1.最大电压( max. voltage ph-ph) ———最大供电线电压，主要与电机绝缘能力有关；

2.最大推力(Peak Force) ———电机的峰值推力，短时，秒级，取决于电机电磁结构的安全极限能力；

3.最大电流(Peak Current) ———最大工作电流，与最大推力想对应，低于电机的退磁电流；

4.最大连续消耗功率(Max. Continuous Power Loss) ———确定温升条件和散热条件下，电机可连续运行的上限发热损耗，反映电机的热设计水准；

5.最大速度(Maximum speed) ———在确定供电线电压下的最高运行速度，取决于电机的反电势线数，反映电机电磁设计的结果；

6.马达力常数(Motor Force Constant) ———电机的推力电流比，单位N/A或KN/A， 反映电机电磁设计的结果，在某种意义上也可以反映电磁设计水平；

7.反向电动势(Back EMF) ———电机反电势（系数），单位Vs/m， 反映电机电磁设计的结果，影响电机在确定供电电压下的最高运行速度；

8.马达常数(Motor Constant) ———电机推力与功耗的平方根的比值，单位N/√W，是电机电磁设计和热设计水平的综合体现；

9.磁极 节距NN(Magnet Pitch) ————电机次级永磁体的磁极间隔距离，基本不反映电机设计水平，驱动器需据此由反馈系统分辨率解算矢量控制所需的电机电角度；

10.绕组电阻/每相(Resistance per phase)———电机的相电阻，一般情况下给出的往往是线电阻，即Ph－Ph，与电机发热关系较大，在一定意义下可以反映电磁设计水平；

11.绕组电感/每相(Induction per phase) ———电机的相电感，一般情况下给出的往往是线电感，即Ph－Ph，与电机反电势有一定关系，在一定意义下可以反映电磁设计水平；

12.电气时间常数(Electrical time constant) ———电机电感与电阻的比值，L/R；

13.热阻抗(Thermal Resistance) ———与电机的散热能力有关，反映电机的散热设计水平；

14.马达引力(Motor Attraction Force) ———平板式有铁心结构直线电机，尤其是永磁式电机，次极永磁体对初级铁心的法向吸引力，一般高于电机额定推力一个数量级，直接决定采用直线电机的直线运动轴的支撑导轨的承载能力和选型。

直线电机的选型首选推力或者速度，然后看连续消耗功率、热阻和散热方式和条件等，再次看供电电压和电流，如果对快速性有要求还要看电气时间常数。个人意见，最最反映直线电机性能水平的是推力平稳性、电机常数和热阻，不过推力平稳性指标多数厂家未必会直接给出。

优 点

直线电动机的特点在于直接产生直线运动，与间接产生直线运动的“旋转电动机，滚动丝杠”相比，其优点是(具体性能见下表)：(1)没有机械接触，传动力是在气隙中产生的，除了直线导轨外没有其它摩擦：(2)结构简单，体积小，以最少的零部件数量实现直线驱动，而且是只有一个运动的部件：(3)行程在理论上不受限制，而且性能不会因为行程的改变而受到影响：(4)可以提供很宽的速度范围，从每秒几微米到数米，特别是高速是其一个突出的优点：(5)加速度很大，最大可达10g：(6)运动平稳，这是因为除了起支撑作用的直线导轨或气浮轴承外，没有其它机械连接或转换装置的缘故：(7)精度和重复精度高，因为消除了影响精度的中间环节，系统的精度取决于位置检测元件，有合适的反馈装置可达亚微米级：(8)维护简单，由于部件少，运动时无机械接触，从而大大降低了零部件的磨损，只需很少甚至无需维护，使用寿命更长。直线电动机与“旋转电动机，滚珠丝杠”传动性能比较表性能旋转电动机+滚珠丝杠直线电动机。

缺 点

从表面看，直线电机可逐步取代滚珠丝杠成为驱动直线运动的主流。但事实是，直线电机驱动在普遍使用后，一些过去没有关注的问题开始浮现：一是直线电机的耗电量大，尤其在进行高荷载、高加速度的运动时，机床瞬间电流对车间的供电系统带来沉重负荷；其二是振动高，直线电机的动态刚性极低，不能起缓冲阻尼作用，在高速运动时容易引起机床其它部分共振；其三是发热量大，固定在工作台底部的直线电机动子是高发热部件，安装位置不利于自然散热，对机床的恒温控制造成很大挑战；其四是不能自锁紧，为了保证操作安全，直线电机驱动的运动轴，尤其是垂直运动轴，必须要额外配备锁紧机构，增加了机床的复杂性。

在直线电机的应用中，人们除了发现上述缺陷外，也看到了其优点的片面性。直线电机的主要优点是高速度和高加速度，但在机床加工过程中，加速度超过10m/s2时所节省的辅助时间对整个加工过程的工时来说并没有太大意义，只有在工时非常短的加工中，高加速度才有意义，也就是说对于模具、风叶等单件复杂零件的切削加工，直线电机的优点并不明显。

基于以上原因，选择发展直线电机的机床企业都采用扬长避短的手法，一是将直线电机应用在面向大批量生产、定位运动多、方向频繁转变的场合，如汽车零部件加工机床，快速原型机及半导体生产机等；二是用于荷载低、工艺范围大的场合，例如电加工机床、水切割机、等离子切割机等。

直线电机在机床上的应用

1971年至目前，直线电机终于进入独立应用的时期，各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多有实用价值的装置和产品，例如直线电机驱动的钢管输送机、运煤机、各种电动门、电动窗等。利用直线电机驱动的磁悬浮列车，速度已超过500km/h，接近了航空飞行的速度。 我国的直线电机的研究和应用是从20世纪70年代初开始的。目前主要成果有工厂行车、电磁锤、冲压机等。我国直线电机研究虽然也取得了一些成绩，但与国外相比，其推广应用方面尚存在很大的差距。目前，国内不少研究单位已注意到这一点。 近几年，   国际    国际 上对数控机床采用直线电机显得特别热门，其原因是： 为了提高生产效率和改善零件的加工质量而发展的高速和超高速加工现已成为机床发展的一个重大趋势，一个反应灵敏、高速、轻便的驱动系统，速度要提高到40～50m/min以上。传统的“旋转电机+滚珠丝杠”的传动形式所能达到的最高进给速度为30m/min，加速度仅为3m/s2。直线电机驱动工作台，其速度是传统传动方式的30倍，加速度是传统传动方式的10倍，最大可达10g；刚度提高了7倍；直线电机直接驱动的工作台无反向工作死区；由于电机惯量小，所以由其构成的直线伺服系统可以达到较高的频率响应。 1993年，德国ZxCell-O公司推出了世界上第一个由直线电机驱动的工作台HSC-240型高速加工中心，机床主轴最高速达到24000r/min，最大进给速度为60n/min，加速度达到1g，当进给速度为20m/min时，其轮廓精度可达0.004mm。美国的Ingersoll公司紧接着推出了HVM-800型高速加工中心，主轴最高转速为20000r/min，最大进给速度为75.20m/min。 1996年开始，日本相继研制成功采用直线电机的卧式加工中心、高速机床、超高速小型加工中心、超精密镜面加工机床、高速成形机床等。 我国浙江大学研制了一种由直线电机驱动的冲压机，浙江大学生产   工程    工程 研究所设计了用圆筒型直线电机驱动的并联机构坐标测量机。2001年南京四开公司推出了自行开发的采用直线电机直接驱动的数控直线电机车床，2003年第8届中国   国际    国际 机床展览会上，展出北京电院高技术股份公司推出的VS1250直线电机取得的加工中心，该机床主轴最高转速达15000r/min。 直线电机的工作原理 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成，由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。 直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。 直线电机的驱动控制技术 一个直线电机应用系统不仅要有性能良好的直线电机，还必须具有能在安全可靠的条件下实现技术与经济要求的控制系统。随着自动控制技术与微计算机技术的发展，直线电机的控制方法越来越多。对直线电机控制技术的研究基本上可以分为三个方面：一是传统控制技术，二是现代控制技术，三是智能控制技术。 传统的控制技术如PID反馈控制、解耦控制等在交流伺服系统中得到了广泛的应用。其中PID控制蕴涵动态控制过程中的过去、现在和未来的信息，而且配置几乎为最优，具有较强的鲁棒性，是交流伺服电机驱动系统中最基本的控制方式。为了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技术。

沙迪克公司在直线电机这一领域的研究是在90年代中期，当时已经有一些著名的机械制造商推出了商品化的采用直线电机作为驱动装置的机械设备，主要是磨床和加工中心，并在一些国际著名的机械设备展览会上加以展示，而与此同时，电火花机床的发展却受到了越来越严重的挑战，大家知道，虽然SODICK公司主要从事电加工设备的开发和制造，并在国际制造业的这一生产领域里享有盛名，先进的技术和超凡的性能使其产品在市场上占有相当大的份额，但是，从80年代后期开始，随着其他加工手段的出现和快速发展特别是高速切削技术的显著进步和迅速普及，以其加工效益高，周期短，深受模具制造业的青睐，致使一些原本应由电火花加工的业务转向高速切削加工领域；而电火花加工一方面由于受电蚀产物排泄困难导致某些形状的加工效益非常低下甚至无法加工；加工精度方面由于还存在某些客观原因还不够理想，这些难题一直困惑着电火花加工业务的拓展，找不到切实的解决方法，形成了功能上的局限性，与此同时传统的低价位的电火花机床的生产厂家纷纷抢滩，以绝对的价格优势抢占了部分市场分额，这些都对有实力的电火花设备的制造企业造成了一定的压力和威胁，而开发具有突破性进展的高技术由于受传统思维的束博似乎也到了寸步难行的地步。据此状况有人甚至提出将淘汰电火花机床，电加工业受到空前的挑战。

    这些经历对于搞电加工的人来说都深有体会。沙迪克公司也不例外，90年代初的几年时间里，销售量也开始出现不同程度的滑坡，一个时期内在阵痛和反思中度过，曾经出现过萧条。在阵痛之后，经过深刻地反思，他们认识到与其说电加工设备制造业受到挑战不如说人的传统思维观念受到挑战，要重新振新电加工业必须冲破传统观念的束博，必须开拓思路，找出差距，认准突破方向，电火花不是没有发展前途而是怎样找出路子去适应新的市场机遇，只要突破传统功能上的局限性，电火花还是大有发展前途的，要向世人证明电火花不仅不能淘汰，而且有它存在的必要性。

    事实也充分说明了这一点，电加工业在受到挑战的同时，发展机遇已经在悄悄的降临，表现在加工业务上，一方面，一些传统的加工件正在越来越多地被高速切削所取代，比如锻造模，部分注塑模的型芯、型腔等，另一方面，随着近年来IT产业的迅猛发展，与制作电子器件相关的模具也随着大量出现，此类模具的规格多，数量大，而且比起传统模具来精度要求更高，比如以精密节距的接插件为代表的微细形状的加工；IC电路的微孔精冲模具及其封装注射模，半导体芯片的大规模生产以及数码技术的发展使得高科技的微型家电产品开始向千家万户普及，而这类产品的外饰件的种类多，翻新速度快，精度要求高，特别是该类产品具有精致化，小巧化而又不失耐用坚固的特性，使得这类注塑产品必须具备相当的加强筋来起支撑加固作用，在整个模具加工过程中，加强筋沟槽的加工占据着举足轻重的地位，该类行腔的特点是薄而深，有时还兼作定位，因此精度要求也极高，客户对这类模具的加工提出了不仅要进行微细，超精密的加工，其加工精度普遍要求在微米级以内，而特殊的模具零件精度要求甚至只有1～2μm，不仅如此，而且还提出在制造过程中的高效、低成本的要求，而这些模具的制作要求目前无论对于高速切削还是其他机械方式来说都还似乎无能为力，因此这类模具的大量出现也对模具电加工制造业的发展提供了良好的机遇，如果电火花加工不进一步提高性能，不开发目前其他制造手段还不能涉及到的加工领域或者所能达到的加工精度的功能的话，那么就会真正地逐步失去优势，最终就有可能被取代的危险。因此努力提高电火花的加工性能，制造出集高精度、高效，节能性于一体的电加工设备成了当务之急，刻不容缓的课题。

    以往的电火花机床，由于受传统的机械传动结构的束搏，在发展到一定的技术阶段后很难在加工性能上再有突破性的发展，直线电机技术在机械设备上应用使得参观世界设备展览的SODICK 公司决策者们从中受到启发，简直是矛塞顿开，他们设想如果把直线电机配置在电火化机床的主轴头上，利用它的高速运动效应，不就可以即有利于加工过程中电蚀物的排除，实现高速高效加工又取消滚珠丝杠等一系列有碍精度得以进一步提高的部件，实现更高精度驱动，更高精度的定位了吗？

    大家知道，电火花成型机床的核心部位和技术是主轴头及其驱动部分，继电火花技术开创近半个世纪以来，每次技术性能的提高都离不开主轴驱动性能的改造，从最初的电磁震动式和电动悬浮式调节器开始，历经了一般交、直流电机＋齿轮减速器＋丝杠的驱动机构；电液压伺服驱动机构；大惯量电机＋滚珠丝杠的所谓直拖结构以及至今仍然被很多制造公司所采用的交、直流伺服电机＋滚珠丝杠的直拖结构，每一次驱动结构的变革或新型控制方法的应用，都使得电火花加工的性能跃上了一个新的台阶，而将直线电机作为驱动部件直接应用于电火花机床的主轴上，独创了直线电机和主轴头合二为一的结构更是将其性能发挥至登峰造极之地步，为直线电机在其它电加工设备上的全面应用，开辟了广阔的发展空间。这就是沙迪克直线电机电加工机床的推出，首先从电火花机床z轴开始的原因。 nextpage

    其次我们再来看看，直线电机到底有哪些特点，为什么说它的出现具有广阔的发展空间。

    前面我们已经讲过，所谓直线电机，就是利用电磁作用的原理，将电能直接转换成直线运动动能的设备，它的特点在于直接产生直线运动，与间接产生直线运动的“旋转电机＋滚动丝杠”结构相比具有体积小，以最少的单元实现直线驱动；没有机械接触，传动力是在动子和定子间的气隙中产生，除了导轨外没有其他的机械摩擦；直线电机运行的速度范围很广，最高运动速度每分钟可达百米，特别是它运行时所产生的加速度可以达到数倍于自由落体的加速度，且运行平稳；响应速度快，时间常数小于1ms；定位精度和重复定位精度高，因为取消了影响精度的中间环节，系统的精度取决于位置的检测元件，若配以合适的反馈装置，可以把定位精度控制在亚微米级，而且可以长期保持精度，这对于一般的旋转式电机加丝杠结构的装置来说是很难做到的。

    传统的电火花机床，利用高精度的伺服电机通过精密丝杠传导系统，把电机的旋转运动转换成主轴的直线运动，虽然高性能的旋转式伺服电机已经可以响应高达0.1μm的驱动当量，但在传导过程中不可避免的受丝杠系统的间隙、丝杠在来回反复旋转时产生的扭曲弹性变形，以及作为细长物的丝杠受温度变化而沿长度方向上的变化较为突出的特点的影响，除此之外丝杠和螺母间还会产生摩擦，摩擦不仅产生热量，而且还会发生磨损，这种因局部热量引起的局部变形很难用软件来对其精度进行补偿，这些都会造成进给运动的滞后和其他许多非线性的误差，众多的中间环节也势必会加大系统的惯性质量，影响了对运动指令的快速响应，制约了加工精度的提高。

    为了证明丝杠因摩擦生热后到底对精度有多少影响，有人做过这样的试验，令一台丝杠式传动的机床，使其工作台作150mm距离间的来回往复运动，一段时间后，用红外热像仪测量丝杠的温度分布状况，结果发现，作往复运动的那部分丝杠的温度明显升高，说明摩擦产生的热量不可小觑，而热量导致的明显结果既是丝杠的精度变差，从以下一组实验数据中可以看出，丝杠受热后其状况和长度方向变化的趋势。

    我们令工作台在500mm距离间作来回往复运动，40分钟后经测量，发现丝杠沿长度方向竞伸长了40um,可见变形之大，而且，由于磨损，也不可能做到长期保持精度。去年，清华大学的有关研究机构曾经对直线电机与“旋转电动机+滚珠丝杠”的传动性能进行了专门的测试和评估，并在中国机械工程学会会刊《制造技术与机床》上发表了题为《机床进给系统用直线电机综述》的论文，较为详细地阐述了直线电机的原理和分类；直线电机的优缺点分析以及直线电机的发展与应用，在这里我想引用一下他们做的两类电机在一般情况下的性能比较表，给大家略作参考。

性能                  旋转电动机+滚珠丝杠         直线电动机

精度（μm/300mm）          10                       0.5

重复精度（μm）            2                        0.1

最高速度（m/min）          90～120                  60～200

最大加速度（g）            1.5                      2～10

静态刚度（N/μm）          90～180                  70～270

动态刚度（N/μm）          90～180                  160～210

平稳性（%速度）            10                       1

调整时间（ms）             100                      10～20

寿命（hours）              6000～10000              50000

    从上述比较中我们可以粗略地看出，无论是精度指标还是运行速度和加速度方面的性能甚至从使用寿命上来考虑，直线电机的性能都远高于传统结构的性能，足以说明直线电机作为机床进给系统的魅力所在。另外从电火花加工的应用情况来看，由于传统结构的机床采用螺杆螺母传导机构，这种结构本身也是一种减速装置，主轴的进给和回退的速度缓慢，使得加工加强筋沟曹之类的行腔时排泄困难，加工状态变差，加工效益大大降低，甚至无法加工。而直线电机则不同，它运行的速度直接传递给主轴，中间没有任何环节，而且其产生的加速度可以达到数倍于重力加速度，进给和回退动作的转换瞬间就可以以极高的速度完成，从根本上解决了一直困扰于电火花加工的排泄难题，考虑到作为精密加工设备的驱动装置及实际应用所须的要求，在沙迪克电火花主轴上应用的直线电极的最高运行速度为36m/min,最大加速度为1.2g，这样的主轴运行特性对于电火花加工范畴来说是足够有余了。而且维护简单，由于部件少，运动时无机械接触，从而大大降低了零部件的磨损，平时只须做很少甚至无须维护，使用寿命更长。

直线电机的原理