直线电机驱动技术：机床发展的必然趋势，应用现状与未来展望

直线电机驱动技术：机床发展的必然趋势，应用现状与未来展望

1 简介

直线电机驱动技术自诞生以来，已日趋成熟，凭借其高精度、无磨损、低噪音、高效、响应快、节省空间等突出优点，被广泛应用于高档数控机床领域。该技术的应用还可以使机床布局更加紧凑，结构更加多变，容易实现整机高刚性，从而提高机床的综合性能。随着高速加工技术的飞速发展，对传动和控制系统的要求越来越高，使得对直线电机驱动技术的研究力度逐渐加大。因此，加大对直线驱动技术的研究，不仅是技术向更高更快发展的趋势，而且可以更好地满足市场需求，带来更大的经济效益，成为未来机床发展的必然趋势。

2 申请状态

目前，国外一些大型机床制造商都在加大直线驱动技术的研发力度，如日本的森精机、大隈、德国的DMG等。其中较为突出的DMG公司近年来致力于推广具有代表性的直线驱动应用产品，产品覆盖车床、车铣复合、加工中心等多种机床，取得了显著的成果，引起了业界的广泛关注。随着直线电机驱动技术的不断完善，目前采用直线电机的高档机床最高快速移动速度可达120m/min，加速度为2×9.8m/s2。虽然直线电机的实验加速度可达10×9.8m/s2，但由于受驱动部件质量和惯性的影响，直线电机的加速度大大降低。可以通过固定大质量部件、采用低密度材料作为运动部件等措施来降低整体驱动质量，以尽量减轻驱动质量，提高加速度。未来加速度的提升空间还很大。

在我国，以清华大学、浙江大学、中科院电工所为代表的许多大专院校和科研院所也一直致力于开发更快更好的直线驱动技术，并通过校企合作将其应用于实践，为我国此项技术的应用发展做出了不懈的努力，并取得了长足的进步。但我们也需要正视自己的不足。与当今国际先进水平相比，我国当前的机床行业还存在机床经济性较差、产品技术含量不高的问题，技术含量高的高档数控机床较少，技术水平与世界先进国家存在一定的差距。因此，我们需要加大机床基础技术、关键技术的研究力度，努力追赶国际先进水平，开发适合我国国情的高档直线电机及相应的控制系统等配套产品，满足高档数控机床产品的需求，提高我国的​​综合竞争力。

3 应用难度分析

由于直线电机定子大多采用永磁材料制成，具有较强的磁性，因此在使用直线电机时会出现一些特定的问题，合理解决这些问题将是成功应用的关键，在具体应用中应注意以下几个方面：

（1）保证动子与定子之间的装配尺寸。直线电机的动子与定子之间的间隙是一个重要参数，间隙的微小变化都会引起电机性能的明显变化。间隙过大会直接影响直线电机的输出，间隙过小则可能因磁性吸附杂物而损坏电机。因此，在安装时必须严格控制，以保证电机的正常使用。目前，此间隙一般在1mm左右。在机床设计时，可以采用有限元分析软件进行优化分析设计，保证使用间隙，但装配时如何保证此间隙将成为一个重要的问题。

（2）降低磁吸引力。目前直线电机的定子多为稀土永磁体，而稀土永磁体对铁磁材料的吸引力是其自身质量的数百倍，对铁磁材料具有极强的磁化能力。实验表明，直线电机永磁定子的正常磁吸引力约为电机所能提供的持续推力的10倍，定子的磁吸引力与电机转子是否通电无关。定子与转子之间、定子与安装座之间均存在磁吸引力。单台电机的布置通常与组件导轨平行，此时磁吸引力大大增加了直线导轨的承载能力，导致较大的变形，影响数控机床的加工精度，同时也增加了导轨与滑块之间的压力，从而增加了滑块运动的摩擦力，可能引起推力波动，影响机床的动态性能。因此，合理降低电机的磁吸引力将是一个突出的问题。

（3）防磁、抗干扰。由于直线电机磁场开放，金属粉尘、切屑粉末等磁性物质极易被电机磁场吸引而妨碍正常工作甚至损坏电机，因此应进行磁隔离处理。此外，还需要考虑机床冷却液、润滑油、电缆等的防护、信号线屏蔽、负载干扰及系统控制问题。由于直线电机驱动系统无中间传动环节，工件质量、切削力变化等干扰直接作用于电机。同时，直线电机的边缘效应也增加了系统控制的难度，因此控制器需要具有较强的抗干扰能力和良好的稳定性。

（4）发热问题。直线电机在工作时，由于线圈的能量损失会产生大量的热量，如果驱动部分的空间较小，电机转子的温度就会急剧升高。转子一般位于机床导轨附近，过高的热量会造成机床导轨温度变化过大，使导轨产生热变形，影响机床的工作精度。同时，转子温升会导致内部线圈绕组的电阻值增大，系统若要维持输出不变，就需要更大的电流。电流的增加伴随着更多的能量损失，使温度进一步上升，从而形成恶性循环。因此必须采取有效的冷却措施，将温度控制在合理的范围内，保证电机的正常使用。

4 面向装配的解决方案

针对以上应用中的问题，可采用如下解决方案：

（1）保证定子与动子之间的间隙。定子与动子之间的间隙较小，使用过程中要求表面保持平行。当行程较大时，加工时很难保证这一点。因此，可在动子与运动部件之间加装10-20ram厚的电工纯铁垫片。这样不仅可以减小动子通电时对连接件的磁引力，而且便于调整。采用配套磨削法进行调整，保证定子与动子之间的平行度和间隙。

（2）克服定子磁引力的方法。直线电机理想的应用是采用水平放置的双边布置结构，两个电机定子布置在运动模块的两侧，形成倒“V”型结构。工作时，定子与动子之间的磁引力水平分量抵消为零，垂直分量可以抵消部分运动部件的重力，减小滑块的承载能力和滑块与导轨之间的摩擦力。定子与动子的连接可设计成梯形截面，以保证驱动部分更容易安装在床身、立柱等部件上。但大多数情况下，驱动部分不能做成双边驱动型式，因此在设计机床结构时，需要考虑减小磁引力。在装配定子时，强磁引力的干扰给装配和使用带来不便。可在定子下面安装20mm厚的电工纯铁垫片，通过磨削加工达到装配精度。研究表明，20mm的电工纯铁可使定子的磁引力降低90%，大大降低了磁引力的影响，给装配带来了便利。装配直线电机时，可以加辅助导轨，或采用分段安装，即先安装一部分定子，再安装动子，将带有动子的部分移到已安装好的定子的上方，再安装剩余的定子，这样可以最大程度地减少定子与动子之间的磁引力对装配的影响。另外，为保证电机输出平稳，驱动部分的布置应尽量做到对称。

（3）磁隔离与防护。为避免直线电机强磁效应带来的不良影响，必须采取措施隔离磁场。可在定子表面加防护罩，或采用折叠式密封防护罩，将直线电机磁场完全封闭；或在驱动部分内部加装喷射装置，由内向外喷入空气，防止粉尘、切削粉被吸入。另外，其他部件所需的信号电缆、电源线虽然都有屏蔽膜，但仍应尽量远离直线电机磁场区，避免磁场对控制系统造成干扰。为保证控制系统的稳定性，采用直线电机驱动的机床必须采用全闭环控制。

（4）冷却方式。常用的冷却措施为水冷，采用冷却水泵将水注入直线电机转子内，水通过转子线圈绕组旁的冷却水套流出，带走转子产生的热量，实现冷却循环。实际应用中，具体冷却参数的确定将根据电机参数和要求而定。

5 结论

直线电机在高档数控机床上的应用不断加速，随着直线电机驱动技术的不断改进和完善，未来直线电机将逐步取代传统的丝杠驱动方式，使直线驱动技术成为高档数控机床必不可少的传动形式。因此，需要逐步完善直线电机的使用、维护等其他配套技术，以适应不断变化的市场需求，提高其市场竞争力。

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