美國無刷直流電動(dòng)機(jī)市場和技術(shù)發(fā)展動(dòng)向
胡鴻祥 (上海南洋電機(jī)廠)
【摘 要】本文從市場需求、應(yīng)用領(lǐng)域、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)及電機(jī)的特點(diǎn)出發(fā)，指出近年來無刷直流電動(dòng)機(jī)銷售量的增長速度很快，在運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域占有較大的比例。無刷直流電動(dòng)機(jī)在工廠自動(dòng)化設(shè)備中應(yīng)用廣泛，可望取代有刷直流電動(dòng)機(jī)，并向著高速，高性能、低成本的方向發(fā)展。
1 概述
與有刷直流電動(dòng)機(jī)相比，無刷直流電動(dòng)機(jī)具有體積小、重量輕、效率高，性能好、使用壽命長和維護(hù)少的優(yōu)點(diǎn)。據(jù)美國MTT預(yù)測公司的用戶研究報(bào)告——《直流無刷運(yùn)動(dòng)技術(shù)》(1986年～1991年)的分析和預(yù)測，在世界范圍內(nèi)，各種運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)正在不斷發(fā)展，許多公司都投入這一技術(shù)領(lǐng)域，因此，通過競爭使無刷直流電機(jī)技術(shù)得到了充分展示。1986年美國各種控制電機(jī)及配套裝置的市場銷售額約為17億美元，到1991年將達(dá)到3l億美元，年增長率為13.7％，其中電機(jī)的銷售額1986年占67.8％，從1986年～1991年整個(gè)時(shí)期看，電機(jī)銷售額在逐年遞增，這是因?yàn)榕涮籽b置更多地采用了半導(dǎo)體元件，使平均成本降低，而磁鋼及其它電機(jī)材料費(fèi)用則在總體上不斷增加。
2 市場的需求
據(jù)統(tǒng)計(jì)，1986年在美國市場所有的控制電機(jī)中，有刷直流伺服電機(jī)占有58％的市場份額，無刷直流電機(jī)僅占15.1％，但由于對傳動(dòng)產(chǎn)品的需求不斷增加，而電子設(shè)備的成本又在不斷降低，給有刷直流伺服電機(jī)銷售帶來一定影響，1991年它的市場份額將降低至41.5％。從廣義上來看無刷技術(shù)(即把步進(jìn)電機(jī)和交流調(diào)速電機(jī)都包括在其中)在1991年將占到整個(gè)市場份額的58％以上。表1為美國控制電機(jī)和配套裝置的市場消費(fèi)量。
MTT研究報(bào)告指出，就1986年美國市場無刷直流電機(jī)本身而言，銷售量為5.6百萬臺(tái)，1.77億美元，在全部電機(jī)中占16％；1991年無刷直流電機(jī)的消費(fèi)量可望達(dá)到26.5百萬臺(tái)，6.3億美元。在全部控制電機(jī)中，無刷直流電機(jī)1986年占7％，1991年將占16％，增長速度最快。表2列出了美國市場的無刷直流電機(jī)在各應(yīng)用領(lǐng)域所占的份額。
從表中可知，無刷直流電機(jī)將在各個(gè)運(yùn)動(dòng)控制市場占有較大的份額。①辦公自動(dòng)化(計(jì)算機(jī)，商務(wù)設(shè)備)方面，無刷直流電機(jī)增長幅度****，但所占份額較大；②工廠自動(dòng)化方面，無刷直流電機(jī)采用具有主軸和位置功能的新設(shè)計(jì)；同時(shí)，無刷直流電機(jī)也正在進(jìn)入大功率領(lǐng)域，如液力運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)；③國防和航天方面，無刷直流電機(jī)要求體積更小，重量更輕，效率更高和適用性更強(qiáng)；④汽車和家電產(chǎn)品方面增長最快，主要用于增加各種使用和方便功能(如一輛普通汽車中已需25臺(tái)輔助電機(jī)；****汽車中達(dá)70臺(tái)輔助電機(jī))，無刷直流電機(jī)在這一應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑵鸬街匾奶娲饔谩?/DIV>
在擁有無刷直流電機(jī)技術(shù)的企業(yè)中，沒有一家公司的銷售量超過美國市場的1O％，或者在任何一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域占有統(tǒng)治地位。銷售量****的有20家公司占據(jù)市場銷量的63％。其中，F(xiàn)ANUC USA公司在工廠自動(dòng)化領(lǐng)域，Nidec公司在辦公自動(dòng)化領(lǐng)域，Papst公司在儀器設(shè)備領(lǐng)域和Kollmorgen公司在國防和航天領(lǐng)域?yàn)樽钪饕纳a(chǎn)廠商。
3 應(yīng)用場合和發(fā)展動(dòng)向
當(dāng)前，對運(yùn)動(dòng)控制起到推動(dòng)作用的三種最為顯著的技術(shù)是電子換向、稀土永磁材料和計(jì)算機(jī)接口。
目前有刷直流電機(jī)技術(shù)仍然是最重要的伺服類型，但是無刷直流電機(jī)正在日益顯示出重要性。據(jù)報(bào)道，步進(jìn)電機(jī)為高精度運(yùn)動(dòng)控制提供了******的方法。無刷直流電機(jī)與有刷直流伺服電機(jī)的不同之處在于，它無需維修、運(yùn)行速度更高、并且沒有換向限制。因此，應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，使市場需求量有很大增加。由于電氣伺服機(jī)構(gòu)的用途增加，用戶希望通過對伺服技術(shù)的選擇，大大改善設(shè)備和系統(tǒng)的性能，從而對伺服技術(shù)的選擇就變得更為苛刻。鑒于這一原因，伺服電機(jī)制造廠急于發(fā)展能滿足用戶各種要求的技術(shù)。伺服系統(tǒng)及其主要用途如附圖所示。
無刷直流電機(jī)在各種工廠自動(dòng)化設(shè)備中 應(yīng)用廣泛，在要求高轉(zhuǎn)速或要求伺服機(jī)構(gòu)作為設(shè)備和系統(tǒng)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的許多領(lǐng)域中已成為必不可少的產(chǎn)品。在不少應(yīng)用場合，它可望取代有刷直流伺服電機(jī)。但是，由于直流伺服電機(jī)生產(chǎn)成本低、控制能力及其它特性良好，仍將繼續(xù)保持需求。事實(shí)上，無刷直流電機(jī)也有其自身不足，包括造價(jià)高，難以微型化的復(fù)雜控制等。在某些情況下，這些缺點(diǎn)已成為無刷直流電機(jī)的發(fā)展障礙。目前，電子技術(shù)、控制技術(shù)和大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)正在逐步解決這些生產(chǎn)發(fā)展技術(shù)問題，因此，無刷直流電機(jī)的性能和功能可望進(jìn)一步得到提高。從最近投入市場的產(chǎn)品可以看到，一些制造廠商正在致力于開發(fā)高速、高性能的通用型無刷直流電機(jī)，并提供****值編碼器和防爆型電機(jī)，以擴(kuò)大產(chǎn)品品種。有關(guān)無刷直流電機(jī)和有刷直流伺服電機(jī)各種技術(shù)性能比較見表3。
4 結(jié)語
無刷直流電機(jī)通常用于對一個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行加速或減速。為了做到迅速地加速和減速，需要有一個(gè)較大的轉(zhuǎn)矩。在無刷直流電機(jī)中，其著重點(diǎn)在于控制特性和效率。作為控制電機(jī)，直流伺服電機(jī)工作特性好，而得以廣泛應(yīng)用。但電刷和整流子構(gòu)成的機(jī)械整流裝置是它的主要缺點(diǎn)，這種整流裝置使直流伺服電機(jī)在使用中需要經(jīng)常進(jìn)行維修檢查。另外它的性能和使用壽命都有一定的限制。無刷直流電機(jī)配上伺服驅(qū)動(dòng)裝置后，可實(shí)現(xiàn)高速、高功率驅(qū)動(dòng)，且無換向限制。
近年來，伺服技術(shù)在數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人和半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用。伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、速度控制電機(jī)等都可作為控制電機(jī)使用，然而由于伺服電機(jī)對速度、位置和其它指令的快速精確響應(yīng)性能，令其它電機(jī)無可比擬。同時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置技術(shù)正變得日趨成熟。依靠伺服驅(qū)動(dòng)裝置就可通過多相交流電進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過變壓變頻使得電機(jī)運(yùn)行在****效率。隨著伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)輸出與輸人成線性關(guān)系的控制技術(shù)將不斷得到改進(jìn)。
目前，無刷伺服系統(tǒng)正在通過新的設(shè)計(jì)逐漸縮小與有刷伺服系統(tǒng)的價(jià)格差異；無容置疑，有刷型系統(tǒng)仍然具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢。但是在連續(xù)轉(zhuǎn)矩為60～100ib·in的范圍內(nèi)，無刷系統(tǒng)在價(jià)格上同有刷型系統(tǒng)最有競爭能力。它從高可靠性和無需維修方面獲得的節(jié)省額能抵消控制線路所需的費(fèi)用，而且由于具有轉(zhuǎn)子慣量小、動(dòng)態(tài)性能好、運(yùn)行平穩(wěn)、溫升低，適于連續(xù)運(yùn)行等特點(diǎn)，使用戶在選用中獲益。無刷直流電機(jī)是隨著電機(jī)控制技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的。近年來，無刷直流電機(jī)技術(shù)雖然發(fā)展較快，可是根據(jù)分析和研究，今后數(shù)年仍不會(huì)在所有控制電機(jī)中成為最占優(yōu)勢的電機(jī)技術(shù)。它的系統(tǒng)價(jià)格／性能比使之保持較強(qiáng)的競爭能力，可以預(yù)料，有刷直流伺服電機(jī)及其它電機(jī)將與其繼續(xù)進(jìn)行互相競爭。盡管無刷直流電機(jī)提供了許多一流技術(shù)，但不能因此而認(rèn)為它在所有應(yīng)用領(lǐng)域都是****的選擇。
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