國內外直線電機發展動向與技術趨勢

    一、國內外直線電機的發展動向
    近些年來，國內外直線電機的發展動向可總結為三個方面，即：一是向高速、高精度方面發展；二是向大推力、大容量方面發展；三是向物流設備方面發展。
    1、在高速、高精度方面的發展
    1.1直線電機驅動的高速、高精度現代工具機
    直線電機在高速、高精度方面的發展首推在現代工具機業中的應用。傳統工具機的驅動裝置依賴絲杆驅動，絲杆驅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槓的軸向壓縮等。所有這些因素均限制了傳統驅動裝置的效率和精度。當設備磨損時，必須進行不斷地調節以確保所需精度。直線電機驅動技術可以保證相當高的性能水準以及比傳統的將旋轉運動轉化為直線運動的電機驅動裝置具備更高的效率和簡便性，具有傳統驅動裝置無法達到的高速、高精度。
    工具機應用直線電機的優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響應時間要小几個數量級。由於系統中取消了響應時間較大的如絲槓等機械傳動件，使整個閉環伺服系統動態響應性能大大提高。
    2）高精度性
    由於取消了絲槓等機械傳動機構，因而減少了傳統系統滯後所帶來的跟蹤誤差。通過高精度直線位移傳感器，進行位置檢測反饋控制，大大提高工具機的定位精度，其精度誤差可達0.001 μm。
    3）高傳動剛度、推力平穩
    「直接驅動」提高了傳動剛度，直線電動機的布局，可根據工具機導軌的形面結構及其工作檯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。
    4）高速度、加減速過程短
    工具機直線電機進給系統，能夠滿足60～100 m／min或更高的超高速切削進給速度。由於具有高速響應性，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
    取消了傳動絲槓等部件的機械摩擦，導軌副可採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公司是知名的工具機製造商，克萊斯勒汽車公司購買了它的6台HVM600臥式加工中心，用來生產高級汽車發動機汽缸蓋。該工具機主軸轉速20 000 r／min，X／Y／Z三軸由GEFANUC的直線電機驅動。這6台加工中心每天生產300個汽缸蓋，相當於11台非直線電機驅動的加工中心的生產量。
目前，世界上最知名的工具機廠家幾乎無一例外地都推出了直線電機驅動的工具機產品，品種覆蓋了絕大多數工具機類型。
    國內自1995年以來也開展了直線電機在工具機上的應用研究，如廣東工大研發的直線感應電機驅動的GD-3型高速數控工具機進給單元，清華研究的長行程永磁直線伺服單元，北京機電院研發的直線電機驅動的加工中心，浙江大學研製的圓筒型直線電機驅動的並聯機構坐標測量機和扁平永磁直線電機驅動的磨床，北京工具機研究所研發的直線電機驅動的電火花成型工具機，國防科大研發的活塞非圓切削中採用直線電機驅動刀具以及北航、南航與有關單位合作研發的工具機等。此外，一些企業如杭州工具機集團、江蘇多棱數控工具機股份有限公司、濟南捷邁數控公司、深圳市大族雷射科技股份有限公司、南京四開公司等也分別在平面磨床、雷射劃線機、雷射切割機、雕銑機、加工中心等上採用了不同的直線電機技術，取得了較好的效果。
    1.2直線電機在工具機領域的發展趨勢
    1）應用工具機的直線電機及驅動控制技術日趨成熟
    應用工具機的直線電機及驅動控制技術已日趨成熟，已具有傳統傳動裝置無法比擬的優越性能。隨著電機製造技術的改進，選擇合適的直線電機及驅動控制系統，配以合理的工具機設計，完全可以生產出高性能、高可靠性的工具機。現在直線電機驅動進給速度100 m／min，加速度1 g～2 g的工具機已很普遍，已有工具機達到快進240 m／min，加速度5 g的指標（日本AMADA雷射切割機）。
高加速度的直線電機傳動已在加工中心、數控銑床、車床、磨床、複合加工工具機、雷射加工工具機及重型工具機上得到廣泛應用。
    2）直線電機驅動工具機仍以高、特為主，但性價比不斷看好
    近年來，直線電機系統成本不斷下降，在工具機成本中的比重明顯下跌。但目前採用直線電機驅動仍比傳統的傳動裝置價格要高。因此，直線電機的應用仍著眼於高性能工具機，特別是精密高速加工工具機、特種加工工具機、大型工具機，解決傳統傳動方法不能解決的問題。
    3）工具機應用直線電機技術漸趨產業化
    直線電機在工具機上的應用已不是樣品。據有關資料介紹，2001年，德國 DMG公司已在28種機型上採用直線電機，年產量達1 500台(約3 000多根直線電機驅動軸)，占其總產量的1／3。2003年，義大利JOBS公司LinX系列產品已占全公司總產量的60％(年產50台大型龍門加工中心和龍門銑床)，並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％的數控工具機採用直線電機進給驅動，而這些工具機都是高檔工具機，因此其產業化前景是不言而喻的。
    直線電機在工具機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、高精度方面的發展除在工具機領域外，還在其他領域也有發展，如一些要求高的過程控制系統、精密檢測系統、直線伺服驅動系統等等。
美國、日本、德國、英國等世界上有幾十家公司生產用於高速、高精度設備的直線伺服電機。品種、數量越來越多，性能越來越好。
    2、在大推力、大容量方面的發展
    近些年來，直線電機除在高速、高精度方面的發展較快以外，在大推力、大容量方面的發展也是比較快的。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)，現在發展很快，特別在日本和中國。應用直線電機驅動的城軌交通，其優勢主要體現在以下幾點，即：
1）同樣容量，降低車體高度，減小隧道面積，成本減少，土地節約；
2）爬坡能力強，轉彎半徑小，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年的時間裡安全運送乘客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號線採用了直線感應電機驅動的地鐵，1991年在東京12號線採用直線電機驅動地鐵後，神戶、橫濱、福岡、仙台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。國內浙江大學與上海南洋電機集團合作的直線電機驅動地鐵車正在調試中。
    直線電機在大推力、大容量方面的發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動技術方面仍在不斷向前發展，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、大容量方面的發展還體現在諸如油田抽油機類的大型設備上，其中油田採用直線電機驅動的抽油機比傳統的抽油機在同樣時間內抽取同樣油量時，可節電20％~40％。此外，大推力、大容量直線電機還在大型化工設備、建築設備以及其他大型工業、民用設備中得到應用，效果明顯。
    3、在物流設備方面的發展
    在現代化的大規模生產過程之中，物流技術已經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的發展。現代物流業發展的一個鮮明的特點是以現代先進的驅動技術、自動化技術、信息技術等為代表的高新技術的應用。已開發國家企業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展，其中由直線電機驅動的物流傳輸設備代表了現代先進物流傳輸技術的一種應用和一種潮流。一些已開發國家（如美國、日本、德國、法國、義大利、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，工廠流水線等系統中，已基本實現了自動化。這些設備普遍採用具有國際領先水平的直線電機作為驅動系統，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的發展水平。
    直線電機在各種物料傳輸和搬運方面具有獨特的優勢。主要體現在結構簡單、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；在平面傳輸方面如郵政包件分揀傳輸線，各種行李分揀傳輸線，鋼材生產傳輸線，電氣、電子、機械加工生產線，食品加工線，製藥生產線等各種工業加工線和各種檢測線；還有商場、醫院等場合的物料傳輸、搬運以及立體倉庫的搬運，汽車庫的搬運調度等等，不一而舉。
    二、國內外直線電機的技術趨勢
    1、電機本體的技術趨勢
    1）直線感應電機技術向大容量方面發展(如交通、物流業等)；
    2）直線永磁同步電機向高精度方面發展(如工具機、自動化業等)；
    3）直線永磁電機技術發展迅猛；
    4）直線伺服電機技術將會有大的發展；
    5）直線振盪電機與非電磁類直線電機技術的發展看好。
    2、電機控制技術趨勢
    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距控制技術方向發展；
    3）無位置傳感器技術正在得到人們的重視。

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