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HIWIN直线电机的工作原理
HIWIN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**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**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**具有能在安全**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，而且配置几乎为较优，

具有较强的鲁棒性，是交流伺服电机驱动系统中较基本的控制方式。为了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技术。 在对象模型确定、不变化且是线性

的以及操作条件、运行环境是确定不变的条件下，采用传统控制技术是简单有效的。但是在**微进给的**场合，就**考虑对象结构与参数的变化。各

种非线性的影响，运行环境的改变及环境干扰等时变和不确定因数，才能得到满意的控制效果。因此，现代控制技术在直线伺服电机控制的研究中引起了很大的

重视。常用控制方法有：自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制及智能控制。 近年来模糊逻辑控制、神经网络控制等智能控制方法也被引入直线电动机驱动系

统的控制中。目前主要是将模糊逻辑、神经网络与PID、H∞控制等现有的成熟的控制方法相结合，取长补短，以获得更好的控制性能。

HIWIN直线电动机和HIWIN高速滚珠丝杠的发展
作为装备制造业核心加工设备的数控机床正向高速、*、**、智能化、复合化、环保化方向发展。在高速和**高速加工中，要求高的动态特性和控制精度

；瞬间达到高速和在高速运行中瞬间准停；振动小、噪声低、运行平稳；**性高、寿命长。
　　在各类线性驱动元部件中，精密高速HIWIN滚珠丝杠（Precicion High-speed Ball Screws——本文简称PHS-BS）和AC直线电动机（AC Linear Motor本文简

称AC-LM）是大型、精密、高速数控装备的**伺服进给系统中能满足上述要求的核心功能部件。

迈入数控装备领域的AC直线电动机 　
HIWIN直线电动机是借助于电磁作用原理，HIWIN导轨直接将电能转换为直线运动的驱动装置。世界上**台直线电动机是英国物理学家惠斯登（Sir Charles 

Wheatstone）发明，并于1845年取得**。较初以高速运输和牵引为主，经过不断改进后应用范围逐渐扩大到电脑及办公设备、半导体制造装备、医疗装备、工

业自动化、自动绘图仪等等。根据不同应用场合的差异，直线电动机的种类也很多。近年出现一种由直线电动机与铝合金滚柱导轨组合的高速线性驱动部件。

Vmax=600m/min，加速度4g，应用在**抓取和放下的场合。图为中国台湾HIWIN公司的LMS、LMC小推力伺服直线电动机，Vmax=210m/min。
　　随着控制技术、电子技术、材料技术的发展，HIWIN直线电动机经历了由**轻载到**大推力，由一般工业领域向大型、精密、高速数控装备领域发展的过

程。美国Ingersoll公司于1982年开发出用AC-LM驱动的高速加工中心样机，在EMO’93展会上Ex-cell-O公司**展出在各坐标轴上配置感应式直线电动机

（Indramat公司生产）的XHC240型卧式加工中心，各轴快移速度80m/min，加速度1g，定位精度0.004mm。上述公司迈出了AC-LM在数控机床上应用的第一步。AC-

LM作为高速、**、高刚度的直接驱动系统已引起业界的高度重视，在随后的EMO’97又掀起了“欧洲的直线电机热”。
　　中国虽然早在1969年浙江大学等单位就开始研究工业用直线电动机，但是AC-LM在数控机床上的应用还是较近十多年的事情，清华大学、广东工学院、沈阳工

业大学、哈工大等单位在研究AC-LM用于高速数控机床方面做了大量工作。清华大学承担了地区“十五”科技项目，并与江苏瑞安特公司联合推出“数控机床用直

线电机及伺服系统”，在CCMT2004（上海）展会上展出。中国用于数控机床的AC-LM仍处于成长期，离**化生产还有一定的距离。HIWIN直线导轨近年来，中国

研发高速、**数控机床的企业开始采用AC-LM，但多数是从国外进口。
　　向AC直线电动机挑战的HIWIN高速滚珠丝杠　　
　　具有成熟制造技术和产业化规模的HIWIN滚珠丝杠，从它诞生至今已有100多年历史，在中国也有46年历史。其产品功能随主机的发展不断扩展、提高，从较

初的“敏捷省能传动”（上世纪六十年代前）到“精密定位”（上世纪七十年代后），再从“大导程**驱动”（上世纪八十年代）到“精密高速驱动”（上世

纪九十年代中期），“速度”与“精度”的发展可谓与时俱进，特别是进入21世纪，PHS-BS得到迅速发展，成为数控装备伺服**进给系统中与AC-LM并列的两颗

耀眼**。
　　当滚珠丝杠与滚珠螺母相对位移时，其加速度≥1g、线速度≥60m/min、或DN值≥220000（DN值的定义是：滚珠丝杠副公称直径do(mm)和滚珠丝杠与滚珠螺母

相对转速n(r/min)的乘积）、精度达到P3级以上（地区标准GB/T18587），而各项性能指标（力矩变化、刚度、温升、噪声等）满足主机要求者，就可称之为精密

高速滚珠丝杠副(PHS-BS)。
　　由于HIWIN丝杠优良的滚动摩擦特性和传动**（η=90~95%）、传动敏捷灵活等功能，使其具备提速的有利条件。提速有三个途径：(1)加大导程Pn，这就

是我们常说的大导程（或**大导程）滚珠丝杠副。因Pn增大不利于提高导程精度，而且进给系统的静刚度迅速下降，所以只适用于对定位精度要求不高的**驱

动场合。(2)兼顾精度、速度、动态特性，适度增加Pn和n（转速）以及螺纹头数。因为受临界转速Nc的制约，追求高转速是不可取的。(3)从产品结构和驱动方式

上进行改革**，例如：变丝杠主驱动为螺母主驱动；变单驱动为双驱动；丝杠空心化、螺母小径化、滚动体轻量化等。HIWIN直线电机的大陆**热线是：400

-811-5568
　　采用直线电机的高速加工中心，已成为国际上各大机床制造商竞相研究和开发的关键技术和产品，并已在汽车工业和航空工业中取得初步应用和成效，作为

高速加工中心的新一代直接驱动伺服执行元件，直线伺服电机技术在国内外也已经进入工业化应用阶段。但是，国内在这方面的研究仍处于起步阶段，差距还很

大，本文在直线电机的应用方面作了一些探讨，许多技术问题还有待于今后的努力
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