[转帖]直接驱动线性电动机市场活跃

作者:Frank J. Bartos, Control Engineering责任编辑  

制造商通过采用新材料技术、改进热量管理、降低生产成本来扩大应用并吸引更多用户。

　　从技术上说，直接驱动线性（Direct-Drive Linear, DDL）传动系统已走上一条成功之路。DDL传动系统不需要变速箱、滚珠丝杠、皮带、离合器及电动机和负荷之间的其他旋转－线性运动转换器——与基于旋转电动机的系统相比，能提供性能优越的速度、加速度、负荷定位精度和快速行程。
　　不过，这一切造成了高成本和高复杂性。厂商为解决这些问题进行了不懈努力，给DDL传动系统带来了新生。但目前的经济萎靡不振，以及客户不愿从对已有设计所获得的短期满足中走出来, 向拥有长期效益潜力的新技术转移，给研究工作带来了更多的困难。
　　厂商给DDL传动产品增值的一个途径是把电动机、轴承、反馈装置集成为成套设备并提供相匹配的控制。

　　市场观察
　　直接驱动传动系统目前在全部线性传动应用中占较少的份额（6%~10%）——但它的市场正在增长。从Motion Tech Trends公司（MTT）的报告“2002至2007年北美直接驱动线性电动机市场”可以了解一二。MTT估计2002年北美DDL电动机市场为1.08亿美元，其中近78%用于工厂自动化（包括半导体设备和机床），近20%用于仪器系统（包括医疗设备），2.6%用于其他方面。
　　MTT的总裁George Gulalo预计今后几年DDL设备的市场增长率将达到15%~20%，2007年达到2.42亿美元。据预测，各类应用所占比例和2002年几乎相同。美国占全球DDL传动设备市场的大约35%。
　　2002年11月，Frost & Sullivan公司的报告“欧洲线性电动机市场”提供了欧洲的数字。报告预测这个市场在不久的将来会健康持续地增长。报告预计从2001到2008年市场容量将从5700万美元翻一番到1.25亿美元，销量将从33300台增长近3倍到125500台。F&S指出“一个较大的正在扩张的客户基础”是刺激线性电动机解决方案应用、销量和收入增长的原因。
　　“直接驱动线性传动技术正处在逐渐成熟阶段”。 Bosch Rexroth公司电气传动与控制技术副总裁Scott Hibbard说, DDL技术不再限于高速加工和半导体生产等少数前沿应用。基于较高的产量和改进的电动机设计，DDL技术相关应用已经有了的更广泛的知识基础和得到改善的经济性。

　　更好的密封和热量管理
　　DDL技术实现的高加速度、快速点到点运动会使电动机产生更多的热量。需要高速循环的应用会加剧这种状况。
　　在推进DDL技术的努力中，Bosch Rexroth公司正在改进线性电动机的密封和热量管理性能,以期望与旋转电动机相媲美。这是一项重要的工作，可以让开敞的线性电动机暴露在苛刻的机械加工环境中。“我们已经制定了一个密封电动机的初级侧和次级侧，并达到IP65防护等级的设计原则”，Scott Hibbard说。
　　热量管理是线性电动机的一个特殊问题，因为产生的全部热量必须通过周围的机械部件散热，对比旋转电动机，其是把大部分热量通过机壳直接消散到周围的空气中。“发热量增大可能对金属切削等加工过程有负面影响”，他补充道。常规液体冷却有用，但仍会遗留“热点”。Bosch Rexroth公司报告说，他们的热封装技术可以把流体入口和电动机整个安装面之间的温差限制在2℃以内。
　　高性能线性电动机的热量管理同样是西门子自动化与驱动集团传动控制系统部门关注的重点。“热损失几乎全部发生在初级（定子）部分并通过集成的精密冷却系统散热”，西门子自动化与驱动集团项目经理Meredith Johnson说。双路冷却概念被用在西门子的两个永磁密封式同步线性电动机主导产品1FN1和1FN3上。这个注册商标为Thermo-Sandwich的低成本冷却设计（气冷或水冷）在热力学上把电动机和机器分离，把热传递限制在周围结构。避免热变形对精密加工非常重要。

　　1FN1和1FN3电动机的设计特色是初级部分的定子和永磁体之间气隙较大，以适应机械结构的变化。“初级部分的线圈槽和次级部分的倾斜永磁体能在较小结构尺寸中获得较大的推力，同时推力波动最小”，Meredith Johnson评价道。
　　1FN1电动机面向机械加工应用，特点是精密和推力的波动小。1FN3适合负荷变化大的应用，提供多种发动机尺寸和选件。这两类电动机都可以在同一轴（轨道）使用多台电动机，以扩大连续和峰值动力输出。
　　这些线性电动机可以匹配Simodrive数字611D和模拟611U驱动器使用。系统的CNC部分使机床或其他运动控制系统可以与驱动器集成，采用分立单元（如Sinumerik 840D）或第三方控制器。

　　材料改进和成本问题
　　改进电动机线圈的材料和热量性能，以及提高产量、降低成本，是多家厂商贯穿开发过程的共同主题。Anorad公司认为以上因素有助于DDL电动机在新应用中超越传统旋转电动机和滚珠螺杆的组合。
　　高磁通量磁体材料的使用加速了在这两方面的进展。现有尺寸的电动机可以提供高输出动力；还可以开发大动力的小型线性电动机。Anorad产品经理 Michael J. Pitka解释道.由各方面的进展带来的新型电动机拓展了Anorad的DDL技术应用。
　　先进材料包括改进的用于封装电动机线圈的成型复合材料，可以带来更好的散热性能。发热较少可以提高电动机效率，带来单位结构尺寸较高的输出动力。改进的成型复合材料是Anorad最近获得UL认证的新型LC钢芯无刷同步线性电动机系列的一部分。
　　在Anorad看来，随着DDL电动机技术的应用领域从半导体生产向包装机等工业部门拓展，DDL电动机的使用正在逐步扩大。批量生产过程可以降低这些电动机的成本。满足工业标准、具有多种尺寸和动力规格以及较好经济性的线性电动机能够取代旋转电动机。
　　Bosch Rexroth正在解决DDL电动机的成本和单位尺寸效率问题。开发中的设计有望使在给定结构尺寸下的连续和峰值动力输出提高两位百分数。这对提高DDL传动系统的性能优势、降低DDL传动系统的成本有重要意义。
　　Bosch Rexroth反对DDL技术比同等旋转系统更昂贵的说法，提出DDL技术在某些应用中的确能节省系统成本。Bosch Rexroth的DDL产品包括输出200~22000N的电动机和额定功率高达20kW并带各种标准通信接口的Ecodrive控制器。
　　Yaskawa Electric America公司（YEA）致力于消除潜在用户对DDL技术能否拓宽应用范围的担心。近来的发展增强全部3种类型YEA线性电动机的性能。例如，正在申请专利的高密度线圈绕线法（来自Sigma旋转电动机）带来70%的空间填充率，比未优化的电动机设计有显著提高。使用高磁通密度的钕铁硼磁体也能提高性能。YEA着重把其Linear Sigma电动机无缝地集成到其Sigma-II旋转交流伺服电动机和控制器产品系列。
　　GW型线性电动机的无芯结构消除了齿槽效应。通过在动圈两侧采用双侧移相绕组设计（正在申请专利），动力波动缩小到了目前水平的四分之一。线圈位于两侧装有钕铁硼磁体的U型磁道里。
　　FW型线性电动机由动圈和在支承板上倾斜排列的稀土磁体形成的单侧静止磁道组成。一个正在申请专利的特点——在铁芯两端形成的“sub-teeth”——与没有“sub-teeth”的设计相比，可以大大减小边缘齿槽效应。


　　平衡磁力
　　第三类线性电动机，TW型电动机明显降低了铁芯电动机固有的强大吸力，因而缓解了对结构设计和轴承负载能力的要求。这种“平衡式铁芯设计”把磁体放在动圈组两侧，因而可以消除静止部分和运动部分之间的吸力。如果不平衡，磁铁吸力可能高达电动机峰值动力的5到6倍。
　　采用平衡式设计，在台架式应用的两端可以用单导轨引导TW线性电动机，代替典型的双导轨，而且更容易实现队列任务和运行的平行性。
　　线性电动机的伺服控制和换向存在反馈信息可靠性问题。噪声感应和压降是两个最普遍的线性反馈信号故障，针对这些问题，Sigma-II系统编码器法能提供“良好的抗干扰裕度”。
　　还有一种平衡式设计来自Parker Hannifin公司推出的平衡式线性电动机激励装置（BLMA）。BLMA把线圈绕组放在垂直取向的磁棒两侧。这种“平衡式设计”消除了垂直于行进方向的磁力，因而只用一半磁体磁道成本就能提供铁芯激励装置的全部能力。这个激励装置设计还解决了与大磁力相关的发热问题。据报道， BLMA产生的热量只相当于同样大小的标准铁芯线性电动机的50%。
　　与此同时，Parker公司正在加强其SL系列无槽线性电动机的性能，降低成本，从而拓展市场。SL系列可以通过OEM方式直接集成到机器设备，大大节省成本和空间。为减轻较小的OEM厂商和最终用户的安装和现场工程量，SL系列组件还被包装在线性电动机工作台以提供用户。较低的价格和突出的性能使它相对于各种皮带和导向螺杆工作台等传统伺服定位系统更富有竞争力。

　　不要忘记LIM
　　虽然多数的宣传侧重基于同步电动机的系统，但是直接驱动线性感应电动机（LIM）也是这个技术的一部分。Baldor Electric公司的产品经理John Mazurkiewicz说：“近来，围绕基于线性电动机电感的功率因数补偿（PFC）取得了一些进展”。PFC试图最小化电动机电压和电流之间的相位角。“它的优势是节能，动力可以提高40%”，他说。
　　补偿功率因数的明显好处是降低电动机的运行费用。不过，John Mazurkiewicz指出：通过对LIM进行适当控制，PFC还可以带来其他好处。功率因数越高，意味着电动机单位尺寸的功率容量（或动力）越大，压降及相关问题越小，由于降低发热而效率越高。


　　作为一个吸引更多应用和用户的途径，Baldor Electric公司开发了其称之为“混合芯”的无刷线性电动机。只有电动机的初级部分（出力侧）携带磁体，有槽次级部分（模压板）为降低成本切割成所需要的行程距离。混合芯电动机以两种初级部分为特色。二相步进电动机型的初级利用标准步进电动机控制器提供开环回路性能。对于要求更高的应用，三相伺服电动机型的初级利用伺服驱动器和定制供应的线性编码器提供闭环控制。强制空气冷却使这种电动机的额定连续动力提高20%左右。
　　Danaher Motion/Kollmorgen公司正致力于提高性能、改善易用性、降低成本3个开发目标，将DDL产品定位于比传统技术更具有竞争力。DDL产品经理 Dave Riebe预计Danaher Motion正在研究的有潜力的新电磁设计能够增强性能。该计划的其他方面还有采用新的销售手段工具和完整解决方案——控制器、驱动器、电动机和机械装置——使客户使用DDL传动系统更容易。对于产品经济性来说，“提高产量、改善供应链、开发更有效的制造技术能带来成本降低”。
　　Danaher/Kollmorgen的最新线性电动机产品系列是Platinum DDL，可提供无铁芯结构（初级和次级部分之间没有吸力）和铁芯结构（提供单位结构尺寸的大动力输出）。
　　
　　
业界第一台获UL认证线性电动机

　　对旋转伺服电动机的绝缘系统完整性和产品安全性进行认证，人们认为理所应当，但是对线性电动机进行认证则是一个大新闻。
　　Rockwell Automation的子公司Anorad称它的新型LC系列钢芯无刷线性电动机中的一款产品于2003年2月“率先”获得UL认证。Anorad公司市场总监Michael Backman解释说，UL额外的绝缘要求给这些电动机的无框结构提出了性能和封装挑战。一种新的绝缘系统和电动机线圈设计提供了解决方案，实现了H级180℃保护和650V直流总线电压等级。此外，在LC系列电动机开发中采用了新一代稀土磁体，使力密度比以前的型号有所提高。
　　据Anorad说，有限元分析法被用来优化正在申请专利的LC线性电动机分层钢芯设计，这种设计允许在线圈组中填充高达85%的铜（比上一代钢芯电动机高7%。）。钢芯和大量铜材料的存在提高了热效率。
　　最初，两种电动机型号有两种线圈尺寸，提供62磅力和94磅力输出。LC电动机和标准的三相无刷伺服传动装置兼容。对需要交换反馈的伺服传动装置，可以给电动机的动圈安装霍尔效应模块。利用提供这种功能的控制装置还有可能用软件实现电动机换向。