直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用

華中科技大學(xué)國(guó)家數(shù)控技術(shù)研究中心 宋 寶博士

直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的原理及類型

直驅(qū)電動(dòng)機(jī)是直接驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)稱，主要指電動(dòng)機(jī)在驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，不需經(jīng)過(guò)傳動(dòng)裝置。由于直驅(qū)電動(dòng)機(jī)避免使用了傳動(dòng)帶等傳動(dòng)設(shè)備，而這些傳動(dòng)部件恰恰是系統(tǒng)中故障率較高的部件，所以使用直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)，從技術(shù)上講應(yīng)具有更低的故障率。使用傳動(dòng)裝置（如減速齒輪、帶輪等）的機(jī)械系統(tǒng)，常常結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，重量增加，而且?guī)?lái)系統(tǒng)運(yùn)行成本、噪聲及傳動(dòng)效率等方面的多種問(wèn)題。直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的誕生使得驅(qū)動(dòng)裝置變得更緊湊，重量更輕，控制起來(lái)也更加容易。直驅(qū)電動(dòng)機(jī)根據(jù)其制造的原理不同主要可以分為兩類，力矩電動(dòng)機(jī)和直線電動(dòng)機(jī)。

（1）力矩電動(dòng)機(jī)。直流力矩電動(dòng)機(jī)的工作原理與普通直流電動(dòng)機(jī)相同，不同之處在于其結(jié)構(gòu)。為了在一定體積和電樞電壓下產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)矩額低的轉(zhuǎn)速，直流力矩電動(dòng)機(jī)一般做成扁平式結(jié)構(gòu)，電樞長(zhǎng)度與直徑之比一般為0.2左右，極對(duì)數(shù)較多。為了減小轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，選用較多的槽數(shù)和換向片數(shù)。通常采用永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)。定子是由軟磁材料制成的帶槽的圓環(huán)，槽中楔由銅板制成，兼作換向片，槽楔兩端伸出槽外，一段作為電樞繞組接線用，另一端排列成環(huán)形換向器。轉(zhuǎn)子的所有部件用高溫環(huán)氧樹脂燒鑄成整體。

交流力矩電動(dòng)機(jī)分為單相和三相兩種，分別是從單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的基本系列派生的，結(jié)構(gòu)和安裝尺寸與基本系列一致。不同之處在于，其轉(zhuǎn)子導(dǎo)條通常采用較高電阻率的材料，如黃銅、純銅、鋁錳合金等，轉(zhuǎn)子電阻較普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)大得多，因而其機(jī)械特性與普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)明顯不同。

（2）直線電動(dòng)機(jī)。直線電動(dòng)機(jī)是一種通過(guò)將封閉式磁場(chǎng)展開為開放式磁場(chǎng)，將電能直接轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。直線電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)可以看作是將一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)沿徑向剖開，并將電動(dòng)機(jī)的圓周展開成直線而形成的。其中定子相當(dāng)于直線電動(dòng)機(jī)的初級(jí)，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線電動(dòng)機(jī)的次級(jí)，當(dāng)初級(jí)通入電流后，在初次級(jí)之間的氣隙中產(chǎn)生行波磁場(chǎng)，在行波磁場(chǎng)與次級(jí)永磁體的作用下產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件的直線運(yùn)動(dòng)。

近幾年來(lái)，直線電動(dòng)機(jī)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，取得了巨大的成功。

直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

力矩電動(dòng)機(jī)和直線電動(dòng)機(jī)由于制造原理不同，在實(shí)際應(yīng)用中也有著各自不同的特點(diǎn)。

1.力矩電動(dòng)機(jī)

典型的傳動(dòng)裝置從電動(dòng)機(jī)到運(yùn)動(dòng)部件間包含一系列的機(jī)械傳動(dòng)元件，使得傳動(dòng)鏈長(zhǎng)、傳動(dòng)效率低、制造成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的存在，不僅導(dǎo)致反向間隙、摩擦以及傳動(dòng)剛度降低等機(jī)械結(jié)構(gòu)問(wèn)題，增大非線性誤差，而且還會(huì)引起一定程度的彈性變形，整個(gè)系統(tǒng)的階次變高，系統(tǒng)的魯棒性降低等。因此取消中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)已成為當(dāng)前機(jī)械裝備功能部件研究的主流方向之一，開發(fā)力矩電動(dòng)機(jī)正是解決這一重大問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)手段。傳統(tǒng)的港機(jī)如碼頭橋式起重機(jī)的提升結(jié)構(gòu)也是以電動(dòng)機(jī)+減速箱驅(qū)動(dòng)滾筒的結(jié)構(gòu)形式來(lái)進(jìn)行工作的，因此可以用力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)來(lái)代替電動(dòng)機(jī)+減速箱的結(jié)構(gòu)。

用力矩電動(dòng)機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，取消了傳統(tǒng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

（1）動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。由于取消了系統(tǒng)中一些響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的機(jī)械傳動(dòng)部件，從而使整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能大大提高，系統(tǒng)的反應(yīng)更加靈敏。這意味著采用直驅(qū)系統(tǒng)可具有更大的加速度以及更短的定位時(shí)間。

（2）傳動(dòng)剛度高。由于采用直接驅(qū)動(dòng)，避免了因中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損以及反向間隙所造成的運(yùn)動(dòng)滯后現(xiàn)象，提高了其傳動(dòng)剛度；同時(shí)由于減小了機(jī)械磨損，因此可靠性也大大提高。

（3）定位精度高。由于消除了中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的傳動(dòng)間隙，減少了插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)因傳動(dòng)系統(tǒng)滯后帶來(lái)的跟蹤誤差，可大大提高機(jī)床的定位精度。除此之外，傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)變壓器或光電編碼器測(cè)量平臺(tái)的轉(zhuǎn)速和位置，只能構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)，不能計(jì)入傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的誤差；而在直驅(qū)系統(tǒng)中，由力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，因此測(cè)量的速度和位置自然就是實(shí)際的速度和位置，這時(shí)采用旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)便是全閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因此，單純從硬件上來(lái)說(shuō)，直驅(qū)系統(tǒng)可以達(dá)到更高的精度，當(dāng)然最終的伺服精度還是要取決于伺服系統(tǒng)的控制性能。

（4）傳動(dòng)效率高。由于沒(méi)有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，消除了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)機(jī)械磨損時(shí)的能量損耗，傳動(dòng)效率大大提高。

（5）運(yùn)動(dòng)噪聲低和零保養(yǎng)。由于沒(méi)有中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械振動(dòng)，運(yùn)動(dòng)噪聲大大降低；同時(shí)磨損的器件只剩下旋轉(zhuǎn)或直線的軸承，因此假如只要做到永久性潤(rùn)滑和一次性裝配，就可以實(shí)現(xiàn)零保養(yǎng)。

2.直線電動(dòng)機(jī)

直線電動(dòng)機(jī)直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，特別適用于直線運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相比，采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的裝置具有以下優(yōu)點(diǎn):

（1）直線電動(dòng)機(jī)直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，動(dòng)子一般和負(fù)載直接相連，省去了絲杠、齒輪或者鏈條等中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，提高了傳遞效率。

（2）直線電動(dòng)機(jī)不僅本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且中間傳動(dòng)連接附件少，從而簡(jiǎn)化了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性，減小了機(jī)械摩擦帶來(lái)的噪聲干擾。

（3）直線電動(dòng)機(jī)加速度大，可以在短行程內(nèi)產(chǎn)生極高的直線速度。

（4）直線電動(dòng)機(jī)不受離心力束縛，因此直線運(yùn)行速度無(wú)限制。

（5）直線電動(dòng)機(jī)初級(jí)具有規(guī)則形狀，安放電樞繞組之后可以使用環(huán)氧樹脂等進(jìn)行封裝，使其不易受雨水以及化學(xué)氣體或液體的侵蝕，可應(yīng)用于惡劣工作環(huán)境中。

由于直線電動(dòng)機(jī)的固有結(jié)構(gòu)形式，與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相比，也存在一些無(wú)法避免的缺點(diǎn)。

（1）直線電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)具有多樣性，其結(jié)構(gòu)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同千差萬(wàn)別，與已經(jīng)系列化的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相比，直線電動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用于一些特殊場(chǎng)合，需求量少，生產(chǎn)廠家也較少，很難形成統(tǒng)一的、規(guī)格化的直線電動(dòng)機(jī)配件，因此限制了直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)展。

（2）由于材料、加工精度以及電氣性能等原因?qū)е轮本€電動(dòng)機(jī)的氣隙比旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的大，直線電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)均低于同等規(guī)格的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)。

（3）直線電動(dòng)機(jī)具有開斷的初級(jí)結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)不對(duì)稱，由此產(chǎn)生了端部效應(yīng)，由于端部效應(yīng)存在使勵(lì)磁電流存在畸變，帶來(lái)了推力波動(dòng)等問(wèn)題。

（4）直線電動(dòng)機(jī)的機(jī)械加工精度要求高，成本較高。

直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

力矩電動(dòng)機(jī)和直線電動(dòng)機(jī)在工業(yè)應(yīng)用中有著十分重要的作用，它們包括機(jī)床、注塑、包裝、印刷機(jī)械、軋鋼機(jī)械、石油裝備等各個(gè)領(lǐng)域。

1.力矩電動(dòng)機(jī)

力矩電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)裝置可廣泛應(yīng)用于機(jī)床上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)五軸加工機(jī)床市場(chǎng)的需求正在迅速增加，國(guó)產(chǎn)五軸加工機(jī)床也趨向成熟，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多個(gè)廠商生產(chǎn)五軸加工中心。1999年原多棱數(shù)控機(jī)床股份有限公司推出國(guó)內(nèi)首臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控龍門鏜銑床，桂林機(jī)床股份有限公司、北京第一機(jī)床廠、濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司、沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司也陸續(xù)推出了自己的五軸加工中心，漢川機(jī)床有限責(zé)任公司推出了X H2420/5X五軸聯(lián)動(dòng)龍門加工中心，2007年南通科技投資集團(tuán)股份有限公司推出了MCH63型精密臥式加工中心，2007年杭州機(jī)床集團(tuán)有限公司推出了MKL7150×16/2型七軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控強(qiáng)力成形磨床。上述五軸加工中心的關(guān)鍵部件精密轉(zhuǎn)臺(tái)和雙擺角銑頭均采用力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。

力矩電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)裝置的應(yīng)用范圍是非常廣闊的，不僅能應(yīng)用于機(jī)床工業(yè)，還可以應(yīng)用于注塑、包裝、印刷機(jī)械、軋鋼機(jī)械、石油裝備等。高內(nèi)稟矯頑力稀土永磁大轉(zhuǎn)矩力矩電動(dòng)機(jī)還可應(yīng)用于半導(dǎo)體組裝和加工、汽車車架焊接定位器、天文望遠(yuǎn)鏡的天線驅(qū)動(dòng)和定位系統(tǒng)的高精度應(yīng)用。在風(fēng)力發(fā)電、兵器裝備和航空航天領(lǐng)域也可得到應(yīng)用。

簡(jiǎn)而言之，過(guò)去使用傳統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)鏈條、調(diào)速皮帶的場(chǎng)合都可以用力矩電動(dòng)機(jī)替代。

2.直線電動(dòng)機(jī)

直線電動(dòng)機(jī)目前廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，其中包括軍事、民用、工業(yè)自動(dòng)化和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。

（1）直線電動(dòng)機(jī)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用。直線電動(dòng)機(jī)在軍事中的應(yīng)用研究起步很早，美國(guó)海軍提出了建造電磁彈射系統(tǒng)（EMALS）的構(gòu)想，EMALS與傳統(tǒng)蒸汽彈射裝置相比具有效率高、被彈射物體出口速度可以調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。EMALS的建造使得直線電動(dòng)機(jī)電磁彈射技術(shù)又重新受到關(guān)注。

（2）直線電動(dòng)機(jī)在民用領(lǐng)域中的應(yīng)用。直線電動(dòng)機(jī)在民用生活電器等方面應(yīng)用廣泛，產(chǎn)品繁多。洗衣機(jī)、縫紉機(jī)、窗簾機(jī)、食品切片機(jī)等均有采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品。值得一提的是直線壓縮機(jī)在空調(diào)、冰箱等制冷產(chǎn)品中的發(fā)展。直線壓縮機(jī)采用直線振蕩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)相比具有高能效、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，韓國(guó)LG成功開發(fā)直線振蕩電動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)并將其應(yīng)用在其公司的冰箱中。

（3）直線電動(dòng)機(jī)在物流中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的物料傳輸、包裹、分揀系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中包含連桿或者鏈條等附件，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性并且降低了傳輸?shù)目焖傩浴?/p>

為了解決這些問(wèn)題，一些發(fā)達(dá)國(guó)家研制直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的物流傳輸系統(tǒng)和包裹分揀系統(tǒng)，比較著名的有瑞士郵電部門的郵袋吊掛傳輸設(shè)備，日本東京多摩郵局采用的郵包分揀系統(tǒng)，德國(guó)BEUMER公司的交叉帶分揀系統(tǒng)和傾斜托盤分揀系統(tǒng)。

BEUMER公司的分揀系統(tǒng)均采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。直線電動(dòng)機(jī)分揀系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：分揀效率高、系統(tǒng)振動(dòng)小，可對(duì)易損件進(jìn)行分揀；系統(tǒng)可以進(jìn)行靈活的模塊化布局，容易拆裝和擴(kuò)展。

（4）直線電動(dòng)機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用。直線電動(dòng)機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用非常廣泛，例如冶金工業(yè)中的MHD泵、直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)繪圖儀、直線電動(dòng)機(jī)沖床等，其中直線電動(dòng)機(jī)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用研究是近些年的研究熱點(diǎn)。

直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

直接驅(qū)動(dòng)方式取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)（或拖板）之間的一切中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，將機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，因此這種傳動(dòng)方式又被稱為“零傳動(dòng)”。與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式相比，“零傳動(dòng)”方式能直接提供轉(zhuǎn)矩給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，突破了許多結(jié)構(gòu)性的技術(shù)極限，具有轉(zhuǎn)矩大、損耗低、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，能提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、加工精度和定位精度，使數(shù)控機(jī)床可以達(dá)到傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的性能指標(biāo)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

與此同時(shí)，直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)也給電氣傳動(dòng)增加了相當(dāng)大的技術(shù)難度，帶來(lái)了許多需要迫切解決的技術(shù)難題。例如，在電動(dòng)機(jī)方面，因?yàn)槿∠藱C(jī)械傳動(dòng)裝置，所以要求轉(zhuǎn)臺(tái)電動(dòng)機(jī)自身能夠產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)還要求電動(dòng)機(jī)自身具有盡量低的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)；在控制系統(tǒng)方面，要求控制系統(tǒng)具有較高的跟蹤能力，對(duì)參數(shù)變化以及外界擾動(dòng)具有較強(qiáng)的魯棒性能。

直線電動(dòng)機(jī)是直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部件。直線電動(dòng)機(jī)的控制性能受多種因素制約和影響，其中直線電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性是其運(yùn)行過(guò)程中的重要影響因素。直線電動(dòng)機(jī)的特性不僅取決于其控制系統(tǒng)的硬件組成部分的制造水平，而且決定于直線電動(dòng)機(jī)中所采用的控制策略。

由于省去了中間傳動(dòng)裝置，直線電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)剛度有所提高，其傳動(dòng)精度和可靠性得到明顯地改善。但是恰恰由于缺少旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的中間傳動(dòng)裝置，直線電動(dòng)機(jī)更容易受到外部干擾的影響，從而使其自身具有更為明顯的非線性特性，以致直線電動(dòng)機(jī)設(shè)定的保持不變的控制策略與其系統(tǒng)固有特性不能在運(yùn)行過(guò)程始終保持匹配。因此對(duì)于直線電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的研究也是很重要的。