高档数控机床中永磁直线同步电机驱动系统关键技术分析

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。