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直线电机技术趋势与发展动向

   近年来,国内外直线电机的发展动向可总结为三个方面:一是向高速、高精度方面发展;二是向大推力、大容量方面发展;三是向物流设备方面发展。
1、在高速、高精度方面的发展
1.1直线电机驱动的高速、高精度现代机床
直线电机在高速、高精度方面的发展首推在现代机床业中的应用。传统机床的驱动装置依赖丝杆驱动,丝杆驱动本身就具有一系列不利因素,包括:长度限制、机械背隙、磨擦、扭曲、螺距一周期误差、较长的振动衰减时间、与电机的耦合惯量以及丝杠的轴向压缩等。所有这些因素均限制了传统驱动装置的效率和精度。当设备磨损时,必须进行不断地调节以确保所需精度。直线电机驱动技术可以保证相当高的性能水准以及比传统的将旋转运动转化为直线运动的电机驱动装置具备更高的效率和简便性,具有传统驱动装置无法达到的高速、高精度。
机床应用直线电机的优势可简单地描述为以下几点,即:
1高响应性
一般来讲,电气元器件比机械传动件的动态响应时间要小几个数量级。由于系统中取消了响应时间较大的如丝杠等机械传动件,使整个闭环伺服系统动态响应性能大大提高。
2高精度性
由于取消了丝杠等机械传动机构,因而减少了传统系统滞后所带来的跟踪误差。通过高精度直线位移传感器,进行位置检测反馈控制,大大提高机床的定位精度,其精度误差可达0.001 μm。
3高传动刚度、推力平稳
'直接驱动'提高了传动刚度,直线电动机的布局,可根据机床导轨的形面结构及其工作台运动时的受力情况来布置,通常设计成均布对称,使其运动推力平稳。
4高速度、加减速过程短
机床直线电机进给系统,能够满足60~100 m/min或更高的超高速切削进给速度。由于具有高速响应性,其加减速过程大大缩短,加速度一般可达到(2~10)g。
5行程长度不受限制
通过直线电动机的定子铺设,就可无限延长动子的行程长度。
6运行时噪声低
取消了传动丝杠等部件的机械摩擦,导轨副可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨(无机械接触),使运动噪声大大下降。
美国Ingersoll公司是知名的机床制造商,克莱斯勒汽车公司购买了它的6台HVM600卧式加工中心
,用来生产高级汽车发动机汽缸盖。该机床主轴转速20 000 r/min,X/Y/Z三轴由GEFANUC的直线电机驱动。这6台加工中心每天生产300个汽缸盖,相当于11台非直线电机驱动的加工中心的生产量。
目前,世界上最知名的机床厂家几乎无一例外地都推出了直线电机驱动的机床产品,品种覆盖了绝大多数机床类型。
国内自1995年以来也开展了直线电机在机床上的应用研究,如广东工大研发的直线感应电机驱动的GD-3型高速数控机床
进给单元,清华研究的长行程永磁直线伺服单元,北京机电院研发的直线电机驱动的加工中心,浙江大学研制的圆筒型直线电机驱动的并联机构坐标测量机和扁平永磁直线电机驱动的磨床,北京机床研究所研发的直线电机驱动的电火花成型机床,国防科大研发的活塞非圆切削中采用直线电机驱动刀具以及北航、南航与有关单位合作研发的机床等。此外,一些企业如杭州机床集团、江苏多棱数控机床股份有限公司、济南捷迈数控公司、深圳市大族激光科技股份有限公司、南京四开公司等也分别在平面磨床、激光划线机、激光切割机、雕铣机、加工中心等上采用了不同的直线电机技术,取得了较好的效果。
1.2直线电机在机床领域的发展趋势
应用机床的直线电机及驱动控制技术日趋成熟
应用机床的直线电机及驱动控制技术已日趋成熟,已具有传统传动装置无法比拟的优越性能。随着电机制造技术的改进,选择合适的直线电机及驱动控制系统,配以合理的机床设计,完全可以生产出高性能、高可靠性的机床。现在直线电机驱动进给速度100 m/min,加速度1 g~2 g的机床已很普遍,已有机床达到快进240 m/min,加速度5 g的指标(日本AMADA激光切割机)。
高加速度的直线电机传动已在加工中心、数控铣床、车床
、磨床、复合加工机床、激光加工车床及重型机床上得到广泛应用。
2直线电机驱动机床仍以高、特为主,但性价比不断看好

近年来,直线电机系统成本不断下降,在机床成本中的比重明显下跌。但目前采用直线电机驱动仍比传统的传动装置价格要高。因此,直线电机的应用仍着眼于高性能机床,特别是精密高速加工机床、特种加工机床、大型机床,解决传统传动方法不能解决的问题。

3机床应用直线电机技术渐趋产业化

直线电机在机床上的应用已不是样品。据有关资料介绍,2001年,德国 DMG公司已在28种机型上采用直线电机,年产量达1 500台(约3 000多根直线电机驱动轴),占其总产量的1/3。2003年,意大利JOBS公司LinX系列产品已占全公司总产量的60%(年产50台大型龙门加工中心和龙门铣床),并成为公司的主要利润来源。有专家预测,到2010年世界上将有20%~40%的数控机床采用直线电机进给驱动,而这些机床都是高档机床,因此其产业化前景是不言而喻的。
直线电机在机床中的应用虽然前景看好,但有些问题仍需不断解决,注意完善,才能更好地促进其应用。
1.3直线电机驱动的其它高速、高精度设备
直线电机在高速、高精度方面的发展除在机床领域外,还在其他领域也有发展,如一些要求高的过程控制系统、精密检测系统、直线伺服驱动系统等等。
美国、日本、德国、英国等世界上有几十家公司生产用于高速、高精度设备的直线伺服电机。品种、数量越来越多,性能越来越好。
2、在大推力、大容量方面的发展
近些年来,直线电机除在高速、高精度方面的发展较快以外,在大推力、大容量方面的发展也是比较快的。其应用领域如:八十年代开始在加拿大、日本、美国、马来西亚等应用的直线电机城轨交通(地铁和轻轨),现在发展很快,特别在日本和中国。应用直线电机驱动的城轨交通,其优势主要体现在以下几点,即:
同样容量,降低车体高度,减小隧道面积,成本减少,土地节约;
爬坡能力强,转弯半径小,土建减少,成本降低,选线、换乘方便;
非接触牵引,节能,噪音低;
列车加减速度快,效率高;
维护量少,运营成本低;
与传统地铁比,除机车底部有所变化外,总的建造模式基本不变;
长期的安全运行纪录。温哥华空中列车在14年的时间里安全运送乘客4.5亿人次,运行里程超过10亿公里。

日本自1990年3月,在大阪7号线采用了直线感应电机驱动的地铁,1991年在东京12号线采用直线电机驱动地铁后,神户、横滨、福冈、仙台和其它一些城市也引入直线电机地铁。我国广州地铁的4号线、5号线、6号线、7号线,有的已用,有的将要用。国内浙江大学与上海南洋电机集团合作的直线电机驱动地铁车正在调试中。

直线电机在大推力、大容量方面的发展除在地铁和轻轨的应用领域外,在磁浮交通方面的应用也是令人注目的一部分。目前一些国家在磁浮交通驱动技术方面仍在不断向前发展,如日本、德国、美国以及其他一些国家以不同的方式开展研发和推进应用。中国的沪杭磁浮交通线仍在进行工作。
直线电机在大推力、大容量方面的发展还体现在诸如油田抽油机类的大型设备上,其中油田采用直线电机驱动的抽油机比传统的抽油机在同样时间内抽取同样油量时,可节电20%~40%。此外,大推力、大容量直线电机还在大型化工设备、建筑设备以及其他大型工业、民用设备中得到应用,效果明显。
3、在物流设备方面的发展
在现代化的大规模生产过程之中,物流技术已经被提到了前所未有的高度,而物流设备的先进与否将直接影响到物流技术的发展。现代物流业发展的一个鲜明的特点是以现代先进的驱动技术、自动化技术、信息技术等为代表的高新技术的应用。发达国家企业的物流设备占项目总投资的比例一般都在20%以上,从而使得物流设备不断地改进发展,其中由直线电机驱动的物流传输设备代表了现代先进物流传输技术的一种应用和一种潮流。一些发达国家(如美国、日本、德国、法国、意大利、丹麦等),在物流传输领域,如机场行包输送,邮政自动化分拣、报刊书籍配送中心,工厂流水线等系统中,已基本实现了自动化。这些设备普遍采用具有国际领先水平的直线电机作为驱动系统,适应多批量灵活安排的需求,代表着目前世界物流传输技术的发展水平。
直线电机在各种物料传输和搬运方面具有独特的优势。主要体现在结构简单、运行可靠、成本低、效率与智能化程度高等。目前在垂直传输方面如直线电机电梯、升降机;在平面传输方面如邮政包件分拣传输线,各种行李分拣传输线,钢材生产传输线,电气、电子、机械加工生产线,食品加工线,制药生产线等各种工业加工线和各种检测线;还有商场、医院等场合的物料传输、搬运以及立体仓库的搬运,汽车库的搬运调度等等,不一而举。

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