摘 要：直线电机驱动系统具有高推力、高速、高精度、平滑进给运动等特性, 在高档数控机床上的应用越来越多。极大地提高了高档数控机床进给系统的快速反应能力和运动精度。分析了永磁直线同步电机在高档数控机床应用中的一些关键技术问题。
引言
近期中央出台的十大行业调整振兴规划，给机床工具行业的战略调整和产业升级提供了前所未有的市场需求机遇，同时也给我国数控系统产业的发展带来难得的发展机遇。中国经济的下一步发展急需大批中高档数控机床。
高档数控机床一般是指具有高速、高精度和多轴加工能力的机床。这就要求高档数控机床的进给驱动系统必须具备很高的加速度，来实现高的进给速度。但传统数控机床的驱动系统大都依赖旋转电机加丝杠驱动。丝杠驱动本身就具有一系列不利因素，包括：刚度与长度的限制、摩擦、扭曲、较长的振动衰减时间、与电机的耦合惯量以及丝杠的轴向压缩等。所有这些因素都限制了传统驱动装置的速度、精度和效率。
高速反应能力的直线电机驱动技术——所谓的零传动方式由于消除了传统机械传动链所带来的一系列不良影响。因而极大地提高了进给系统的快速反应能力和运动精度，成为新一代数控机床中最具代表性的先进技术之一。直线电机驱动技术在高档数控机床上开始得到了可喜的应用，其前景是诱人的。然而，直线电机驱动技术在应用中也存在着不少需要解决的技术问题。
1 应用于高档数控机床的直线电机形式
在高档数控机床上应用的直线电机主要是交流直线电机，交流直线电机又分为直线感应电机和永磁直线同步电机。
直线感应电机结构有平面型和圆筒型两种。对于直线行程小于500mm的场合，一般采用圆筒型。对于较长行程的场合通常采用平面型结构。直线感应电机一般由 SPWM变频器供电，采用矢量控制及其它一些智能控制方式并针对直线电机的特点，增加一些补偿办法。永磁直线同步电机一般由专用逆变器供电，通过PWM调制，采用PID调节控制及DSP等控制方式。两种型式各有优劣。从总体性能上，永磁式直线同步电动机具有较大优势，但从价格和防磁、防尘角度看，则感应式直线异步电动机具有它的优势。
永磁直线同步电机兼有直线电机和永磁电机的双重特点，具有推力大、响应速度快、体积小等特点，是构成高速高精度直线进给系统的首选机型。永磁材料性能的不断提高及其价格的降低使永磁直线同步电机的优点更加明显。所以，永磁直线同步电机更适合用于直线电机驱动技术，它提高了驱动系统的移动速度、加速度和运动精度，在高速、高精度数控机床中的应用越来越广泛。下面仅对永磁直线同步电机在高档数控机床上的应用技术进行分析。
2 永磁直线同步电机在高档数控机床上应用的关键技术分析
2.1 法向磁吸力
永磁直线同步电机除了产生平行于运动方向的推力之外，还会在动子与定子之间产生一个垂直于进给运动方向的法向磁吸力，其数值为推力的10倍左右。因为电机的定子是由永磁体组成的，所以无论电机动子中是否通电，法向磁吸力都存在。单边型永磁直线同步电机驱动系统产生的法向磁吸力使承受垂向力的直线导轨产生较大的变形，影响了数控机床的加工精度。法向磁吸力还增大了直线导轨和滑块之间的压力，进而使两者之间的摩擦力增加，会使推力产生波动，降低了数控机床的动态性能。目前主要通过采用双变型结构的设计方法来解决法向磁吸力引起的问题。
针对此问题，可将永磁直线同步电机的动子、定子与机床直线导轨副结合起来设计，如图1所示，1为直线电机座，2为定子连接块，3为电机定子，4为电机动子，5为动子连接块，6为直线导轨，7为工作台，8为滑块，9为底座。
图1 双直线电机水平进给平台主视图
图2 双直线电机水平进给平台立体结构图
如图2所示，两个永磁直线同步电机分别布置在工作台运动模块的两侧，组成A字型结构水平进给平台。利用动子与定子之间的法向磁吸力来实现了两个永磁直线同步电机法向磁吸力水平方向的分力抵消为零，垂直方向的分力抵消了工作台的部分重力，减小了滑块和直线导轨之间的摩擦力。定子连接块、动子连接块横截面的梯形设计可以在数控机床的床身、立柱等基础部件不改变的情况下更好地安装该水平进给平台。
2.2 电机发热问题
永磁直线同步电机运行时，由于铜损和铁损，线圈会发热，其温度将会超过100℃，永磁直线同步电机本身由于结构简单，其散热效果还是比较好的。但是当电机应用于数控机床时，通常安装在机床内部，造成散热困难。
图3 某型号直线电机的表面发热特性
如图3所示为某型号直线电机的表面的发热特性，横坐标表示电机的连续额定推力的百分比，纵坐标表示动子热力学温度变化。可知即便在水冷的条件下，动子表面的温升仍有15K以上。对于直线电机负荷变化频繁的情况，初级的发热量变化也会较大，若机床的精度要求较高，则很难满足要求。
永磁直线同步电机的绕组、铁芯就处在机床导轨附近，将严重引起机床导轨热变形，进而影响机床的加工精度。动子温度的升高将引起内部绕组阻值的增大, 为使输出力矩保持不变,就要增大绕组上的电流,反过来电流的增大又会使温度升高, 从而形成恶性循环。所以在高档数控机床上应用直线电机驱动技术，解决好其散热问题是至关重要的。
2.3 隔磁与防护问题
永磁直线同步电机要在机床定子钢板上安装一排强磁的永久磁铁，而切屑、工件和工具等磁性材料很容易被永磁直线同步电机的磁场吸住，使装配、加工很难进行。应用于高档数控机床上的直线电机动子和定子之间的间隙约为1mm，当磁性切屑和空气中的磁性尘埃被吸入永磁直线同步电机的动子与定子之间很小的气隙中，就会造成气隙间距变的更小甚至堵塞，所以应采取有效的隔磁防护措施。
例如，南通科技的VH1100高速立式加工中心设计上使用了新颖的循环防护板结构的防护装置，在加工区，无接缝的防护钢带被夹持在贴有塑料导轨板的导向槽内，导向槽与钢带的配合是该技术的关键。
永磁直线同步电机两端要有缓冲防护装置和电子限位开关，防止动子失控后的碰撞。对电缆线要加保护拖链，输出信号线还要加屏蔽体。并且还需考虑对机床冷却液、润滑油等的防护。
3 结束语
永磁直线同步电机在高档数控机床中已经开始得到了可喜的应用。然而直线电机直接驱动系统在高档数控机床中也存在着一些需要解决的问题。2008年12月，《高档数控机床与基础制造装备科技重大专项》得到国家批准。专项已经逐步启动实施，机床行业自主创新能力将近一步提高，为国产高档数控机床功能部件特别是直线电机的应用提供了坚实的技术基础。