現(xiàn)在是全自動化，銅管一進(jìn)去再出來就已經(jīng)成型了。這個設(shè)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(chǎn)效率及精準(zhǔn)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(guī)的形式實驗到客戶所需要的數(shù)據(jù)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(yīng)用探討
大推力的直線電機在機床行業(yè)包括數(shù)控機床里面到底能不能用？因為長沙一派在這個領(lǐng)域耕耘了20多年，所以在機床行業(yè)有很大的優(yōu)勢，看中了大推力直線電機在行業(yè)的應(yīng)用。2021年，長沙一派在針對機床行業(yè)的直線電機，包括輕載型、重載型，大概研發(fā)了包括30款，明年會在機床領(lǐng)域全面鋪開。
一派直驅(qū)開發(fā)的 ECK2150A采用高頻響高精度直線伺服電機，最大加速度40g，重復(fù)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(shù)可推廣應(yīng)用到凸輪、曲軸、多棱軸等非圓截面的數(shù)控加工，以及高精度數(shù)控機床。
此外，一派直驅(qū)推出的國內(nèi)最大推力平板直線電機，為國內(nèi)首創(chuàng)，解決了國外技術(shù)封鎖的問題，產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，可全面替代進(jìn)口，主要應(yīng)用于超大重載型高精度數(shù)控機床、大功率超快激光切割機等。
目前，一派直驅(qū)開發(fā)的直線電機系利被廣泛用于多種數(shù)控機床領(lǐng)域，例如數(shù)控落地鏜床、鉆攻機床、雙驅(qū)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(shù)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(yīng)用要求。
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