深圳市大族電機(jī)科技有限公司 王光能

一、前言

直驅(qū)電機(jī)理論早已在19世紀(jì)末就已經(jīng)出現(xiàn)，但是直至20世紀(jì)50年代中期，直驅(qū)電機(jī)的理論和應(yīng)用才得到了快速發(fā)展。至90年代中期，世界上已經(jīng)有多家公司制造出直驅(qū)電機(jī)傳動(dòng)裝置，并率先在高速機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。我國對直驅(qū)電機(jī)的研究和應(yīng)用開始于20世紀(jì)70年代，限于磁性材料、控制技術(shù)、冷卻方法等限制，大規(guī)模應(yīng)用一直較為緩慢。近年來，中國步入先進(jìn)制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展與升級階段，2002年上海磁懸浮列車的開通，標(biāo)志直驅(qū)技術(shù)在中國的研究、應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)入到一個(gè)新的階段，并逐步縮小與世界領(lǐng)先水平之間的差距。

二、直驅(qū)的分類及其特點(diǎn)

直接驅(qū)動(dòng)就是在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制下將直驅(qū)電機(jī)(直線電機(jī)或力矩電機(jī))直接連接到負(fù)載上，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的直接驅(qū)動(dòng)。采用此種結(jié)構(gòu)，所有機(jī)械傳動(dòng)部件 (滾珠絲杠副、齒條與齒輪、傳動(dòng)皮帶/皮帶輪以及齒輪箱等)均被取消，消除了由機(jī)械傳動(dòng)帶來的反向間隙、柔度以及與之相關(guān)的其它問題。

現(xiàn)代傳動(dòng)系統(tǒng)正向高精密、高速、復(fù)合、智能、環(huán)保的方向發(fā)展，要求更高的動(dòng)態(tài)特性和控制精度、更高的加速度、更低的振動(dòng)噪音和更低的磨損。傳統(tǒng)的傳動(dòng)鏈雖然通過不斷的改進(jìn)使傳動(dòng)系統(tǒng)性能提高，但只有“直接驅(qū)動(dòng)”取消了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，才能使傳動(dòng)系統(tǒng)性能實(shí)現(xiàn)革命性突破。直驅(qū)技術(shù)被國外工業(yè)界稱之為現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)技術(shù)中的先進(jìn)方法和技術(shù)，被越來越多地應(yīng)用到各行業(yè)中。

直驅(qū)技術(shù)主要分為直驅(qū)式直線電機(jī) (DDL)和直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)電機(jī) (DDR)及其控制系統(tǒng)，作為直驅(qū)技術(shù)最主要和關(guān)鍵的部分即為直驅(qū)式直線電機(jī) (DDL)和直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)電機(jī) (DDR)，它不是簡單地將旋轉(zhuǎn)電機(jī)或直線電機(jī)搬到系統(tǒng)中去，而是要將這兩種電機(jī)根據(jù)不同的系統(tǒng)和工況進(jìn)行系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1.直驅(qū)式直線電機(jī) (DDL)的主要特點(diǎn)

DDL電機(jī)可分為直線感應(yīng)電機(jī)，直線永磁平板電機(jī)，直線永磁U型電機(jī)，音圈電機(jī)等。圖1、圖2、圖3、圖4分別是大族電機(jī)生產(chǎn)的直線電機(jī)。

圖1 平板直線電機(jī)

圖2 U型直線電機(jī)

圖3 直線感應(yīng)電機(jī)

圖4 音圈電機(jī)

總的說來，DDL電機(jī)的主要特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面:

(1)可以實(shí)現(xiàn)更快的速度和更高的加速度。

(2)消除了反向間隙及中間環(huán)節(jié)帶來的不利影響，可以實(shí)現(xiàn)更高精度 (可達(dá)到納米級)，使得機(jī)構(gòu)的定位更加快速和精準(zhǔn)。

(3)省去了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。

(4)直線電機(jī)的動(dòng)子和定子之間不存在機(jī)械磨損;通過合理的設(shè)計(jì)配置導(dǎo)軌和基座，精度可在使用壽命內(nèi)持久保持;除運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌部分需要定期潤滑維護(hù)外，其他部件幾乎不需要維護(hù)。

(5)允許更大的行程。

(6)平臺可以適用于潔凈環(huán)境，運(yùn)動(dòng)時(shí)安靜。

我們用滾珠絲杠系統(tǒng)來進(jìn)行對比描述，由于滾珠絲杠系統(tǒng)的組成元件多 (伺服電機(jī)、傳動(dòng)齒輪、絲杠、滾珠、螺母、支架等)，傳動(dòng)鏈長，滾珠絲杠又是一種細(xì)而長的非剛性傳動(dòng)元件，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度要求較高時(shí)，由于滾珠絲杠傳動(dòng)慣量大、扭矩剛度低、傳動(dòng)誤差大、摩擦磨損嚴(yán)重、彈性變形引起爬行、反向間隙引起非線性誤差等一系列問題，從而影響運(yùn)動(dòng)平臺的動(dòng)態(tài)性能。

表1對兩者進(jìn)行了一個(gè)簡單比較:

表1 直線電機(jī)系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)的比較

2.直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)電機(jī) (DDR)的主要特點(diǎn)

DDR電機(jī)可分為有框架力矩電機(jī)及無框架力矩電機(jī)兩大類。圖5、圖6、圖7分別是大族電機(jī)生產(chǎn)的DDR電機(jī):

DDR電機(jī)的主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):

圖5 有框架內(nèi)轉(zhuǎn)子力矩電機(jī)

圖6 有框架外轉(zhuǎn)子力矩電機(jī)

圖7 無框架力矩電機(jī)

(1)負(fù)載直接安裝于電機(jī)上，直接的力延伸——沒有機(jī)械傳遞，帶來了間接傳動(dòng)方式無法達(dá)到的性能指標(biāo)。

(2)免維護(hù)驅(qū)動(dòng)——電機(jī)上沒有損耗件或維護(hù)件。

(3)高動(dòng)態(tài)和良好的驅(qū)動(dòng)控制質(zhì)量。

(4)消除傳動(dòng)部分的誤差、克服轉(zhuǎn)動(dòng)擾動(dòng)，有效消除機(jī)械共振，實(shí)現(xiàn)高剛度，高精度，高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

(5)提高了機(jī)器的可靠性，減少了維護(hù)時(shí)間和開銷。

(6)簡化機(jī)械設(shè)計(jì)，簡單安裝和拆卸。

(7)起動(dòng)、堵轉(zhuǎn)力矩大。

(8)改善系統(tǒng)動(dòng)平衡，避免振動(dòng)和噪聲。

3.直驅(qū)技術(shù)在機(jī)床中的應(yīng)用優(yōu)勢

直驅(qū)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，無接觸運(yùn)行，噪聲低，速度和精確度高，控制容易，維護(hù)方便，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。隨著超高速切削、超精密加工等先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展，對機(jī)床各項(xiàng)性能提出了越來越高的要求。盡管當(dāng)前世界先進(jìn)的交直流旋轉(zhuǎn)電機(jī)伺服系統(tǒng)性能已大有改進(jìn)，但由于受到傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu) (即旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠)進(jìn)給傳動(dòng)方式的限制，有關(guān)伺服性能指標(biāo)難以得到突破性提高。隨著微電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，直驅(qū)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)迅速成為機(jī)床驅(qū)動(dòng)的新趨勢，國際機(jī)床行業(yè)掀起了直驅(qū)電機(jī)熱。

直驅(qū)電機(jī)具有高推力、高速、高精度、平滑進(jìn)給運(yùn)動(dòng)等特性。機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)采用直驅(qū)電機(jī)與原旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)方式的最大區(qū)別是:取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺之間的機(jī)械中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)。即把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長度縮短為零。直接驅(qū)動(dòng)避免了絲杠傳動(dòng)中的反向間隙、慣性、磨擦力和剛性不足等缺點(diǎn)，帶來了原旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。

直驅(qū)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，將引起機(jī)床行業(yè)的傳統(tǒng)進(jìn)給機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生變革。通過先進(jìn)的電氣控制，不僅簡化了進(jìn)給機(jī)械結(jié)構(gòu)，更重要的是使機(jī)床的性能指標(biāo)得到很大提高。目前，世界上最知名的機(jī)床廠家?guī)缀鯚o一例外地都推出了采用直驅(qū)技術(shù)的機(jī)床產(chǎn)品，品種覆蓋了絕大多數(shù)機(jī)床類型。

采用直驅(qū)技術(shù)設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)功能部件，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、精度高、速度快，是三軸數(shù)控機(jī)床向高檔五軸數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)鍵功能部件。

三、直驅(qū)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

1.直驅(qū)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

從近年來國際上的發(fā)展?fàn)顩r來看，直驅(qū)電機(jī)技術(shù)主要掌握在少數(shù)直驅(qū)電機(jī)和伺服控制裝置制造商手中，而科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)的參與則相對較少。

目前全球直驅(qū)電機(jī)市場，基本被國外巨頭所壟斷，GE、博世、西門子等公司下屬均設(shè)有直驅(qū)電機(jī)公司。在國內(nèi)僅有少數(shù)企業(yè)能夠系統(tǒng)地完成工藝要求，技術(shù)多來自于高校，其中哈爾濱泰富公司成功在美國納斯達(dá)克上市，主要研制直線感應(yīng)電機(jī)。另一家是上市公司大族激光的子公司大族電機(jī)科技有限公司，主要研制永磁同步直線電機(jī)、DDR、驅(qū)動(dòng)器及工業(yè)機(jī)器人等產(chǎn)品。國內(nèi)對直驅(qū)電機(jī)的了解，多來自于對進(jìn)口生產(chǎn)設(shè)備的研究，發(fā)現(xiàn)其核心部件正是一套直驅(qū)電機(jī)組。越來越多的國內(nèi)企業(yè)，進(jìn)入到直驅(qū)電機(jī)的研發(fā)與生產(chǎn)，行業(yè)需求和市場規(guī)模也越來越大。

2.直驅(qū)電機(jī)伺服控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

直驅(qū)伺服電機(jī)和旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)相比，伺服控制的難度大，要求高。主要表現(xiàn)為以下幾方面:

(1)直驅(qū)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)是直接驅(qū)動(dòng)。

(2)位置環(huán)增益高。

(3)進(jìn)給速度、加速度高。

(4)直線電機(jī)存在端部效應(yīng)。

為解決直接驅(qū)動(dòng)直驅(qū)電機(jī)的伺服控制問題，人們作出了許多努力。美國Anorad公司和德國Siemens公司合作，采用Siemens公司的SINUMERIK 840D CNC系統(tǒng)和SIMODRIVE 611D交流伺服系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)Anorad公司的LFB－S－6型永磁直線電機(jī)，為此，他們專門定義了CNC和伺服系統(tǒng)與直線電機(jī)的性能和接口特性。德國Indramat公司在其數(shù)字化智能直線電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器中引進(jìn)了先進(jìn)的國際化、開放式SERCOS(Serial Real-time Communication System)接口標(biāo)準(zhǔn)，使得位置閉環(huán)控制在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部完成。清華大學(xué)采用基于重復(fù)控制的非線性PID控制方法，獲得了更高的位置伺服精度和魯棒性。沈陽工業(yè)大學(xué)采用基于擾動(dòng)觀察器的加速度控制方法，以及采用滑模觀察器的無傳感器控制方法，實(shí)現(xiàn)對直線電機(jī)參數(shù)變化和負(fù)載擾動(dòng)的魯棒控制。

3.國內(nèi)外直驅(qū)技術(shù)主流供應(yīng)商

目前直驅(qū)技術(shù)主流供應(yīng)商主要集中在德國、美國、日本等發(fā)達(dá)國家，國內(nèi)生產(chǎn)直驅(qū)電機(jī)的公司也在快速增加。

德國直驅(qū)產(chǎn)品供應(yīng)商主要有:SIEMENS、LUST、REXROTH、IDAM等。

美國直驅(qū)產(chǎn)品供應(yīng)商主要有:DANAHER、PARKER、BALDOR、AEROTECH、ANORAD等。

日本直驅(qū)產(chǎn)品供應(yīng)商主要有:YKOGAWA、CKD、SHINKO、YASKAWA、FANUC、SODICK等。

瑞士直驅(qū)產(chǎn)品供應(yīng)商主要有:ETEL等。

新加坡直驅(qū)產(chǎn)品供應(yīng)商主要有:AKRIBIS等。

中國臺灣直驅(qū)產(chǎn)品供應(yīng)商主要有:HIWIN等。

中國內(nèi)陸直驅(qū)產(chǎn)品供應(yīng)商主要有:大族電機(jī)、華日精密激光、同日、泰富、一派、美新等。

四、直驅(qū)技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用

1.在數(shù)控加工方面的應(yīng)用

近幾年，國際上在數(shù)控機(jī)床中采用直驅(qū)技術(shù)已成為熱點(diǎn)。直驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，精度可以是絲桿的10倍甚至100倍，加速度可以是傳統(tǒng)機(jī)床的20倍以上。

早在1996年，日本SODICK公司就開始在電火花成形機(jī)上采用直線電機(jī)技術(shù)，他們自行研制了專用的直線電機(jī)技術(shù)及與其相配的NC系統(tǒng);1999年投放市場時(shí)，不僅二軸，還有X、Y、Z三軸均采用了直驅(qū)技術(shù)。目前在直驅(qū)技術(shù)日益成熟的條件下，國際主流機(jī)床廠商迅速推出采用直驅(qū)技術(shù)的機(jī)床產(chǎn)品，而且其應(yīng)用水平的提升呈加速趨勢。處于世界機(jī)床產(chǎn)銷量前幾位的 DMG、MAZAK、森精機(jī)等公司均開始大量改用直驅(qū)功能部件。DMG在其主流萬能車床產(chǎn)品體系CTX gamma系列車削中心中，采用力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的單擺角銑頭。MAZAK也開發(fā)出應(yīng)用于龍門加工中心的直驅(qū)雙擺角銑頭。森精機(jī)在NT系列復(fù)合加工機(jī)床上采用力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的擺角銑頭;在NMV系列加工中心采用力矩電機(jī)作為轉(zhuǎn)臺驅(qū)動(dòng)。FANUC公司的納米級的ROBONANO系列加工中心直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)均采用直驅(qū)技術(shù)。德國F.Zimmerman公司不僅提供機(jī)床和直驅(qū)擺角銑頭產(chǎn)品，還擁有3旋轉(zhuǎn)座標(biāo)擺角銑頭的專利。同時(shí)國際上還產(chǎn)生了一批專業(yè)從事直驅(qū)功能部件的制造商，如德國的CYTEC和KSL為機(jī)床廠配套直驅(qū)轉(zhuǎn)臺和擺角銑頭產(chǎn)品。除一般機(jī)床、加工中心采用直驅(qū)技術(shù)外，其他機(jī)床，如磨床、鋸床、激光切割機(jī)、等離子切割機(jī)、坐標(biāo)測量機(jī)等機(jī)床設(shè)備上，也采用了直驅(qū)技術(shù)。

德國DMG公司的DMC系列五軸立式加工中心，X、Y、Z三個(gè)直線軸采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，2個(gè)回轉(zhuǎn)軸 (A軸、C軸)采用力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，快速行程90m/min(見圖8)。

圖8 德國DMG公司的DMC系列五軸立式加工中心

普瑞瑪激光切割機(jī)可加工范圍3000mm×1500mm，最大定位速度每分鐘140m，發(fā)生器功率2500W、3000W及4000W，最大加速度6g(見圖9)。

圖9 普瑞瑪激光切割機(jī)

日本森精機(jī)的復(fù)合加工機(jī)NTX系列最大車削直徑可達(dá)φ610mm，最大車削長度1540mm，如圖10所示。MAZAK的五軸加工中心如圖11所示。

圖10 日本森精機(jī)復(fù)合加工機(jī)NTX系列

圖11 MAZAK的五軸加工中心

我國一些機(jī)床廠也已研制了采用直驅(qū)電機(jī)技術(shù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床樣機(jī)。秦川機(jī)床廠的YK7432B數(shù)控剃齒刀磨齒機(jī)使用了大族電機(jī)自主研發(fā)制作的DDR電機(jī)，如圖12所示。YK7432B數(shù)控剃齒刀磨齒機(jī)是在YK7432A的基礎(chǔ)上改進(jìn)而形成的，采用直驅(qū)技術(shù)進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)形成展成，分度驅(qū)動(dòng)，具有更高的工作精度和磨削效率。YK7432B數(shù)控剃齒刀磨齒機(jī)主要用于磨削普通剃齒刀，徑向剃齒刀，也可磨削插齒刀，跳齒插齒刀以及標(biāo)準(zhǔn)齒輪的漸開線表面，本機(jī)床主要用戶對象是汽車、拖拉機(jī)、航空、機(jī)床以及工具制造等工業(yè)部門。YK7432B數(shù)控剃齒刀磨齒機(jī)為五軸全數(shù)控磨齒機(jī)，主要用于磨削大直徑，寬齒面，高精度的徑向剃齒刀，插齒刀，標(biāo)準(zhǔn)齒輪等，工作精度可達(dá)GB1009588，3級。加工直徑:60～320mm;工件模數(shù):1～12mm;最大齒寬:100mm;機(jī)床重量:5500kg。

圖12 YK7432B數(shù)控剃齒刀磨床系統(tǒng)

大族激光股份有限公司生產(chǎn)的CLX—3015A高速懸臂式激光切割機(jī)，如圖13所示。此臺激光切割機(jī)采用了直驅(qū)技術(shù)，X軸的有效負(fù)載可達(dá)400kg，Y軸的有效負(fù)載可達(dá)80kg;有效行程為3000mm×1500mm;最大速度為120m/min;最大加速度為1g;定位精度可達(dá) ±0.03mm;重復(fù)精度可達(dá)±0.01mm。

圖13 CLX-3015A高速懸臂式激光切割機(jī)

圖14為采用直驅(qū)技術(shù)的大族集團(tuán)生產(chǎn)的六軸數(shù)控鉆孔機(jī)，鉆孔速度由采用普通伺服電機(jī)的500孔/min提升至800孔/min。

圖14 六軸數(shù)控鉆孔機(jī)

目前直驅(qū)技術(shù)已成功應(yīng)用于如下設(shè)備:

(1)數(shù)控車床。

(2)數(shù)控加工中心:立式/臥式數(shù)控加工中心。

(3)數(shù)控電火花機(jī)床:數(shù)控電火花形成/切割/小孔加工機(jī)床。

(4)數(shù)控磨床:內(nèi)圓/外圓精密磨床，平面/曲面磨床。

(5)數(shù)控沖床:精密五金沖床傳送系統(tǒng)，高速?zèng)_壓機(jī)構(gòu)。

(6)PCB數(shù)控制造設(shè)備:模板/軟板切割機(jī)，PCB高速鉆孔機(jī)，自動(dòng)光學(xué)檢測 (AOI)設(shè)備。

(7)激光數(shù)控設(shè)備:激光切割機(jī)，激光焊接機(jī)，激光打標(biāo)機(jī)等。

2.在信息與自動(dòng)化方面的應(yīng)用

直驅(qū)技術(shù)在信息設(shè)備方面的應(yīng)用主要在計(jì)算機(jī)設(shè)備以及它的輸入輸出設(shè)備方面。在硬盤裝置方面，直線電機(jī)首先在IBM2314主光驅(qū)上使用，后來又在IBM333上采用。日本松下公司，在3.5英寸的磁盤裝置上也采用了直線電機(jī)，日本神鋼電機(jī)公司、富士通公司等也制造了供軟驅(qū)裝置用的直線步進(jìn)電機(jī)，采用直線電機(jī)技術(shù)后，有效地縮短了計(jì)算機(jī)存取時(shí)間，提高了工作效率。目前直驅(qū)技術(shù)已成功應(yīng)用于如下設(shè)備:

(1)工業(yè)用直線方向推進(jìn)裝置。

(2)工業(yè)機(jī)器人。

(3)打印機(jī)。

(4)光驅(qū)。

(5)數(shù)字掃描儀。

(6)高精度平面繪圖儀。

(7)紡織機(jī)械等。

圖15、圖16為大族電機(jī)生產(chǎn)的直驅(qū)平臺，可應(yīng)用于各種高精自動(dòng)化檢測設(shè)備。

圖15 XY?平臺

圖16 龍門平臺

3.在精密測量、半導(dǎo)體及液晶制造設(shè)備方面的應(yīng)用

目前直驅(qū)技術(shù)已成功應(yīng)用于如下設(shè)備:

(1)三坐標(biāo)測量儀。

(2)隧道顯微鏡觀測平臺裝置。

(3)醫(yī)學(xué)切片全息觀測平臺。

(4)半導(dǎo)體芯片制造設(shè)備:半導(dǎo)體芯片光刻設(shè)備、半導(dǎo)體芯片檢查設(shè)備、芯片焊接設(shè)備等。

(5)液晶制造設(shè)備:玻璃基板露光設(shè)備等。

(6)液晶貼片裝備:玻璃基板液晶貼片裝備的精密運(yùn)動(dòng)控制平臺等。

圖17為采用直驅(qū)技術(shù)的大族集團(tuán)生產(chǎn)的高速金線焊接機(jī)。

圖17 高速金線焊接機(jī)

4.在交通與民用方面的應(yīng)用

磁懸浮列車改變了傳統(tǒng)軌道車輛靠輪軌摩擦力推進(jìn)的方式，采用磁力懸浮車體、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使列車在軌道上浮起滑行，在交通技術(shù)發(fā)展史上是一個(gè)重大的突破，被譽(yù)為21世紀(jì)一種理想的交通工具。

直線電機(jī)技術(shù)在交通方面的應(yīng)用，除磁浮列車外，還被應(yīng)用于電磁推進(jìn)船的驅(qū)動(dòng)。它象噴氣式飛機(jī)優(yōu)于螺旋槳飛機(jī)一樣優(yōu)于一般螺旋槳推進(jìn)的船舶，美國將其應(yīng)用于軍事艦艇，日本則于1992年6月完成世界上第一艘載人超導(dǎo)直線電磁推進(jìn)船，并在日本神戶港正式試航成功。此外，在交通應(yīng)用方面，直線電機(jī)還被應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)地鐵車、驅(qū)動(dòng)高速公路車等。

圖18為采用直驅(qū)技術(shù)的列車。

圖18 直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的列車

5.在物流設(shè)備方面的應(yīng)用

直線電機(jī)技術(shù)在物料傳輸和搬運(yùn)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。在垂直傳輸方面，如直線電機(jī)技術(shù)電梯、升降機(jī)。在平面?zhèn)鬏敺矫?，如郵政包件分揀傳輸線，各種行李分揀傳輸線，鋼材生產(chǎn)傳輸線，電氣、電子、機(jī)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(yùn)以及立體侖庫的搬運(yùn)、汽車庫的搬運(yùn)調(diào)度等。

圖19、圖20為采用直線感應(yīng)電機(jī)技術(shù)的物流設(shè)備，其具有高效、低噪、安全可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖19 機(jī)場行李分揀線

圖20 郵政分檢系統(tǒng)

6.在軍事、航天、醫(yī)學(xué)及其它方面的應(yīng)用

1995年，美國宣布已完成直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電磁炮。在一些軍事設(shè)施上，如軍用靶場、軍用仿真系統(tǒng)、軍用戰(zhàn)斗武器如導(dǎo)彈的發(fā)射等等，也采用了現(xiàn)代先進(jìn)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。有人曾提出，建立地下機(jī)場，采用直線電機(jī)發(fā)射飛機(jī)。美國軍方確實(shí)正在實(shí)施航空母艦上利用直線電機(jī)發(fā)射飛機(jī)的項(xiàng)目。此外，直驅(qū)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)等還被用于衛(wèi)星、空間站等航天領(lǐng)域。用于天文觀測系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)擺鏡和反觀鏡等。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)人工心臟、驅(qū)動(dòng)的盲人觸覺摸擬器、醫(yī)院設(shè)備、電動(dòng)工具、玩具以及建筑用打樁機(jī)等方面。

圖15為采用直驅(qū)技術(shù)的電磁飛機(jī)彈射器。

圖21 電磁飛機(jī)彈射器

五、直驅(qū)技術(shù)的發(fā)展趨勢及展望

1.直驅(qū)電機(jī)的國內(nèi)發(fā)展的局限性

直驅(qū)電機(jī)具備極其優(yōu)良的運(yùn)行性能，適用于非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，但是目前還未在國內(nèi)各行業(yè)，特別是裝備制造業(yè)得到普遍的應(yīng)用。而直驅(qū)電機(jī)的普遍應(yīng)用，是發(fā)達(dá)的高端裝備制造業(yè)的一個(gè)特征。

目前直驅(qū)電機(jī)應(yīng)用的限制，大致有下面兩個(gè)方面的原因:

(1)沒有形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，成本無優(yōu)勢。價(jià)格方面，直驅(qū)電機(jī)的價(jià)格要高出很多，這是限制直驅(qū)電機(jī)被廣泛適用的原因。在一個(gè)10μm定位精度的系統(tǒng)中，使用直驅(qū)電機(jī)的綜合成本大致是滾珠絲杠的2倍。當(dāng)然，隨著對精度和速度要求的提高，使用滾珠絲杠的系統(tǒng)成本大幅增加，直驅(qū)電機(jī)具備明顯的優(yōu)勢。

(2)市場及應(yīng)用環(huán)境有待改善。直驅(qū)電機(jī)的普遍應(yīng)用需要熟悉其技術(shù)的工程師，需要眾多廠商的成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和市場經(jīng)驗(yàn)，這些條件目前還未具備。

2.直驅(qū)電機(jī)在機(jī)床領(lǐng)域的發(fā)展趨勢

從2003年開始，我國已成為全球最大的機(jī)床消費(fèi)國，也是世界上最大的數(shù)控機(jī)床進(jìn)口國。目前，國內(nèi)外在機(jī)床用直驅(qū)電機(jī)及其系統(tǒng)的研究開發(fā)方面主要有下述幾方面的趨勢。

(1)直驅(qū)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)不斷提高、完善，技術(shù)日趨成熟，已具有傳統(tǒng)傳動(dòng)裝置無法比擬的優(yōu)越性能、高速度、高加速度的傳動(dòng)已在加工中心、數(shù)控銑床、車床、磨床、復(fù)合加工機(jī)床、激光加工機(jī)床及重型機(jī)床上得到廣泛應(yīng)用。

(2)成本下降，性價(jià)比更好，但仍以高、特為主。直驅(qū)電機(jī)的應(yīng)用應(yīng)著眼于高性能機(jī)床，特別是精密高速加工機(jī)床、特種加工機(jī)床、大型機(jī)床，解決傳統(tǒng)傳動(dòng)方法不能解決的問題。

(3)直驅(qū)電機(jī)在機(jī)床上的應(yīng)用漸趨產(chǎn)業(yè)化。直驅(qū)電機(jī)在機(jī)床上的應(yīng)用已不是樣品，不是個(gè)例，未來幾年，世界上將有越來越多的數(shù)控機(jī)床采用直驅(qū)電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，而這些機(jī)床都是高檔機(jī)床，因此其產(chǎn)業(yè)化前景是不言而喻的。

3.國內(nèi)外直驅(qū)技術(shù)的技術(shù)趨勢

直驅(qū)電機(jī)本體技術(shù)趨勢:

(1)直驅(qū)感應(yīng)電機(jī)技術(shù)向大容量方面發(fā)展。

(2)直驅(qū)永磁同步電機(jī)向高精度方面發(fā)展。

(3)直驅(qū)伺服技術(shù)將會(huì)發(fā)展迅速。

(4)直線振蕩電機(jī)與非電磁類直驅(qū)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展看好。

直驅(qū)電機(jī)控制技術(shù)趨勢:

(1)直線感應(yīng)電機(jī)的控制仍然以矢量控制為主。

(2)直驅(qū)永磁同步電機(jī)向直接轉(zhuǎn)矩控制技術(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。

4.直驅(qū)電機(jī)在國內(nèi)的應(yīng)用前景

隨著目前我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級的迫切要求，直驅(qū)電機(jī)應(yīng)用于高端裝備制造業(yè)是一個(gè)必然趨勢。技術(shù)、人才、市場也會(huì)隨之迅速發(fā)展起來。

國外很多裝備直驅(qū)電機(jī)的高端設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入中國市場。國內(nèi)在體會(huì)其卓越性能的同時(shí)，卻也遭遇很多技術(shù)保護(hù)方面的限制。同時(shí)，國內(nèi)的相同行業(yè)的設(shè)備生產(chǎn)商也受到極大的沖擊。這也在刺激著國內(nèi)高端裝備制造業(yè)的調(diào)整和發(fā)展以適應(yīng)新的形勢。直驅(qū)技術(shù)在國外也已進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段。但是，國內(nèi)在這方面的研究仍處于起步階段，差距還很大，而且關(guān)鍵技術(shù)基本上為各大制造商所掌握，并視為商業(yè)機(jī)密，很難從科技文獻(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)中查到有價(jià)值的詳細(xì)技術(shù)內(nèi)容。因此，要發(fā)展我國的高速加工中心技術(shù)建立相關(guān)產(chǎn)業(yè)，就必須走自主開發(fā)的道路。

直驅(qū)電機(jī)在國內(nèi)的應(yīng)用前景將是十分廣闊的，直驅(qū)電機(jī)將會(huì)是我國電子裝備制造業(yè)下一個(gè)追逐和發(fā)展目標(biāo)。在一大批勇于創(chuàng)新的企業(yè)的實(shí)踐中，直驅(qū)電機(jī)制造和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展將一直伴隨著我國從制造業(yè)大國向制造業(yè)強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變?！?/p>