Подивіться на різні доступні лінійні двигуни та як вибрати оптимальний тип для вашого застосування.
У наступній статті наведено огляд різних доступних типів лінійних двигунів, включаючи принципи їх роботи, історію розвитку постійних магнітів, методи проектування лінійних двигунів і промислові сектори, в яких використовується кожен тип лінійного двигуна.
Технологія лінійних двигунів може бути: лінійними асинхронними двигунами (LIM) або лінійними синхронними двигунами з постійними магнітами (PMLSM).PMLSM може бути із залізним сердечником або без заліза.Усі двигуни доступні в плоских або трубчастих конфігураціях.Hiwin є лідером у розробці та виробництві лінійних двигунів протягом 20 років.
Переваги лінійних двигунів
Лінійний двигун використовується для забезпечення лінійного руху, тобто переміщення певного корисного вантажу з заданим прискоренням, швидкістю, відстанню руху та точністю.Усі технології руху, окрім лінійного двигуна, є певним механічним приводом для перетворення обертального руху в лінійний.Такі системи руху приводяться в рух кульковими гвинтами, пасами або рейковою шестернею.Термін служби всіх цих приводів значною мірою залежить від зносу механічних компонентів, які використовуються для перетворення обертального руху в лінійний, і є відносно коротким.
Основна перевага лінійних двигунів полягає в забезпеченні лінійного руху без будь-якої механічної системи, оскільки повітря є середовищем передачі, тому лінійні двигуни по суті є приводами без тертя, що забезпечує теоретично необмежений термін служби.Оскільки механічні частини не використовуються для створення лінійного руху, можливі дуже високі прискорення та швидкості, де інші приводи, такі як кулькові гвинти, паси або зубчаста рейка, будуть мати серйозні обмеження.
Лінійні асинхронні двигуни
рис 1
Першим був винайдений лінійний асинхронний двигун (LIM) (патент США 782312 – Альфред Зехден у 1905 році).Він складається з «первинної обмотки», що складається з ряду шарів електротехнічної сталі та безлічі мідних котушок, що живляться трифазною напругою, і «вторинної», яка зазвичай складається зі сталевої пластини та мідної або алюмінієвої пластини.
Коли первинні котушки знаходяться під напругою, вторинні намагнічуються, і у вторинному провіднику формується поле вихрових струмів.Потім це вторинне поле буде взаємодіяти з первинною зворотною ЕРС, створюючи силу.Напрямок руху буде відповідати правилу лівої руки Флемінга, тобто;напрямок руху буде перпендикулярним до напрямку струму та напрямку поля/потоку.
рис 2
Перевагою лінійних асинхронних двигунів є дуже низька вартість, оскільки у вторинній обмотці не використовуються постійні магніти.Постійні магніти NdFeB і SmCo дуже дорогі.Лінійні асинхронні двигуни використовують дуже звичайні матеріали (сталь, алюміній, мідь) для вторинної обмотки та усувають цей ризик живлення.
Однак мінусом використання лінійних асинхронних двигунів є наявність приводів для таких двигунів.Хоча дуже легко знайти приводи для лінійних двигунів з постійними магнітами, дуже важко знайти приводи для лінійних асинхронних двигунів.
рис 3
Лінійні синхронні двигуни з постійними магнітами
Лінійні синхронні двигуни з постійними магнітами (PMLSM) мають, по суті, ту саму первинну обмотку, що й лінійні асинхронні двигуни (тобто набір котушок, встановлених на пакеті листів електротехнічної сталі та керованих трифазною напругою).Другорядне відрізняється.
Замість алюмінієвої або мідної пластини, встановленої на сталевій пластині, вторинна обмотка складається з постійних магнітів, встановлених на сталевій пластині.Напрямок намагніченості кожного магніту змінюватиметься відносно попереднього, як показано на рис. 3.
Очевидною перевагою використання постійних магнітів є створення постійного поля у вторинній обмотці.Ми бачили, що сила генерується на асинхронному двигуні завдяки взаємодії первинного поля та вторинного поля, яке доступне лише після того, як поле вихрових струмів було створено у вторинній обмотці через повітряний зазор двигуна.Це призведе до затримки, яка називається «ковзанням», і руху вторинної обмотки, яка не синхронізується з первинною напругою, що подається на первинну.
З цієї причини асинхронні лінійні двигуни називають «асинхронними».На лінійному двигуні з постійним магнітом вторинний рух завжди буде синхронізований з первинною напругою, оскільки вторинне поле завжди доступне та без будь-якої затримки.З цієї причини постійні лінійні двигуни називаються «синхронними».
На PMLSM можна використовувати різні типи постійних магнітів.За останні 120 років співвідношення кожного матеріалу змінилося.На сьогодні PMLSM використовують або магніти NdFeB, або магніти SmCo, але переважна більшість використовує магніти NdFeB.На рис. 4 показана історія розвитку постійного магніту.
Рис 4
Сила магніту характеризується добутком його енергії в мегагаус-ерстедах (MGOe).До середини вісімдесятих були доступні лише сталеві, феритові та альніко продукти з дуже низьким енергоспоживанням.Магніти SmCo були розроблені на початку 1960-х років на основі роботи Карла Стрната та Олдена Рея, а пізніше введені в комерціалізацію наприкінці шістдесятих років.
Рис 5
Енергетичний продукт магнітів SmCo спочатку більш ніж удвічі перевищував енергетичний продукт магнітів Alnico.У 1984 році General Motors і Sumitomo незалежно один від одного розробили магніти NdFeB, сполуку неодинію, заліза та бору.Порівняння магнітів SmCo та NdFeB показано на рис. 5.
Магніти NdFeB розвивають набагато вищу силу, ніж магніти SmCo, але набагато чутливіші до високих температур.Магніти SmCo також набагато стійкіші до корозії та низьких температур, але дорожчі.Коли робоча температура досягає максимальної температури магніту, магніт починає розмагнічуватися, і це розмагнічування є незворотним.Втрата намагніченості магніту призведе до того, що двигун втратить силу та не зможе відповідати специфікаціям.Якщо магніт працює при температурі нижче максимальної 100% часу, його сила збережеться майже нескінченно довго.
Через вищу вартість магнітів SmCo, магніти NdFeB є правильним вибором для більшості двигунів, особливо враховуючи більшу доступну силу.Однак для деяких застосувань, де робоча температура може бути дуже високою, краще використовувати магніти SmCo, щоб уникнути максимальної робочої температури.
Проектування лінійних двигунів
Лінійний двигун зазвичай проектується за допомогою електромагнітного моделювання кінцевих елементів.Буде створено 3D-модель, яка представлятиме стопку ламінування, котушки, магніти та сталеву пластину, що підтримує магніти.Повітря моделюватиметься навколо двигуна, а також у повітряному зазорі.Потім властивості матеріалів будуть введені для всіх компонентів: магнітів, електротехнічної сталі, сталі, котушок і повітря.Потім буде створено сітку за допомогою елементів H або P і розв’язано модель.Потім струм подається на кожну котушку в моделі.
На рис. 6 показано результат моделювання, де відображається потік у теслах.Основним вихідним значенням, яке цікавить симуляцію, є, звичайно, Моторна сила, і воно буде доступним.Оскільки кінцеві витки котушок не створюють жодної сили, можна також запустити 2D моделювання, використовуючи 2D модель (DXF або інший формат) двигуна, включаючи шари, магніти та сталеву пластину, що підтримує магніти.Результат такого 2D-моделювання буде дуже близьким до 3D-моделювання та достатньо точним, щоб оцінити силу двигуна.
Малюнок 6
Лінійний асинхронний двигун моделюватиметься так само, за допомогою 3D або 2D моделі, але розв’язання буде складнішим, ніж для PMLSM.Це пояснюється тим, що магнітний потік вторинної обмотки PMLSM моделюватиметься миттєво після введення властивостей магнітів, тому для отримання всіх вихідних значень, включаючи силу двигуна, знадобиться лише одне рішення.
Однак вторинний потік асинхронного двигуна вимагатиме аналізу перехідних процесів (тобто кількох розв’язань за заданий інтервал часу), щоб можна було побудувати магнітний потік вторинної обмотки LIM і лише тоді можна було отримати силу.Програмне забезпечення, яке використовується для моделювання електромагнітних кінцевих елементів, повинно мати можливість виконувати аналіз перехідних процесів.
Стадія лінійного двигуна
Рис 7
Hiwin Corporation постачає лінійні двигуни на рівні компонентів.У цьому випадку буде доставлено лише лінійний двигун і вторинні модулі.Для двигуна PMLSM вторинні модулі складатимуться зі сталевих пластин різної довжини, поверх яких будуть зібрані постійні магніти.Hiwin Corporation також постачає повні ступені, як показано на рис. 7.
Такий ступінь включає раму, лінійні підшипники, первинний двигун, вторинні магніти, каретку для замовника, щоб прикріпити його корисний вантаж, кодер і кабельну доріжку.Ступінь лінійного двигуна буде готовий до запуску після доставки та спростить життя, оскільки замовнику не потрібно буде проектувати та виготовляти сцену, що вимагає експертних знань.
Термін служби каскаду лінійного двигуна
Термін служби ступенів лінійного двигуна значно довший, ніж ступені, що приводиться в рух ременем, кульковим гвинтом або рейковою шестернею.Механічні компоненти ступенів з непрямим приводом зазвичай є першими компонентами, які виходять з ладу через тертя та знос, яким вони постійно піддаються.Ступінь лінійного двигуна є прямим приводом без механічного контакту або зносу, оскільки середовищем передачі є повітря.Таким чином, єдині компоненти, які можуть вийти з ладу на ступені лінійного двигуна, це лінійні підшипники або сам двигун.
Лінійні підшипники зазвичай мають дуже тривалий термін служби, оскільки радіальне навантаження дуже низьке.Термін служби двигуна буде залежати від середньої робочої температури.На малюнку 8 показано залежність терміну служби ізоляції двигуна від температури.Правило полягає в тому, що термін служби буде скорочуватися вдвічі на кожні 10 градусів Цельсія, коли робоча температура буде вище номінальної температури.Наприклад, двигун класу ізоляції F пропрацює 325 000 годин при середній температурі 120°C.
Таким чином, передбачається, що ступінь служби лінійного двигуна матиме термін служби 50+ років, якщо двигун вибрано консервативно, термін служби, який ніколи не може бути досягнутий за допомогою ремінних, кульково-гвинтових або рейкових приводів.
Рис 8
Програми для лінійних двигунів
Лінійні асинхронні двигуни (LIM) здебільшого використовуються в додатках із великою довжиною ходу та де потрібна дуже висока сила в поєднанні з дуже високими швидкостями.Причина вибору лінійного асинхронного двигуна полягає в тому, що вартість вторинної обмотки буде значно нижчою, ніж у разі використання PMLSM, а на дуже високій швидкості ефективність лінійного асинхронного двигуна дуже висока, тому буде втрачено мало енергії.
Наприклад, EMALS (Electromagnetic Launch Systems), які використовуються на авіаносцях для запуску літаків, використовують лінійні асинхронні двигуни.Перша така система лінійного двигуна була встановлена на авіаносці USS Gerald R. Ford.Мотор може розганяти літак вагою 45 000 кг на швидкості 240 км/год на трасі довжиною 91 метр.
Ще один приклад атракціонів у парку розваг.Лінійні асинхронні двигуни, встановлені на деяких із цих систем, можуть розганяти дуже великі корисні навантаження від 0 до 100 км/год за 3 секунди.Ступені лінійного асинхронного двигуна також можна використовувати на RTU (транспортних одиницях роботів).Більшість RTU використовують рейкові приводи, але лінійний асинхронний двигун може запропонувати вищу продуктивність, нижчу вартість і набагато довший термін служби.
Синхронні двигуни з постійними магнітами
PMLSM, як правило, використовуються в програмах із набагато меншими ходами, нижчими швидкостями, але високою або дуже високою точністю та інтенсивними робочими циклами.Більшість із цих застосувань знаходять у AOI (автоматизованій оптичній інспекції), напівпровідниковій та лазерній промисловості.
Вибір ступенів лінійного двигуна (прямий привід) пропонує значні переваги в продуктивності порівняно з непрямими приводами (ступені, де лінійний рух досягається шляхом перетворення обертального руху), для довговічних конструкцій і підходить для багатьох галузей промисловості.
Час публікації: 06 лютого 2023 р