國內(nèi)外直線電機發(fā)展動向與技術(shù)趨勢

    一、國內(nèi)外直線電機的發(fā)展動向
    近些年來，國內(nèi)外直線電機的發(fā)展動向可總結(jié)為三個方面，即：一是向高速、高精度方面發(fā)展；二是向大推力、大容量方面發(fā)展；三是向物流設備方面發(fā)展。
    1、在高速、高精度方面的發(fā)展
    1.1直線電機驅(qū)動的高速、高精度現(xiàn)代機床
    直線電機在高速、高精度方面的發(fā)展首推在現(xiàn)代機床業(yè)中的應用。傳統(tǒng)機床的驅(qū)動裝置依賴絲桿驅(qū)動，絲桿驅(qū)動本身就具有一系列不利因素，包括：長度限制、機械背隙、磨擦、扭曲、螺距一周期誤差、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。所有這些因素均限制了傳統(tǒng)驅(qū)動裝置的效率和精度。當設備磨損時，必須進行不斷地調(diào)節(jié)以確保所需精度。直線電機驅(qū)動技術(shù)可以保證相當高的性能水準以及比傳統(tǒng)的將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動的電機驅(qū)動裝置具備更高的效率和簡便性，具有傳統(tǒng)驅(qū)動裝置無法達到的高速、高精度。
    機床應用直線電機的優(yōu)勢可簡單地描述為以下幾點，即：
     1）高響應性
    一般來講，電氣元器件比機械傳動件的動態(tài)響應時間要小幾個數(shù)量級。由于系統(tǒng)中取消了響應時間較大的如絲杠等機械傳動件，使整個閉環(huán)伺服系統(tǒng)動態(tài)響應性能大大提高。
    2）高精度性
    由于取消了絲杠等機械傳動機構(gòu)，因而減少了傳統(tǒng)系統(tǒng)滯后所帶來的跟蹤誤差。通過高精度直線位移傳感器，進行位置檢測反饋控制，大大提高機床的定位精度，其精度誤差可達0.001 μm。
    3）高傳動剛度、推力平穩(wěn)
    “直接驅(qū)動”提高了傳動剛度，直線電動機的布局，可根據(jù)機床導軌的形面結(jié)構(gòu)及其工作臺運動時的受力情況來布置，通常設計成均布對稱，使其運動推力平穩(wěn)。
    4）高速度、加減速過程短
    機床直線電機進給系統(tǒng)，能夠滿足60～100 m／min或更高的超高速切削進給速度。由于具有高速響應性，其加減速過程大大縮短，加速度一般可達到(2～10)g。
    5）行程長度不受限制
    通過直線電動機的定子鋪設，就可無限延長動子的行程長度。
    6）運行時噪聲低
    取消了傳動絲杠等部件的機械摩擦，導軌副可采用滾動導軌或磁墊懸浮導軌（無機械接觸），使運動噪聲大大下降。
    美國Ingersoll公司是知名的機床制造商，克萊斯勒汽車公司購買了它的6臺HVM600臥式加工中心，用來生產(chǎn)高級汽車發(fā)動機汽缸蓋。該機床主軸轉(zhuǎn)速20 000 r／min，X／Y／Z三軸由GEFANUC的直線電機驅(qū)動。這6臺加工中心每天生產(chǎn)300個汽缸蓋，相當于11臺非直線電機驅(qū)動的加工中心的生產(chǎn)量。
目前，世界上最知名的機床廠家?guī)缀鯚o一例外地都推出了直線電機驅(qū)動的機床產(chǎn)品，品種覆蓋了絕大多數(shù)機床類型。
    國內(nèi)自1995年以來也開展了直線電機在機床上的應用研究，如廣東工大研發(fā)的直線感應電機驅(qū)動的GD-3型高速數(shù)控機床進給單元，清華研究的長行程永磁直線伺服單元，北京機電院研發(fā)的直線電機驅(qū)動的加工中心，浙江大學研制的圓筒型直線電機驅(qū)動的并聯(lián)機構(gòu)坐標測量機和扁平永磁直線電機驅(qū)動的磨床，北京機床研究所研發(fā)的直線電機驅(qū)動的電火花成型機床，國防科大研發(fā)的活塞非圓切削中采用直線電機驅(qū)動刀具以及北航、南航與有關單位合作研發(fā)的機床等。此外，一些企業(yè)如杭州機床集團、江蘇多棱數(shù)控機床股份有限公司、濟南捷邁數(shù)控公司、深圳市大族激光科技股份有限公司、南京四開公司等也分別在平面磨床、激光劃線機、激光切割機、雕銑機、加工中心等上采用了不同的直線電機技術(shù)，取得了較好的效果。
    1.2直線電機在機床領域的發(fā)展趨勢
    1）應用機床的直線電機及驅(qū)動控制技術(shù)日趨成熟
    應用機床的直線電機及驅(qū)動控制技術(shù)已日趨成熟，已具有傳統(tǒng)傳動裝置無法比擬的優(yōu)越性能。隨著電機制造技術(shù)的改進，選擇合適的直線電機及驅(qū)動控制系統(tǒng)，配以合理的機床設計，完全可以生產(chǎn)出高性能、高可靠性的機床。現(xiàn)在直線電機驅(qū)動進給速度100 m／min，加速度1 g～2 g的機床已很普遍，已有機床達到快進240 m／min，加速度5 g的指標（日本AMADA激光切割機）。
高加速度的直線電機傳動已在加工中心、數(shù)控銑床、車床、磨床、復合加工機床、激光加工機床及重型機床上得到廣泛應用。
    2）直線電機驅(qū)動機床仍以高、特為主，但性價比不斷看好
    近年來，直線電機系統(tǒng)成本不斷下降，在機床成本中的比重明顯下跌。但目前采用直線電機驅(qū)動仍比傳統(tǒng)的傳動裝置價格要高。因此，直線電機的應用仍著眼于高性能機床，特別是精密高速加工機床、特種加工機床、大型機床，解決傳統(tǒng)傳動方法不能解決的問題。
    3）機床應用直線電機技術(shù)漸趨產(chǎn)業(yè)化
    直線電機在機床上的應用已不是樣品。據(jù)有關資料介紹，2001年，德國 DMG公司已在28種機型上采用直線電機，年產(chǎn)量達1 500臺(約3 000多根直線電機驅(qū)動軸)，占其總產(chǎn)量的1／3。2003年，意大利JOBS公司LinX系列產(chǎn)品已占全公司總產(chǎn)量的60％(年產(chǎn)50臺大型龍門加工中心和龍門銑床)，并成為公司的主要利潤來源。有專家預測，到2010年世界上將有20％~40％的數(shù)控機床采用直線電機進給驅(qū)動，而這些機床都是高檔機床，因此其產(chǎn)業(yè)化前景是不言而喻的。
    直線電機在機床中的應用雖然前景看好，但有些問題仍需不斷解決，注意完善，才能更好地促進其應用。
    1.3直線電機驅(qū)動的其它高速、高精度設備
    直線電機在高速、高精度方面的發(fā)展除在機床領域外，還在其他領域也有發(fā)展，如一些要求高的過程控制系統(tǒng)、精密檢測系統(tǒng)、直線伺服驅(qū)動系統(tǒng)等等。
美國、日本、德國、英國等世界上有幾十家公司生產(chǎn)用于高速、高精度設備的直線伺服電機。品種、數(shù)量越來越多，性能越來越好。
    2、在大推力、大容量方面的發(fā)展
    近些年來，直線電機除在高速、高精度方面的發(fā)展較快以外，在大推力、大容量方面的發(fā)展也是比較快的。其應用領域如：八十年代開始在加拿大、日本、美國、馬來西亞等應用的直線電機城軌交通(地鐵和輕軌)，現(xiàn)在發(fā)展很快，特別在日本和中國。應用直線電機驅(qū)動的城軌交通，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點，即：
1）同樣容量，降低車體高度，減小隧道面積，成本減少，土地節(jié)約；
2）爬坡能力強，轉(zhuǎn)彎半徑小，土建減少，成本降低，選線、換乘方便；
3）非接觸牽引，節(jié)能，噪音低；
4）列車加減速度快，效率高；
5）維護量少，運營成本低；
6）與傳統(tǒng)地鐵比，除機車底部有所變化外，總的建造模式基本不變；
7）長期的安全運行紀錄。溫哥華空中列車在14年的時間里安全運送乘客4.5億人次，運行里程超過10億公里。
    日本自1990年3月，在大阪7號線采用了直線感應電機驅(qū)動的地鐵，1991年在東京12號線采用直線電機驅(qū)動地鐵后，神戶、橫濱、福岡、仙臺和其它一些城市也引入直線電機地鐵。我國廣州地鐵的4號線、5號線、6號線、7號線，有的已用，有的將要用。國內(nèi)浙江大學與上海南洋電機集團合作的直線電機驅(qū)動地鐵車正在調(diào)試中。
    直線電機在大推力、大容量方面的發(fā)展除在地鐵和輕軌的應用領域外，在磁浮交通方面的應用也是令人注目的一部分。目前一些國家在磁浮交通驅(qū)動技術(shù)方面仍在不斷向前發(fā)展，如日本、德國、美國以及其他一些國家以不同的方式開展研發(fā)和推進應用。中國的滬杭磁浮交通線仍在進行工作。
    直線電機在大推力、大容量方面的發(fā)展還體現(xiàn)在諸如油田抽油機類的大型設備上，其中油田采用直線電機驅(qū)動的抽油機比傳統(tǒng)的抽油機在同樣時間內(nèi)抽取同樣油量時，可節(jié)電20％~40％。此外，大推力、大容量直線電機還在大型化工設備、建筑設備以及其他大型工業(yè)、民用設備中得到應用，效果明顯。
    3、在物流設備方面的發(fā)展
    在現(xiàn)代化的大規(guī)模生產(chǎn)過程之中，物流技術(shù)已經(jīng)被提到了前所未有的高度，而物流設備的先進與否將直接影響到物流技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)代物流業(yè)發(fā)展的一個鮮明的特點是以現(xiàn)代先進的驅(qū)動技術(shù)、自動化技術(shù)、信息技術(shù)等為代表的高新技術(shù)的應用。發(fā)達國家企業(yè)的物流設備占項目總投資的比例一般都在20％以上，從而使得物流設備不斷地改進發(fā)展，其中由直線電機驅(qū)動的物流傳輸設備代表了現(xiàn)代先進物流傳輸技術(shù)的一種應用和一種潮流。一些發(fā)達國家（如美國、日本、德國、法國、意大利、丹麥等），在物流傳輸領域，如機場行包輸送，郵政自動化分揀、報刊書籍配送中心，工廠流水線等系統(tǒng)中，已基本實現(xiàn)了自動化。這些設備普遍采用具有國際領先水平的直線電機作為驅(qū)動系統(tǒng)，適應多批量靈活安排的需求，代表著目前世界物流傳輸技術(shù)的發(fā)展水平。
    直線電機在各種物料傳輸和搬運方面具有獨特的優(yōu)勢。主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、成本低、效率與智能化程度高等。目前在垂直傳輸方面如直線電機電梯、升降機；在平面?zhèn)鬏敺矫嫒玎]政包件分揀傳輸線，各種行李分揀傳輸線，鋼材生產(chǎn)傳輸線，電氣、電子、機械加工生產(chǎn)線，食品加工線，制藥生產(chǎn)線等各種工業(yè)加工線和各種檢測線；還有商場、醫(yī)院等場合的物料傳輸、搬運以及立體倉庫的搬運，汽車庫的搬運調(diào)度等等，不一而舉。
    二、國內(nèi)外直線電機的技術(shù)趨勢
    1、電機本體的技術(shù)趨勢
    1）直線感應電機技術(shù)向大容量方面發(fā)展(如交通、物流業(yè)等)；
    2）直線永磁同步電機向高精度方面發(fā)展(如機床、自動化業(yè)等)；
    3）直線永磁電機技術(shù)發(fā)展迅猛；
    4）直線伺服電機技術(shù)將會有大的發(fā)展；
    5）直線振蕩電機與非電磁類直線電機技術(shù)的發(fā)展看好。
    2、電機控制技術(shù)趨勢
    1）直線感應電機的控制仍然以矢量控制為主；
    2）直線永磁同步電機向直接轉(zhuǎn)距控制技術(shù)方向發(fā)展；
    3）無位置傳感器技術(shù)正在得到人們的重視。

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