电磁式直线电机微纳运动系统的应用场景

1.高档机床装备的精密运动工作台

图5-2所示是一维直线电机微纳伺服驱动系统工作台结构。把直线电机的初级和次级分别直接安装在机床的工作台与床身上，即可实现机床工作台的直接驱动进给。这种直线电机微纳驱动系统彻底克服了传统的滚珠丝杠传动方式存在的先天性缺点，具有速度高、加速度大、定位精度高、行程长度不受限制等优点，在数控机床高速高精进给系统领域逐渐发展为主导方向，使机床的传动结构出现了重大变化，并使机床性能有了新的飞跃。图5-3所示是二维直线电机微纳运动工作台。根据应用需求也可构建三维精密微纳运动平台。

目前国外一些大型机床厂商都在加大直线驱动技术的研发力度，如日本的森精机、大隈株式会社，德国的德玛吉，瑞士米克朗等，尤其是在高速、高精度等高档机床上的应用，产品涵盖车床、车铣复合、螺纹磨床及加工中心等，并取得了显著效果，在行业内引起广泛关注。

2.电磁式直线电机微纳运动系统应用关键技术问题

图5-2　一维直线电机微纳伺服驱动系统工作台结构

1—链条；2—极限开关；3—定子；4—原点；5—滑轨；6—位置回馈装置；7—动子座；8—滑块；9—读数头；10—动子；11—底座；12—挡块

图5-3　二维直线电机微纳运动工作台(www.xing528.com)

电磁式直线电机微纳运动系统结构在机床上的应用，改变了机床进给系统的结构。但其存在的固有缺陷也严重影响了直线电机优良特性的发挥，在高档机床设计应用时必须对某些关键技术问题给予足够的重视、考虑。

1）发热问题

直线电机初级损耗导致发热，而直线电机绕组就安装在机床内部导轨附近，散热困难，必将引起机床导轨的较大热变形。为此，对于直线电机微纳运动工作台，必须进行良好的热平衡结构优化设计，必要时增加冷却系统。

2）法向磁吸力问题

直线电机初级、次级间会产生垂直于进给运动方向的法向磁吸力，而齿槽效应、端部效应、磁导谐波等影响引起的波动，又造成摩擦力的波动，进而造成机床工作台水平推力的波动，最终导致机床振动和加工精度降低。因此，对于直线电机微纳驱动系统设计，必须采取有效的减小法向力的措施。一种有效的办法就是采用双边对称型结构的双直线电机驱动系统设计，或将直线电机定子、动子、直线导轨副结合起来一体化组合设计，利用法向磁吸力来实现无接触磁悬浮导轨导向，变不利为有利，减少因法向力波动引起的机床振动，进一步提高机床的加工精度。

3）边端效应问题

直线电机的纵、横向边端效应会使直线电机产生推力波动，从而影响运动精度和平稳性。因此，要对直线电机进行有效的电磁场分析，优化直线电机结构参数设计，采取各种措施尽可能降低推力波动，如合理选取永磁铁的形状和排列方式，降低永磁励磁密度，初级采用无铁芯和多级结构，增加槽的数目，加大气隙等措施。

4）隔磁、防护与制动问题

由于永磁直线同步电机次级采用永磁体，会产生较大的磁场力，这种长直、敞开式的磁场结构布置在机床工作台附近（感应式直线电机运行时如此），使得工件、切屑、工艺装备等磁性材料很容易被吸住，如果夹杂物被吸附到气隙表面，影响了气隙大小，就会引起推力波动，影响系统运动精度和稳定性。因此，必须采用有效的措施进行隔磁、防护，如在初、次级与连接板间布置尼龙等隔磁装置，减少磁场对床身及工作台的影响。同时，因直线电机较大的速度、加速度，以及断电初级、次级的无约束性，且垂直布局的直线电机驱动系统尤其存在较大的惯性冲击和安全隐患，故直线电机微纳运动系统设计时，必须考虑缓冲防撞和制动装置的设计，以免动子失控而发生危险。