Посмотрите на различные доступные линейные двигатели и как выбрать оптимальный тип для вашего приложения.
В следующей статье представлен обзор различных типов доступных линейных двигателей, включая их принципы работы, историю развития постоянных магнитов, методы проектирования линейных двигателей и промышленных секторов, использующих каждый тип линейного двигателя.
Технология линейных двигателей может быть: линейными асинхронными двигателями (LIM) или линейными синхронными двигателями с постоянными магнитами (PMLSM).PMLSM может быть с железным сердечником или без него.Все двигатели доступны в плоской или трубчатой конфигурации.Hiwin уже 20 лет находится в авангарде разработки и производства линейных двигателей.
Преимущества линейных двигателей
Линейный двигатель используется для обеспечения линейного движения, т. е. перемещения заданной полезной нагрузки с заданным ускорением, скоростью, расстоянием перемещения и точностью.Все технологии движения, кроме линейного привода, представляют собой своего рода механический привод для преобразования вращательного движения в линейное.Такие системы движения приводятся в движение шариковыми винтами, ремнями или зубчатой рейкой.Срок службы всех этих приводов в значительной степени зависит от износа механических компонентов, используемых для преобразования вращательного движения в поступательное, и является относительно коротким.
Основное преимущество линейных двигателей заключается в обеспечении линейного движения без какой-либо механической системы, поскольку передающей средой является воздух, поэтому линейные двигатели по существу представляют собой приводы без трения, обеспечивающие теоретически неограниченный срок службы.Поскольку для создания линейного движения не используются никакие механические детали, возможны очень высокие ускорения на таких скоростях, где другие приводы, такие как шарико-винтовые пары, ремни или зубчатая рейка, столкнутся с серьезными ограничениями.
Линейные асинхронные двигатели
Рисунок 1
Линейный асинхронный двигатель (ЛИД) был изобретен первым (патент США 782312 – Альфред Цеден в 1905 г.).Он состоит из «первички», состоящей из пакета пластин из электротехнической стали и множества медных катушек, питаемых трехфазным напряжением, и «вторички», обычно состоящей из стальной пластины и медной или алюминиевой пластины.
Когда первичные катушки находятся под напряжением, вторичные намагничиваются, и во вторичном проводнике образуется поле вихревых токов.Затем это вторичное поле будет взаимодействовать с первичной обратной ЭДС, создавая силу.Направление движения будет соответствовать правилу левой руки Флеминга, т.е.направление движения будет перпендикулярно направлению тока и направлению поля/потока.
Рис 2
Преимущество линейных асинхронных двигателей заключается в очень низкой стоимости, поскольку во вторичной обмотке не используются постоянные магниты.Постоянные магниты NdFeB и SmCo очень дороги.Линейные асинхронные двигатели используют очень распространенные материалы (сталь, алюминий, медь) для вторичной обмотки и устраняют этот риск поставки.
Однако недостатком использования линейных асинхронных двигателей является наличие приводов для таких двигателей.В то время как очень легко найти приводы для линейных двигателей с постоянными магнитами, найти приводы для линейных асинхронных двигателей очень сложно.
Рис 3
Линейные синхронные двигатели с постоянными магнитами
Линейные синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMLSM) имеют, по существу, ту же первичную обмотку, что и линейные асинхронные двигатели (т. е. набор катушек, установленных на пакете пластин из электротехнической стали и приводимых в действие трехфазным напряжением).Вторичка отличается.
Вместо пластины из алюминия или меди, установленной на стальной пластине, вторичная обмотка состоит из постоянных магнитов, установленных на стальной пластине.Направление намагниченности каждого магнита будет чередоваться по отношению к предыдущему, как показано на рис. 3.
Очевидным преимуществом использования постоянных магнитов является создание постоянного поля во вторичной обмотке.Мы видели, что сила создается в асинхронном двигателе за счет взаимодействия первичного поля и вторичного поля, которое становится доступным только после того, как поле вихревых токов создается во вторичной обмотке через воздушный зазор двигателя.Это приведет к задержке, называемой «проскальзыванием», и движению вторичной обмотки, не синхронизированному с первичным напряжением, подаваемым на первичную обмотку.
По этой причине асинхронные линейные двигатели называются «асинхронными».В линейном двигателе с постоянными магнитами вторичное движение всегда будет синхронизировано с первичным напряжением, потому что вторичное поле всегда доступно и без какой-либо задержки.По этой причине постоянные линейные двигатели называются «синхронными».
В PMLSM можно использовать различные типы постоянных магнитов.За последние 120 лет соотношение каждого материала изменилось.На сегодняшний день PMLSM используют либо магниты NdFeB, либо магниты SmCo, но в подавляющем большинстве используются магниты NdFeB.На рис. 4 показана история развития постоянных магнитов.
Рис 4
Сила магнита характеризуется произведением энергии в мегагауссах-эрстедах (MGOe).До середины восьмидесятых были доступны только стали, ферриты и альнико, которые поставляли продукты с очень низким энергопотреблением.Магниты SmCo были разработаны в начале 1960-х годов на основе работ Карла Стрната и Олдена Рэя, а затем в конце 60-х годов были коммерциализированы.
Рис 5
Энергетический продукт магнитов SmCo изначально более чем вдвое превышал энергетический продукт магнитов Alnico.В 1984 году General Motors и Sumitomo независимо друг от друга разработали магниты NdFeB, соединение неодима, железа и бора.Сравнение магнитов SmCo и NdFeB показано на рис. 5.
Магниты NdFeB развивают гораздо большую силу, чем магниты SmCo, но гораздо более чувствительны к высоким температурам.Магниты SmCo также намного более устойчивы к коррозии и низким температурам, но стоят дороже.Когда рабочая температура достигает максимальной температуры магнита, магнит начинает размагничиваться, и это размагничивание необратимо.Потеря намагниченности магнита приведет к тому, что двигатель потеряет силу и не сможет соответствовать спецификациям.Если магнит работает при температуре ниже максимальной 100% времени, его сила будет сохраняться практически бесконечно.
Из-за более высокой стоимости магнитов SmCo магниты NdFeB являются правильным выбором для большинства двигателей, особенно с учетом более высокой доступной силы.Однако для некоторых приложений, где рабочая температура может быть очень высокой, предпочтительнее использовать магниты SmCo, чтобы избежать максимальной рабочей температуры.
Конструкция линейных двигателей
Линейный двигатель обычно проектируется с помощью электромагнитного моделирования методом конечных элементов.Будет создана 3D-модель, представляющая пакет ламинирования, катушки, магниты и стальную пластину, поддерживающую магниты.Воздух будет смоделирован вокруг двигателя, а также в воздушном зазоре.Затем свойства материалов будут введены для всех компонентов: магнитов, электротехнической стали, стали, катушек и воздуха.Затем будет создана сетка с использованием элементов H или P, и модель будет решена.Затем ток подается на каждую катушку в модели.
На рис. 6 показаны результаты моделирования, где отображается поток в теслах.Основное выходное значение, представляющее интерес для симуляции, — это, конечно, сила двигателя, и оно будет доступно.Поскольку конечные витки катушек не создают никакой силы, также можно запустить 2D-моделирование с использованием 2D-модели (DXF или другого формата) двигателя, включая пластины, магниты и стальную пластину, поддерживающую магниты.Результат такой 2D-симуляции будет очень близок к 3D-симуляции и достаточно точен для оценки двигательной силы.
Рис. 6
Линейный асинхронный двигатель будет смоделирован таким же образом, либо с помощью 3D-, либо 2D-модели, но решение будет более сложным, чем для PMLSM.Это связано с тем, что магнитный поток вторичной обмотки PMLSM будет смоделирован сразу после ввода свойств магнитов, поэтому для получения всех выходных значений, включая силу двигателя, потребуется только одно решение.
Однако вторичный поток асинхронного двигателя потребует анализа переходных процессов (имеется в виду несколько решений за заданный интервал времени), чтобы можно было построить магнитный поток вторичной обмотки ЛАД и только после этого можно было получить силу.Программное обеспечение, используемое для моделирования электромагнитных конечных элементов, должно иметь возможность выполнять анализ переходных процессов.
Ступень линейного двигателя
Рис 7
Корпорация Hiwin поставляет линейные двигатели на уровне компонентов.В этом случае будут поставлены только линейный двигатель и вторичные модули.Для двигателя PMLSM вторичные модули будут состоять из стальных пластин разной длины, поверх которых будут установлены постоянные магниты.Корпорация Hiwin также поставляет комплектные ступени, как показано на рис. 7.
Такая ступень включает в себя раму, линейные подшипники, первичный двигатель, вторичные магниты, каретку, на которую заказчик может прикрепить свою полезную нагрузку, энкодер и кабельную трассу.Ступень с линейным двигателем будет готова к запуску сразу после доставки и облегчит жизнь, поскольку заказчику не нужно будет проектировать и изготавливать сцену, для чего требуются специальные знания.
Срок службы линейного двигателя
Срок службы ступени с линейным двигателем значительно больше, чем у ступени с ременным, шарико-винтовым приводом или зубчатой рейкой.Механические компоненты ступеней с непрямым приводом обычно первыми выходят из строя из-за трения и износа, которым они постоянно подвергаются.Ступень линейного двигателя представляет собой прямой привод без механического контакта или износа, поскольку средой передачи является воздух.Таким образом, единственными компонентами, которые могут выйти из строя на линейном двигателе, являются линейные подшипники или сам двигатель.
Линейные подшипники обычно имеют очень длительный срок службы, поскольку радиальная нагрузка очень мала.Срок службы двигателя будет зависеть от средней рабочей температуры.На рис. 8 показана зависимость срока службы изоляции двигателя от температуры.Как правило, срок службы сокращается вдвое на каждые 10 градусов Цельсия, если рабочая температура превышает номинальную.Например, двигатель с классом изоляции F будет работать 325 000 часов при средней температуре 120°C.
Таким образом, предполагается, что линейный двигатель будет иметь срок службы более 50 лет, если двигатель выбран консервативно, срок службы, который никогда не может быть достигнут для ступеней с ременным, шарико-винтовым приводом или реечной передачей.
Рис. 8
Применение линейных двигателей
Линейные асинхронные двигатели (LIM) в основном используются в приложениях с большой длиной хода и там, где требуется очень большое усилие в сочетании с очень высокими скоростями.Причина выбора линейного асинхронного двигателя заключается в том, что стоимость вторичной обмотки будет значительно ниже, чем при использовании PMLSM, а на очень высокой скорости эффективность линейного асинхронного двигателя очень высока, поэтому потери мощности будут незначительными.
Например, ЭМАЛС (электромагнитные пусковые системы), используемые на авианосцах для запуска самолетов, используют линейные асинхронные двигатели.Первая такая система линейного двигателя была установлена на авианосце USS Gerald R. Ford.Мотор может разогнать самолет массой 45 000 кг до 240 км/ч на трассе длиной 91 метр.
Еще один пример аттракционов в парке развлечений.Линейные асинхронные двигатели, установленные на некоторых из этих систем, могут разгонять очень большие грузы от 0 до 100 км/ч за 3 секунды.Ступени линейного асинхронного двигателя также можно использовать на RTU (транспортных роботах).В большинстве RTU используются приводы с реечной передачей, но линейный асинхронный двигатель может обеспечить более высокую производительность, меньшую стоимость и гораздо более длительный срок службы.
Синхронные двигатели с постоянными магнитами
PMLSM обычно используются в приложениях с гораздо меньшим ходом, более низкими скоростями, но высокой и очень высокой точностью и интенсивными рабочими циклами.Большинство из этих приложений можно найти в AOI (автоматическая оптическая инспекция), полупроводниковых и лазерных машинах.
Выбор ступеней с приводом от линейного двигателя (прямой привод) обеспечивает значительные преимущества в производительности по сравнению с непрямыми приводами (ступени, в которых линейное движение достигается путем преобразования вращательного движения) для долговечных конструкций и подходит для многих отраслей промышленности.
Время публикации: 06 февраля 2023 г.