摘要：介绍了圆筒型直线电机的工作原理、结构与特点，讨论了圆筒型直线电机在冲压机、并联机床以及并联机构坐标测量机等机床上的应用情况与进展。
关键词：圆筒型直线电机；冲压机；并联机床；坐标测量机

1 圆筒型直线电机的工作原理与结构

直线电机是从普通的旋转电机演变而来，如果将旋转电机的圆筒形定子、转子剖开拉直，就形成了平板型结构的直线电机，如果再把这种扁平的初级、次级卷绕在一根与磁场运动方向平行的轴上，即可得到一种结构上与平板型直线电机完全不同的圆筒型直线电机，其演变过程如图1所示。圆筒型直线电机的工作原理与旋转电机相似，当在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，将感应电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相互作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力的作用下做直线运动。反之，则初级作直线运动。它把电能直接转变为直线运动的机械能而无中间变换装置。圆筒型直线电机也可分为同步式和感应式两类，图2所示是圆筒型直线感应电机的典型结构。

图1 旋转电机到直线电机的演变过程

图2 圆简型直线电机的典型结构

普通旋转电机和平板型直线电机端部绕组浪费材料，增加成本，增加了电阻损耗和端部漏抗。圆筒型直线感应电机的初级绕组只是简单地由一系列共轴线圈组成，然后由三相电源顺序供电，并无端部绕组，因而圆筒型直线感应电机初级绕组利用率高，同时也没有横向边缘效应，也不存在端部漏磁通以及附加阻抗，并且在圆柱形次级上也不存在总径向力，因此，减少了直线轴承上所承受的应力，也使其制造工艺大大简化。圆筒型直线感应电机的齿部是用圆形硅钢片迭压而成；其轭部一般用厚壁钢管作成，但为提高效率，也可由硅钢片迭压而成；次级可以有三种：第一种是一根厚壁钢管或迭片铁芯，称为钢次级或磁性次级，钢既起导磁作用，又起导电作用，由于钢的电阻率较大，故钢次级的电磁性能较差，第二种为钢管或迭片铁芯上复合一层非磁性材料. 铜层（或铝层），称为复合次级，在复合次级中，钢主要用于导磁，而导电主要靠非磁性层，它的电磁性能要比磁性次级好得多，第三种是在钢管或迭片铁芯上开槽，槽中放入非磁性材料. 铜环或铝环，称为鼠笼次级，这种直线电机性能较好，但结构和工艺较复杂。钢次级虽然结构简单，但是涡流损耗很大，所以一般不采用。另外，圆筒型直线电机的散热条件比较差，因此适合小功率的电机。上述三种类型次级，后两者单位体积产生的起动推力较大。

2 圆筒型直线电机的优点

（1）结构简单。圆筒型直线电机不需要经过中间转换机构而直接产生直线运动，使结构大大简化，运动惯量减少，动态响应性能和定位精度大大提高；同时也提高了可靠性，节约了成本，使制造和维护更加简便。它的初次级可以直接成为机构的一部分，这种独特的结合使得这种优势进一步体现出来。

（2）适合高速直线运动。因为不存在离心力的约束，普通材料亦可以达到较高的速度。而且如果初、次级间用气垫或磁垫保存间隙，运动时无机械接触，因而运动部分也就无摩擦和噪声。这样，传动零部件没有磨损，可大大减小机械损耗，避免拖缆、钢索、齿轮与皮带轮等所造成的噪声，从而提高整体效率。

（3）初级绕组利用率高。在圆筒型直线感应电机中，初级绕组是饼式的，没有端部绕组，因而绕组利用率高。

（4）无横向边缘效应。横向效应是指由于横向开断造成的边界处磁场的削弱，而圆筒型直线电机横向无开断，所以磁场沿周向均匀分布。

（5）容易克服单边磁拉力问题。径向拉力互相抵消，基本不存在单边磁拉力的问题。

（6）易于调节和控制。通过调节电压或频率，或更换次级材料，可以得到不同的速度、电磁推力，适用于低速往复运行场合。

（7）适应性强。直线电机的初级铁芯可以用环氧树脂封成整体，具有较好的防腐、防潮性能，便于在潮湿、粉尘和有害气体的环境中使用；而且可以设计成多种结构形式，满足不同情况的需要。

3 圆筒型直线电机的缺点

（1）效率和功率因数较低。圆筒型直线电机的效率和功率因数比同容量的旋转电机要低，特别在低速时。这是由以下原因引起的：它的电磁气隙与极距的比值通常较大，所需的磁化电流也较大，使损耗增加；初级铁芯两端开断，产生纵向边缘效应，从而引起波形畸变等问题，其结果也导致损耗增加。

（2）起动推力易受到电压波动的影响。在低速高滑差情况下，往往要求有比较恒定的起动推力，但当电源电压有波动时，起动推力变化很大，因此需要电源电压比较稳定。

（3）运行速度范围受到电机极距的限制。当电源频率一定时，电机的运行速度在很大程度上取决于电机的极距，一般极距不能太大，也不能太小，所以它的速度也被限制在某一合适的范围内。在要求低速的传动系统中，就往往需要增加变频设备。

（4）馈电比较复杂。对于动初级的直线电机，在速度较高或行程较长时，馈电比较复杂。

（5）散热较困难。圆筒型直线电机的散热条件要比扁平型直线电机差，这就限制了电机所允许的电参数，从而限制了电机的推力，因而圆筒型直线电机不适合大功率电机。

4 圆筒型直线电机在机床上的应用

早在1917年就出现了第一台圆筒型直线电机，事实上那是一种具有换接初级线圈的直流磁阻电机。当时人们试图将它作为导弹发射装置，但其发展并没有超出模型阶段。直至20世纪50年代中期，控制、材料等技术的飞速发展极大地促进了直线电机的发展，圆筒型直线电机的优越性开始体现出来，其应用范围越来越广。1978年A. Mendrela和J. Turowski设计了一种能产生螺旋运动的直线感应电机，并用于车床和镗床上；也有人将圆筒型直线电机用于加工中心的机械手中。近年来，圆筒型直线电机在机床上的应用增多，而且发展较快。特别是在行程长度小于0.5m的情况，采用圆筒型直线电机能更好地利用材料，可使相应的传动装置结构更加简单紧凑，因而受到了高度的重视。

传统的机械式冲压机（冲床）的动力来源于旋转电动机，它需要一整套复杂的转换机构将旋转运动转变为所需的直线往复运动，为获得足够的冲压力，还需配备一只储能大飞轮。因而，这种冲压机部件多，结构复杂，体积笨重，噪声大，生产周期长，使用不灵活，而且容易发生人身伤害事故。为此，浙江大学研制了一种由直线电机驱动的冲压机，其总体结构示意图如图3所示。它主要分为三大部分，即机身部分、直线电机部分和控制系统部分。所采用的直线电机主要为圆筒型直线感应电机。其基本工作原理为：插上电源，起动电源开关，直线电机的初级通电并产生电磁力，使圆柱型次级带动模架向下运动，冲压工件；冲压结束，次级在反向电磁力与恢复弹簧的拉动下回到初始位置，等待下一次的冲压。这种新型直线电机冲压机和传统的机械式冲压机相比，具有结构简单；体积小、重量轻；无周期性的机械噪声；脉冲式工作，有节能效果；冲压吨位、频率、速度可调；易于控制，能实现多种保护功能。

图3 直线电机冲压机结构示意图

近年来，一种在机床结构技术上有突破性进展的并联机床引起了全球机床制造业的关注。并联机床实质上是机器人技术与机床结构技术相结合的产物。并联机床与传统的数控机床在特性上形成了鲜明的对比。传统数控机床的各运动自由度是串联相接的，传动链长，系统刚性差，累积误差大而精度低。并联机床采用并联闭环静定或非静定杆系结构，具有很高的刚度；其传动链极短，没有累积误差，故精度高；而且其运动部件质量小、惯性小，大大改善了动态响应性能，可以获得很高的进给速度和加速度。因而，美、日、欧、俄等国对这种新型数控装备的工程应用前景和市场潜力极为乐观，纷纷斥巨资竞相研究和开发。目前，国内外研制的并联机床大多是基于Stewart平台结构，其进给传动系统是由6根可变长度驱动杆组成，通过改变驱动杆长度来改变带有刀具的活动平台的位姿以实现进给运动。在机床运行过程中，6根驱动杆必须统一协调运动，因而要求各驱动杆必须在工作空间内的任何方向都能进行快速的精密伸缩运动。这就给驱动杆在结构设计和工程实现上带来了很大的困难。目前，驱动杆一般是通过旋转伺服电机和滚珠丝杠螺母副来驱动；或者通过滑动柱塞的伸缩或滑块运动来驱动。但驱动杆的这些驱动方式在响应速度和精度等方面很难满足并联机床的需要，因而有必要寻找新的驱动方式。对照圆筒型直线电机的特点，可以发现圆筒型直线电机非常适合于并联机床驱动杆的驱动，并可以与驱动杆进行一体化设计，因而在并联机床上具有广泛的应用前景。

图4所示为我们最近设计的用圆筒型直线电机驱动的并联机构坐标测量机的一种结构示意图。其中圆筒型直线电机与驱动杆设计成一个整体，而直线电机的圆筒型初级通过万向联轴器与静止的基座相联结，直线电机的圆柱型次级通过球形铰链与安装激光测头的动平台相联结。其基本工作原理为：在圆筒型直线电机的初级绕组中通入交流电源，将产生沿电机轴向的行波磁场，并形成电磁推力，使直线电机的次级作伸缩运动，从而使驱动杆的长度发生变化，使测头移动至测点位置，同时由高精度光栅对驱动杆长度的变化量进行精确检测，并以此为依据，计算出测点处的空间坐标。并联机构坐标测量机的小惯性、无切削力的特点可使直线电机的优点得到更加充分的发挥，从而实现快速精密测量。直线电机并联机构坐标测量机可根据需要设计成多种结构形式，从而大大拓宽坐标测量机的应用领域。

图4 直线电机并联机构坐标测量机结构示意图

随着新型磁性材料的不断涌现，以及直线电机在设计、制造、控制等方面的不断进步，圆筒型直线电机以其所特有的优越性必定会在机床上获得越来越广泛的应用。目前这方面的应用还只是处于初级阶段，还有许多问题需要解决，但我们必须给予高度重视，在思想上和技术上做好一切准备，抢占这一领域的制高点。

参考文献
【1】叶云岳 直线电机原理与应用 北京：机械工业出版社，2000
【2】郭庆鼎，王成元，周美文，孙廷玉 直线交流伺服系统的精密控制技术 北京：机械工业出版社，2000
【3】杨红 新型冲压机用直线感应电机的迭代参数化设计及其动态测试研究［博士学位论文］ 杭州：浙江大学图书馆，1999

作者简介：
张春良：男，1964年生，南华大学机械工程学院教授，浙江大学生产工程研究所博士研究生。
陈子辰：浙江大学生产工程研究所教授、博士研究生导师
梅德庆：浙江大学生产工程研究所讲师、博士。