Поглед към различните налични линейни двигатели и как да изберете оптималния тип за вашето приложение.
Следващата статия е преглед на различните видове налични линейни двигатели, включително техните принципи на работа, история на развитието на постоянните магнити, методи за проектиране на линейни двигатели и индустриални сектори, използващи всеки тип линеен двигател.
Технологията за линейни двигатели може да бъде: линейни индукционни двигатели (LIM) или линейни синхронни двигатели с постоянен магнит (PMLSM).PMLSM може да бъде с желязна сърцевина или без желязо.Всички двигатели се предлагат в плоска или тръбна конфигурация.Hiwin е в челните редици на дизайна и производството на линейни двигатели от 20 години.
Предимства на линейните двигатели
Линеен двигател се използва за осигуряване на линейно движение, т.е. преместване на даден полезен товар с диктувано ускорение, скорост, разстояние на пътуване и точност.Всички технологии за движение, различни от задвижването от линеен двигател, са някакъв вид механично задвижване за преобразуване на въртеливото движение в линейно движение.Такива системи за движение се задвижват от сферични винтове, ремъци или зъбна рейка и зъбно колело.Експлоатационният живот на всички тези задвижвания силно зависи от износването на механичните компоненти, използвани за преобразуване на въртеливото движение в линейно движение и е сравнително кратък.
Основното предимство на линейните двигатели е да осигурят линейно движение без никаква механична система, тъй като въздухът е предавателната среда, следователно линейните двигатели са по същество задвижвания без триене, осигуряващи теоретично неограничен експлоатационен живот.Тъй като не се използват механични части за произвеждане на линейно движение, са възможни много високи ускорения при скорости, при които други задвижвания като сачмени винтове, ремъци или зъбна рейка и зъбно колело ще срещнат сериозни ограничения.
Линейни индукционни двигатели
Фиг. 1
Линейният индукционен двигател (LIM) е първият изобретен (патент на САЩ 782312 – Алфред Зеден през 1905 г.).Състои се от „първична“, съставена от купчина електрически стоманени ламинации и множество медни бобини, захранвани от трифазно напрежение, и „вторична“, обикновено съставена от стоманена плоча и медна или алуминиева плоча.
Когато първичните намотки се задействат, вторичната се магнетизира и във вторичния проводник се образува поле от вихрови токове.След това вторичното поле ще взаимодейства с първичната обратна ЕМП, за да генерира сила.Посоката на движение ще следва правилото на лявата ръка на Флеминг, т.е.посоката на движение ще бъде перпендикулярна на посоката на тока и посоката на полето/потока.
Фиг. 2
Линейните индукционни двигатели предлагат предимството на много ниска цена, тъй като вторичният двигател не използва постоянни магнити.Постоянните магнити NdFeB и SmCo са много скъпи.Линейните асинхронни двигатели използват много често срещани материали (стомана, алуминий, мед) за своите вторични и елиминират този риск от захранване.
Недостатъкът на използването на линейни асинхронни двигатели обаче е наличието на задвижвания за такива двигатели.Въпреки че е много лесно да се намерят задвижвания за линейни двигатели с постоянен магнит, е много трудно да се намерят задвижвания за линейни индукционни двигатели.
Фигура 3
Линейни синхронни двигатели с постоянен магнит
Линейните синхронни двигатели с постоянен магнит (PMLSM) имат по същество същата първична част като линейните индукционни двигатели (т.е. набор от бобини, монтирани върху купчина електрически стоманени пластини и задвижвани от трифазно напрежение).Вторичното се различава.
Вместо плоча от алуминий или мед, монтирана върху плоча от стомана, вторичната обвивка се състои от постоянни магнити, монтирани върху плоча от стомана.Посоката на намагнитване на всеки магнит ще се редува по отношение на предишната, както е показано на Фиг. 3.
Очевидното предимство на използването на постоянни магнити е създаването на постоянно поле във вторичната обмотка.Видяхме, че силата се генерира върху асинхронен двигател чрез взаимодействието на първичното поле и вторичното поле, което е достъпно само след като поле от вихрови токове е създадено във вторичния през въздушната междина на двигателя.Това ще доведе до забавяне, наречено „приплъзване“ и движение на вторичната обмотка, която не е синхронизирана с първичното напрежение, подадено към първичната.
Поради тази причина индукционните линейни двигатели се наричат „асинхронни“.При линеен двигател с постоянен магнит вторичното движение винаги ще бъде в синхрон с първичното напрежение, тъй като вторичното поле е винаги налично и без никакво забавяне.Поради тази причина постоянните линейни двигатели се наричат „синхронни“.
В PMLSM могат да се използват различни видове постоянни магнити.През последните 120 години съотношението на всеки материал се е променило.Към днешна дата PMLSMs използват или NdFeB магнити, или SmCo магнити, но по-голямата част използват NdFeB магнити.Фигура 4 показва историята на развитието на постоянния магнит.
Фигура 4
Силата на магнита се характеризира с неговия енергиен продукт в мегагаус-ерстед (MGOe).До средата на осемдесетте години само стомана, ферит и алнико бяха налични и доставяха продукти с много ниска енергия.Магнитите SmCo са разработени в началото на 60-те години на миналия век въз основа на работата на Karl Strnat и Alden Ray и по-късно комерсиализирани в края на 60-те години.
Фигура 5
Енергийният продукт на магнитите SmCo първоначално е бил повече от два пъти по-висок от енергийния продукт на магнитите Alnico.През 1984 г. General Motors и Sumitomo независимо разработиха NdFeB магнити, съединение от неодиний, желязо и бор.Сравнение на SmCo и NdFeB магнити е показано на фиг. 5.
NdFeB магнитите развиват много по-голяма сила от SmCo магнитите, но са много по-чувствителни към високи температури.SmCo магнитите също са много по-устойчиви на корозия и ниски температури, но са по-скъпи.Когато работната температура достигне максималната температура на магнита, магнитът започва да се размагнитва и това размагнитване е необратимо.Магнитът, който губи магнетизация, ще доведе до загуба на сила на двигателя и няма да може да отговори на спецификациите.Ако магнитът работи под максималната температура през 100% от времето, силата му ще се запази почти безкрайно.
Поради по-високата цена на SmCo магнитите, NdFeB магнитите са правилният избор за повечето двигатели, особено предвид по-голямата налична сила.Въпреки това, за някои приложения, където работната температура може да бъде много висока, е за предпочитане да се използват SmCo магнити, за да се стои далеч от максималната работна температура.
Проектиране на линейни двигатели
Линейният двигател обикновено се проектира чрез електромагнитна симулация с крайни елементи.Ще бъде създаден 3D модел, който да представя стека от ламиниране, бобини, магнити и стоманена плоча, поддържаща магнитите.Въздухът ще бъде моделиран около двигателя, както и във въздушната междина.След това свойствата на материалите ще бъдат въведени за всички компоненти: магнити, електрическа стомана, стомана, намотки и въздух.След това ще бъде създадена мрежа с помощта на H или P елементи и моделът ще бъде решен.След това токът се прилага към всяка намотка в модела.
Фиг. 6 показва резултата от симулация, където се показва потокът в тесла.Основната изходна стойност, която представлява интерес за симулацията, разбира се е Моторна сила и ще бъде налична.Тъй като крайните завъртания на намотките не произвеждат никаква сила, възможно е също така да се проведе 2D симулация чрез използване на 2D модел (DXF или друг формат) на двигателя, включително ламинации, магнити и стоманена плоча, поддържаща магнитите.Резултатът от такава 2D симулация ще бъде много близък до 3D симулацията и достатъчно точен за оценка на двигателната сила.
Фиг. 6
Линеен индукционен двигател ще бъде моделиран по същия начин, чрез 3D или 2D модел, но решаването ще бъде по-сложно, отколкото за PMLSM.Това е така, защото магнитният поток на вторичния PMLSM ще бъде моделиран незабавно след въвеждане на свойствата на магнитите, следователно ще е необходимо само едно решение за получаване на всички изходни стойности, включително силата на двигателя.
Вторичният поток на асинхронния двигател обаче ще изисква анализ на преходен процес (което означава няколко решавания на даден интервал от време), така че да може да се изгради магнитният поток на вторичния LIM и едва тогава да се получи силата.Софтуерът, използван за електромагнитната симулация на крайни елементи, ще трябва да има способността да изпълнява анализ на преходни процеси.
Етап на линейния двигател
Фигура 7
Hiwin Corporation доставя линейни двигатели на ниво компонент.В този случай ще бъдат доставени само линейният двигател и вторичните модули.За двигател PMLSM, вторичните модули ще се състоят от стоманени плочи с различни дължини, върху които ще бъдат монтирани постоянни магнити.Hiwin Corporation също така доставя пълни етапи, както е показано на фиг. 7.
Такъв етап включва рамка, линейни лагери, първичен двигател, вторични магнити, каретка за клиента, за да прикачи своя полезен товар, енкодер и кабелна линия.Линейният двигател ще бъде готов за стартиране при доставката и ще улесни живота, тъй като клиентът няма да трябва да проектира и произвежда етап, което изисква експертни познания.
Експлоатационен живот на етапа на линейния двигател
Експлоатационният живот на степента на линеен двигател е значително по-дълъг от степента, задвижвана от ремък, сферичен винт или зъбна рейка и зъбно колело.Механичните компоненти на непряко задвижваните стъпала обикновено са първите компоненти, които отказват поради триенето и износването, на които са изложени непрекъснато.Етапът на линейния двигател е директно задвижване без механичен контакт или износване, тъй като предавателната среда е въздух.Следователно единствените компоненти, които могат да се повредят на етапа на линеен двигател, са линейните лагери или самият двигател.
Линейните лагери обикновено имат много дълъг експлоатационен живот, тъй като радиалното натоварване е много ниско.Срокът на експлоатация на двигателя ще зависи от средната работна температура.Фигура 8 показва живота на изолацията на двигателя като функция от температурата.Правилото е, че експлоатационният живот ще бъде намален наполовина за всеки 10 градуса по Целзий, когато работната температура е над номиналната температура.Например, двигател с изолационен клас F ще работи 325 000 часа при средна температура от 120°C.
Следователно се предвижда, че степента на линеен двигател ще има експлоатационен живот от 50+ години, ако двигателят е избран консервативно, експлоатационен живот, който никога не може да бъде постигнат от степени, задвижвани от ремък, сачмено-винтова или зъбна рейка и зъбно колело.
Фиг. 8
Приложения за линейни двигатели
Линейните асинхронни двигатели (LIM) се използват най-вече в приложения с голяма дължина на движение и където се изисква много висока сила, комбинирана с много високи скорости.Причината за избора на линеен асинхронен двигател е, че цената на вторичната ще бъде значително по-ниска, отколкото ако се използва PMLSM и при много висока скорост ефективността на линейния асинхронен двигател е много висока, така че ще се губи малко мощност.
Например EMALS (Електромагнитни системи за изстрелване), използвани на самолетоносачи за изстрелване на самолети, използват линейни индукционни двигатели.Първата такава система с линеен двигател е инсталирана на самолетоносача USS Gerald R. Ford.Моторът може да ускори 45 000 кг самолет с 240 км/ч на 91-метрова писта.
Друг пример за разходки в увеселителен парк.Линейните индукционни двигатели, инсталирани на някои от тези системи, могат да ускорят много големи полезни товари от 0 до 100 км/ч за 3 секунди.Етапите на линейния асинхронен двигател могат да се използват и на RTU (транспортни единици на роботи).Повечето RTU използват задвижвания със зъбна рейка и зъбно колело, но линейният асинхронен двигател може да предложи по-висока производителност, по-ниска цена и много по-дълъг експлоатационен живот.
Синхронни двигатели с постоянен магнит
PMLSM обикновено ще се използват при приложения с много по-малки ходове, по-ниски скорости, но висока до много висока точност и интензивни работни цикли.Повечето от тези приложения се намират в AOI (Автоматизирана оптична инспекция), производството на полупроводници и лазерни машини.
Изборът на стъпала, задвижвани от линеен двигател (директно задвижване), предлага значителни предимства в производителността спрямо индиректните задвижвания (стъпала, при които линейното движение се получава чрез преобразуване на въртеливо движение), за дълготрайни конструкции и са подходящи за много индустрии.
Време на публикуване: 06 февруари 2023 г