1 引言

　　直線電機驅動技術至誕生發展至今已越來越成熟，它以精度高、無磨損、噪音低、效率高、響應快、節省空間等突出優點使其在高檔數控機床領域應用廣泛，且應用此項技術還可使機床布局更加緊湊，結構更多變，易于實現整機高剛性，增加機床的總體性能。隨著高速加工技術的迅速發展，對傳動及控制系統的要求越來越高，使直線電機驅動技術的研究力度在逐步加大。因此，加大對直線驅動技術的研究既是技術向更高更快發展的趨勢，同時也更能滿足市場需要，帶來更大的經濟效益，成為未來機床發展的必然趨勢。

2 應用現狀

　　目前國外一些大型機床廠商都在加大直線驅動技術的研發力度，如日本的森精機、大隈，德國的DMG等。較為突出的DMG公司近年來一直致力于推廣具有代表性的直線驅動應用產品，涵蓋車床、車銑復合及加工中心等多款機床，并取得了顯著效果，在行業內引起廣泛關注。隨著直線電機驅動技術的日益完善，目前，應用直線電機的高檔機床，最大快移速度可達120m／min，加速度29.8m/s2，雖然直線電機的實驗加速度可達10x9.8m/s2，但由于所驅動部件的質量及慣性問題等影響，使直線電機的使用加速度大大降低。可以采取固定質量較大零部件方式減少總體驅動質量及采用密度較低的材料作為移動零部件的方法，盡量減少驅動質量，以提高加速度。未來加速度的提升還有很大空問。

　　在我國，以清華大學、浙江大學、中國科學院電工所等為代表的多家院校及研究所也一直致力于開發更快更好的直線驅動技術，并通過校企結合等方式應用到實踐中來，為此項技術在我國的應用與發展做出不懈的努力，并取得了很大進步。但我們同樣需要正視自己的不足，與目前國際先進水平相比，我國目前機床業依舊存在經濟型機床偏多、產品技術含量不高的問題，具有較高技術含量的高檔數控機床較少，技術水平與世界先進國家存在一定差距。因此，需要我們加大機床基礎技術和關鍵技術研究力度，努力追趕國際先進水平，研發出適合我國國情的高檔直線電機及相應的控制系統等配套產品，滿足高檔數控機床產品需要，提高自身總體競爭力。

3 應用難點分析

　　由于目前直線電機定子多采用永磁材料，本身具有較強磁性，因此在應用直線電機時將會存在一些特異性的問題，合理解決這些問題將成為能否成功應用的關鍵，具體應用時需注意以下幾個方面：

　　(1)保證動子與定子間的裝配尺寸。直線電機動子與定子的間隙是重要參數，它的微小變化可以引起電機性能的很大改變，間隙過大將直接影響直線電機的出力情況，間隙過小可能會由于磁性吸附雜物對電機造成損壞。因此，在安裝時必須嚴格控制，保證電機正常使用。目前，此間隙一般在1mm左右。機床設計時，可使用有限元分析軟件進行優化分析，設計保證使用間隙，但在裝配環節中如何保證此間隙將成為一個重要問題。

　　(2)減少磁吸力。目前，直線電機的定子多為稀土永磁體，而稀土永磁體對鐵磁性材料的吸力為自身質量的幾百倍，且對鐵磁性材料具有極強的磁化能力。實驗表明，直線電機永磁定子的法向磁吸力是電機可提供持續推力的10倍左右，且定子的磁吸力與電機動子是否通電無關。磁吸力存在于定子與動子之間及定子與安裝件之間。布置單電機通常采用平行于部件導軌的方式，此時磁吸力使直線導軌承受力大大增加，致使產生較大的變形，影響了數控機床的加工精度，同時也增大了導軌與滑塊之間的壓力，進而使滑塊移動摩擦力增大，可能會產生推力波動，影響機床的動態性能。因此，合理減小電機的磁吸力將是一個突出問題。

　　(3)防磁及抗干擾。由于直線電機磁場是敞開的，金屬灰塵、切屑粉末等磁性材料很容易被電機磁場吸住而妨礙正常工作，甚至損壞電機，因此應對其進行隔磁處理。另外還需要考慮機床冷卻液、潤滑油、電纜線等的防護，信號線屏蔽處理，負載干擾與系統控制問題。由于直線電機驅動系統沒有中間傳動環節，工件質量、切削力的變化等干擾直接作用于電機，同時，直線電機的邊端效應也增加了系統控制難度，所以需要控制器具有較強抗干擾能力，且穩定性好。

　　(4)發熱問題。直線電機在工作狀態下，由于線圈做功的能量損失，將產生很大熱量，如果驅動部分空間較小，將使電機動子溫度急劇增加，而動子一般處在機床導軌附近，過高的熱量將引起機床導軌溫度變化太大，致使導軌產生熱變形，進而影響機床的工作精度。同時，動子的溫升將引起內部線圈繞組電阻值的增大，如系統需要保持出力不變，必將需要更大的電流，而電流的增大同時伴有更多的能量損耗，使溫度更加升高，從而形成惡性循環。因此，必須采取有效的冷卻措施，將溫度控制在合理范圍內，保證電機正常使用。

4 面向裝配的解決方法

　　針對以上應用中出現的問題，可采用以下解決方法：

　　(1)保證定子與動子的間隙。定子與動子的間隙較小，且使用中要求表面平行，當行程較大時，在加工中較難保證。因此可在動子與移動部件間加裝1020ram厚電工純鐵墊片，不僅可以減少動子通電產生對連接部件的磁吸力，同時方便調節，采用配磨方法進行調整，保證定子與動子間的平行及間隙。

　　(2)克服定子磁吸力方法。直線電機理想應用方式為采用水平放置的雙邊型布局結構，兩個電機定子布置于運動模塊的兩側，組成倒v字型結構。工作時定子與動子間的磁吸力水平方向的分力抵消為零，垂直方向的分力可抵消移動部件部分重力，減小滑塊承載力及滑塊與導軌間的摩擦。定子、動子的連接部分可采用梯形截面設計，保證驅動部分更容易安裝在床身、立柱等部件上。然而，大部分隋況下驅動部分無法做成雙邊驅動型，因此在進行機床結構設計時，必須要考慮減小磁吸力問題。裝配定子時，強磁吸力的干擾給裝配及使用帶來不便，可在定子下面加裝20mm厚電工純鐵墊片，采用磨削方式達到裝配要求精度。研究表明20mm電工純鐵可將定子的磁吸力減小90％，大大降低了磁吸力的影響，給裝配帶來方便。在裝配直線電機時，可采用增加輔助導軌或采用分段安裝方式進行裝配，即先安裝部分定子，然后安裝動子，將帶有動子的部分移動到已裝定子上方，再安裝余下定子，可最大程度減少定子與動子間磁吸力對裝配的影響。此外，為保證電機出力平穩，驅動部分布局應盡量做成對稱結構。

　　(3)隔磁與防護。為避免直線電機的強磁效應帶來不良的影響，必須采取措施進行隔磁處理。可以在定子表面加防護套，或采用折疊式密封防護罩將直線電機的磁場完全封閉起來；也可在驅動部分內部安裝噴氣裝置，從內部向外噴出空氣，達到灰塵、切屑粉末不被吸入的目的。此外，其它部件所需信號電纜及動力電纜等雖然具有屏蔽膜，仍要盡量遠離直線電機磁場區域，避免磁場給控制系統帶來干擾。為保證控制系統的穩定性，應用直線電機驅動的機床必須采用全閉環控制。

　　(4)冷卻方式。常用的冷卻措施為水冷，使用冷卻水泵將水注入直線電機動子內，水流經過動子線圈繞組旁的冷卻水套迂回流出，將動子產生的熱量帶走，實現冷卻循環。實際應用中，具體冷卻參數的確定將視電機參數及其要求而定。

5 結語

　　直線電機在高檔數控機床上的應用已呈加速增長態勢，隨著直線電機驅動技術的日益改進與完善，未來直線電機將逐步取代傳統的絲杠傳動方式，使直線驅動技術成為高檔數控機床的必備傳動形式。因此，必須逐步完善直線電機使用及維護等其它配套技術，滿足多變的市場需要，增加自己的市場競爭能力。