高檔數控機床中永磁直線同步電機驅動系統關鍵技術分析

尹宜勇，賈志新，李 威

YIN Yi-yong, JIA Zhi-xin, LI Wei

（北京科技大學 機械工程學院，北京 100083）

0 引言

近期中央出臺的十大行業調整振興規劃，給機床工具行業的戰略調整和產業升級提供了前所未有的市場需求機遇，同時也給我國數控系統產業的發展帶來難得的發展機遇。中國經濟的下一步發展急需大批中高檔數控機床[1]。

高檔數控機床一般是指具有高速、高精度和多軸加工能力的機床。這就要求高檔數控機床的進給驅動系統必須具備很高的加速度，來實現高的進給速度。但傳統數控機床的驅動系統大都依賴旋轉電機加絲杠驅動。絲杠驅動本身就具有一系列不利因素，包括：剛度與長度的限制、摩擦、扭曲、較長的振動衰減時間、與電機的耦合慣量以及絲杠的軸向壓縮等。所有這些因素都限制了傳統驅動裝置的速度、精度和效率。

高速反應能力的直線電機驅動技術——所謂的零傳動方式由于消除了傳統機械傳動鏈所帶來的一系列不良影響。因而極大地提高了進給系統的快速反應能力和運動精度，成為新一代數控機床中最具代表性的先進技術之一[2]。直線電機驅動技術在高檔數控機床上開始得到了可喜的應用，其前景是誘人的。然而，直線電機驅動技術在應用中也存在著不少需要解決的技術問題。

1 應用于高檔數控機床的直線電機形式

在高檔數控機床上應用的直線電機主要是交流直線電機，交流直線電機又分為直線感應電機和永磁直線同步電機。

直線感應電機結構有平面型和圓筒型兩種。對于直線行程小于500mm的場合，一般采用圓筒型。對于較長行程的場合通常采用平面型結構。直線感應電機一般由SPWM變頻器供電，采用矢量控制及其它一些智能控制方式并針對直線電機的特點，增加一些補償辦法。永磁直線同步電機一般由專用逆變器供電，通過PWM調制，采用PID調節控制及DSP等控制方式。兩種型式各有優劣。從總體性能上，永磁式直線同步電動機具有較大優勢，但從價格和防磁、防塵角度看，則感應式直線異步電動機具有它的優勢[3]。

永磁直線同步電機兼有直線電機和永磁電機的雙重特點，具有推力大、響應速度快、體積小等特點，是構成高速高精度直線進給系統的首選機型。永磁材料性能的不斷提高及其價格的降低使永磁直線同步電機的優點更加明顯。所以，永磁直線同步電機更適合用于直線電機驅動技術，它提高了驅動系統的移動速度、加速度和運動精度，在高速、高精度數控機床中的應用越來越廣泛。下面僅對永磁直線同步電機在高檔數控機床上的應用技術進行分析。

2 永磁直線同步電機在高檔數控機床上應用的關鍵技術分析

2.1 法向磁吸力

永磁直線同步電機除了產生平行于運動方向的推力之外，還會在動子與定子之間產生一個垂直于進給運動方向的法向磁吸力，其數值為推力的10倍左右[4]。因為電機的定子是由永磁體組成的，所以無論電機動子中是否通電，法向磁吸力都存在。單邊型永磁直線同步電機驅動系統產生的法向磁吸力使承受垂向力的直線導軌產生較大的變形，影響了數控機床的加工精度。法向磁吸力還增大了直線導軌和滑塊之間的壓力，進而使兩者之間的摩擦力增加，會使推力產生波動，降低了數控機床的動態性能。目前主要通過采用雙變型結構的設計方法來解決法向磁吸力引起的問題。

針對此問題，可將永磁直線同步電機的動子、定子與機床直線導軌副結合起來設計，如圖1所示，1為直線電機座，2為定子連接塊，3為電機定子，4為電機動子，5為動子連接塊，6為直線導軌，7為工作臺，8為滑塊，9為底座。

圖1 雙直線電機水平進給平臺主視圖

如圖2所示，兩個永磁直線同步電機分別布置在工作臺運動模塊的兩側，組成A字型結構水平進給平臺。利用動子與定子之間的法向磁吸力來實現了兩個永磁直線同步電機法向磁吸力水平方向的分力抵消為零，垂直方向的分力抵消了工作臺的部分重力，減小了滑塊和直線導軌之間的摩擦力。定子連接塊、動子連接塊橫截面的梯形設計可以在數控機床的床身、立柱等基礎部件不改變的情況下更好地安裝該水平進給平臺。

2.2 電機發熱問題

永磁直線同步電機運行時，由于銅損和鐵損，線圈會發熱，其溫度將會超過100℃[5]，永磁直線同步電機本身由于結構簡單，其散熱效果還是比較好的。但是當電機應用于數控機床時，通常安裝在機床內部，造成散熱困難。

圖2 雙直線電機水平進給平臺立體結構圖

如圖3所示為某型號直線電機的表面的發熱特性，橫坐標表示電機的連續額定推力的百分比，縱坐標表示動子熱力學溫度變化。可知即便在水冷的條件下，動子表面的溫升仍有15K以上。對于直線電機負荷變化頻繁的情況，初級的發熱量變化也會較大，若機床的精度要求較高，則很難滿足要求。

圖3 某型號直線電機的表面發熱特性

永磁直線同步電機的繞組、鐵芯就處在機床導軌附近，將嚴重引起機床導軌熱變形，進而影響機床的加工精度。動子溫度的升高將引起內部繞組阻值的增大, 為使輸出力矩保持不變,就要增大繞組上的電流,反過來電流的增大又會使溫度升高, 從而形成惡性循環。所以在高檔數控機床上應用直線電機驅動技術，解決好其散熱問題是至關重要的。

2.3 隔磁與防護問題

永磁直線同步電機要在機床定子鋼板上安裝一排強磁的永久磁鐵，而切屑、工件和工具等磁性材料很容易被永磁直線同步電機的磁場吸住，使裝配、加工很難進行。應用于高檔數控機床上的直線電機動子和定子之間的間隙約為1mm，當磁性切屑和空氣中的磁性塵埃被吸入永磁直線同步電機的動子與定子之間很小的氣隙中，就會造成氣隙間距變的更小甚至堵塞，所以應采取有效的隔磁防護措施。

例如，南通科技的VH1100高速立式加工中心設計上使用了新穎的循環防護板結構的防護裝置，在加工區，無接縫的防護鋼帶被夾持在貼有塑料導軌板的導向槽內，導向槽與鋼帶的配合是該技術的關鍵。

永磁直線同步電機兩端要有緩沖防護裝置和電子限位開關，防止動子失控后的碰撞。對電纜線要加保護拖鏈，輸出信號線還要加屏蔽體[6]。并且還需考慮對機床冷卻液、潤滑油等的防護。

3 結束語

永磁直線同步電機在高檔數控機床中已經開始得到了可喜的應用。然而直線電機直接驅動系統在高檔數控機床中也存在著一些需要解決的問題。2008年12月，《高檔數控機床與基礎制造裝備科技重大專項》得到國家批準。專項已經逐步啟動實施，機床行業自主創新能力將近一步提高，為國產高檔數控機床功能部件特別是直線電機的應用提供了堅實的技術基礎。

[1]中國機床工具工業協會數控系統分會.第十一屆中國國際機床展覽會(CIMT2009)國產數控系統展品綜述[J].制造技術與機床,2009(8):34-39.

[2]郭慶鼎,趙希梅.直線電動機在機床伺服驅動應用中的若干問題與展望[J].電氣應用,2006,25(4):130-133.

[3]葉云岳.直線電機在現代機床業中的應用與發展[J].電機技術,2010(3):1-5.

[4]張春良,陳子辰,梅德慶.直線電機伺服進給系統及其關鍵技術問題[J].組合機床與自動化加工技術,2001(11):37-40.

[5]Jang C,Kim J,Kim Y.Thermal resistance modeling of linear motor driven stages for chip mounter applications[C].8th Intersociety Conference on Thermal and Thermommechanical phenomena in Electronic Systems,SanDiego,USA,2002.

[6]劉泉,張建民,王先逵.直線電機在機床工業中的最新應用及技術分析[J].機床與液壓,2004(6):1-3.