Линейный двигатель принцип работы

Линейные двигатели

Линейный двигатель является одной из разновидностей электрического двигателя, где подвижная часть линейно перемещается относительно стационарной. На неподвижную часть (первичный элемент) подается электрический ток, создающий магнитное поле. Под действием этого поля в подвижной части (вторичном элементе) возникают вихревые токи, которые, в свою очередь, создают еще одно магнитное поле. При взаимодействии этих магнитных полей возникает сила, направленная вдоль оси линейного двигателя и приводящая его в движение.

Особенностью линейного двигателя является магнитная левитация, то есть создание в вертикальном направлении статической подъемной силы, которая удерживает подвижную часть на небольшом расстоянии от основания. При этом возникает зазор, а движение происходит без непосредственного контакта и, следовательно, без трения.

Части линейного двигателя могут иметь как плоскую, так и цилиндрическую форму. При использовании в промышленном оборудовании параллельно с линейным двигателем часто устанавливаются направляющие качения, это почти не снижает эффективность, но значительно повышает точность и грузоподъемность. Системы линейного перемещения с линейными двигателями зачастую требуют специальных тормозов или стопоров, которые удерживают, сохраняют позицию инструмента или образца при отключении тока.

Есть два основных типа линейных двигателей: с быстрым ускорением и с медленным. Хотя, сравнивая с характеристиками других типов линейных приводов, правильнее было бы сказать «сверхбыстрым» и «быстрым». Линейные двигатели первого типа используются, например, для разгона снарядов в так называемых рельсотронах. Второй тип, о котором как раз и идет речь в данной статье, применяется в поездах на магнитной подушке и системах линейного перемещения.

Осевое усилие промышленных линейных двигателей составляет от нескольких Н до десятков кН. Диапазон скоростей также очень широк – от 10 мкм/с до 15 м/с. Скорость полезного перемещения линейных двигателей может превышать 200 м/мин. Типичные длины хода – десятки-сотни мм, однако ход может достигать 30 м, причем не в транспортной системе, а в обрабатывающем станке. Крайне малое трение и прямое преобразование энергии обеспечивают линейному двигателю КПД свыше 90%.

Линейные двигатели широко используются в прецизионном автоматизированном оборудовании. Это обрабатывающие центры, металлорежущие станки с ЧПУ, например, токарные, сверлильные и фрезерные, лазерные станки для прецизионной резки различных материалов (металла, полимеров, тканей и т.д.). Кроме того, линейные двигатели применяются в многокоординатных системах и роботах, на сборочных производствах, при производстве полупроводников.

Основные преимущества линейных двигателей обуславливаются их конструкцией и принципом действия – в них силовое электромагнитное поле напрямую преобразуется в механическую энергию, и отсутствуют лишние движущиеся части. При их работе, даже с учетом высокой эффективности, выделяется много тепла, поэтому нередко используется воздушное или жидкостное охлаждение. По сравнению с винтовыми приводами, линейные двигатели более долговечны, со временем не теряют точности, а также не имеют осевого люфта и почти не создают вибраций. Также необходимо учитывать, что точность перемещения и позиционирования линейных двигателей определяется в первую очередь возможностями системы управления.

Линейные двигатели можно отнести к категории специальных актуаторов, так как они являются специфическими устройствами и довольно дороги. В зависимости от условий применения и предъявляемых требований мы можем предложить вам различные линейные двигатели или другие линейные приводы. Наши технические специалисты проанализируют ситуацию и выберут наиболее подходящее в данном случае устройство.

Электропривод с линейными двигателями

Подавляющее большинство электродвигателей является электродвигателями вращательного движения. В то же время многие рабочие органы производственных машин должны по технологии своей работы осуществлять поступательное (например, конвейеры, транспортеры и др.) или возвратно-поступательное движение (механизмы подачи станков, манипуляторы, поршневые и другие машины).

Преобразование вращательного движения в поступательное осуществляется посредством специальных кинематических звеньев: винт-гайка, шарико-винтовая передача, шестерня-зубчатая рейка, кривошипно-шатунная передача и другие.

Естественным для конструкторов рабочих машин является желание использовать для привода рабочих органов, совершающих поступательное и возвратно-поступательное движение, двигателей, ротор которых движется линейно.

В настоящее время получают развитие электроприводы, использующие линейные асинхронные, вентильные и шаговые двигатели. Принципиально линейный двигатель любого типа может быть образован из двигателя вращательного движения путем линейной развертки цилиндрического статора в плоскость.

Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя можно получить, если развернуть статор асинхронного двигателя в плоскость. При этом вектор намагничивающих сил статора будет линейно перемещаться вдоль развертки статора, т.е. при этом образуется не вращающееся (как в обычных двигателях), а бегущее электромагнитное поле статора.

В качестве вторичного элемента может использоваться ферромагнитная полоса, располагаемая с небольшим воздушным зазором вдоль развертки статора. Эта полоса играет роль короткозамкнутого ротора. Вторичный элемент увлекается движущимся полем статора и линейно перемещается со скоростью, меньшей скорости движения поля статора на величину линейного абсолютного скольжения.

Линейная скорость бегущего электромагнитного поля будет

где τ, м — полюсное деление — расстояние между соседними полюсами линейного асинхронного двигателя.

Скорость вторичного элемента

где sЛ — относительное линейное скольжение.

При питании двигателя напряжением стандартной частоты получаемые скорости поля будут достаточно велики (более 3 м/с), что затрудняет использование этих двигателей для привода промышленных механизмов. Такие двигатели применяются для высокоскоростных транспортных механизмов. Для получения более низких скоростей движения и регулирования скорости линейного асинхронного двигателя его обмотки питают от преобразователя частоты.

Рис. 1. Конструкция линейного однокоординатного двигателя.

Применяются несколько вариантов конструкций линейного асинхронного двигателя. Одна из них показана на рис. 1. Здесь вторичный элемент (2) — полоса, соединенный с рабочим органом, перемещается по направляющим 1 под действием бегущего электромагнитного поля, создаваемого статором 3. Такая конструкция удобна для компоновки с рабочей машинной, однако, она сопряжена со значительными потоками рассеяния поля статора, вследствие чего cosφ двигателя будет низким.

Рис.2. Линейный двигатель цилиндрической конструкции

Для увеличения электромагнитной связи между статором и вторичным элементом, последний размещают в прорезь между двумя статорами, либо конструкция двигателя выполняется в виде цилиндра (см. рис. 2). В этом случае статор двигателя представляет собой трубку (1), внутри которой расположены цилиндрические наборные катушки (2), являющиеся обмоткой статора. Между катушками размещены ферромагнитные шайбы 3, являющиеся частью магнитопровода. Вторичный элемент — шток трубчатой формы также выполнен из ферромагнитного материала.

Линейные асинхронные двигатели могут также иметь обращенную конструкцию, когда вторичный элемент неподвижен, а перемещается статор. Такие двигатели обычно применяются на транспортных средствах. В этом случае в качестве вторичного элемента используется рельс или специальная полоса, а статор размещается на подвижной тележке.

Недостатком линейных асинхронных двигателей является низкий к.п.д и связанные с этим потери энергии, прежде всего, во вторичном элементе (потери скольжения).

В последнее время кроме асинхронных начали применяться синхронные (вентильные) двигатели. Конструкция линейного двигателя такого типа аналогична представленной на рис. 1. Статор двигателя развернут в плоскость, а на вторичном элементе размещаются постоянные магниты. Возможен вариант обращенной конструкции, когда статор является подвижной частью, а вторичный элемент с постоянными магнитами неподвижен. Переключение обмоток статора производится в зависимости от относительного положения магнитов. С этой целью в конструкции предусмотрен датчик положения (4 — на рис. 1).

Для позиционных приводов эффективно применяются также линейные шаговые двигатели. Если развернуть в плоскость статор шагового двигателя, а вторичный элемент выполнить в виде пластины, на которой путем фрезерования канавок образованы зубцы, то при соответствующем переключении обмоток статора вторичный элемент будет совершать дискретное движение, шаг которого может быть весьма малым — до долей миллиметра. Часто применяется обращенная конструкция, в которой вторичный элемент неподвижен.

Скорость линейного шагового двигателя определяется величиной зубцового деления τ, числом фаз m и частотой переключения

Получение высоких скоростей движения не вызывает трудностей, поскольку увеличение зубцового деления и частоты не лимитируется технологическими факторами. Ограничения существуют для минимального значения τ, т.к. отношение зубцового деления к величине зазора между статором и вторичным элементом должно быть не меньше 10.

Использование дискретного привода позволяет не только упростить конструкцию механизмов, совершающих линейное однокоординатное движение, но и дает возможность с помощью одного привода получить двух или многокоординатное движение. Если на статоре подвижной части расположить ортогонально две системы обмоток, а во вторичном элементе выполнить канавки в двух перпендикулярных направлениях, то подвижный элемент будет совершать дискретное движение в двух координатах, т.е. обеспечивать перемещение на плоскости.

В этом случае возникает задача создания опоры для подвижного элемента. Для ее решения может использоваться воздушная подушка — напор воздуха, подаваемого в пространстве под подвижным элементам. Линейные шаговые двигатели развивают относительно низкое тяговое усилие и имеют низкий к.п.д. Основной областью их применения являются легкие манипуляторы, легкие сборочные станки, измерительные машины, станки для лазерной резки и другие устройства.

Линейные двигатели нового поколения

Приводы подач всех современных металлообрабатывающих станков с ЧПУ, в том числе и электроэрозионных (ЭЭ) строятся по традиционной схеме. Так, в одном из типажей ЭЭ станков перемещения рабочего органа РО (каретки подач) осуществляется от двигателя постоянного тока через ременную передачу на ходовой винт. Через шариковую гайку (она скреплена с РО пружинами механизма защиты от соударений) вращение винта трансформируется в продольное перемещение РО.

Ременный привод станков

Более надежные и современные приводы выполнены без ременной передачи. В этих приводах высокомоментный двигатель переменного тока непосредственно соединен с ходовым винтом.

Непосредственный привод

Недостатки указанных видов приводов достаточно известны и очевидны:

• большое количество промежуточных элементов от источника энергии до РО;
• громадная инерционность этих элементов, особенно в крупногабаритных станках;
• наличие зазоров в передающих устройствах;
• >трение во множестве сопрягаемых деталей (резко изменяющееся при переходе системы из состояния покоя в состояние движения);
• температурные и упругие деформации практически всех передающих звеньев;
• износ сопрягаемых элементов в процессе эксплуатации и потеря исходной точности;
• погрешности в шаге ходового винта и накопленная погрешность по длине.

Поскольку эти недостатки определяют основные качественные характеристики приводов (точность и равномерность хода РО, величину мертвого хода при реверсе, допустимые ускорения и скорости РО), конструкторская мысль станкостроителей давно пытается как-то уменьшить их влияние на работу приводов и оборудования в целом. Например, в соединении ходового винта с гайкой для уменьшения трения уже давно используют дорогое и сложное шариковинтовое соединение; для ликвидации зазоров в соединение винта с гайкой вводятся специальные устройства натяга соединения; ходовые винты особо точных станков изготавливают по классу эталонных; погрешности шага винтов пытаются скомпенсировать системами компенсаторов; в борьбе с температурными деформациями создаются изощрённые системы охлаждения и т.д. Проблемы, проблемы, проблемы. И уже давно ясно, что проблемы приводов с ходовыми винтами не решить никогда из-за их физико-технической сущности и построенного типа, как такового.

Архаичность рассмотренных приводов давно очевидна и передовая конструкторская мысль уже много лет работала над задачей кардинальной замены типовых приводов в металлообрабатывающем оборудовании на какие-то другие, более совершенные. Как говорят, гениальное — просто. И таким гениальным решением было использовать в качестве приводов подач станков линейные двигатели.

Электромагнитная система

Принцип линейного двигателя (ЛД) не нов и, в общем, известен даже школьнику, поскольку прототипом ЛД является простейшая электромагнитная система. Такая система состоит из металлического сердечника-магнита и статорной обмотки. При подаче тока определенной полярности в обмотку сердечник сместится в ту или иную сторону, причем практически мгновенно. Изменение полярности сигнала на обмотку приведет к обратному ходу сердечника. Как видим, от источника энергии к РО нет никаких промежуточных элементов, передача энергии осуществляется через воздушный зазор, ничего не надо вращать, сразу возможно осуществление главной задачи — продольного движения РО. Гениальность решения, естественно, сразу была оценена по достоинству. На рассмотренном принципе уже десятилетия работают все элементы электроавтоматики, системы электротормозов, системы защиты, специальное оборудование ударного типа и т.д. Громадный опыт использования электромагнитных систем четко выявил их потрясающие достоинства: удивительная простота конструкции и применения, почти мгновенная остановка, мгновенный реверс, сверх быстрота срабатывания, большие усилия, простота настройки. Но не было только одного — возможности регулировать скорость РО в электромагнитной системе и обеспечивать тем самым регулируемое поступательное движение РО (сердечника). А без этой возможности применить электромагнитный привод (несмотря на его гениальность), как движитель в оборудовании, было невозможно.

Линейный электродвигатель

Потребовались многие годы работы ученых и конструкторов в разных странах, прежде чем был достигнут успех. Особенно интенсивно велись работы в Японии, где электромагнитный привод (уже как линейный привод) был впервые успешно использован как движитель для сверхскоростных поездов. Там же были попытки создания линейных приводов для металлообрабатывающих станков, но они имели существенные недостатки: создавали сильные магнитные поля, грелись, а главное не обеспечивали равномерности в движении РО. Лишь на пороге нового тысячелетия начался серийный выпуск станков (пока в основном электроискровых (электроэрозионных)) с принципиально новыми линейными двигателями, в которых решены все проблемы по обеспечению равномерным движением РО станков со сверхвысокой точностью, с большим диапазоном регулирования скорости, с громадными ускорениями, мгновенным реверсом, с простотой обслуживания и наладки и др.

В принципе, конструкция ЛД изменилась не сильно. Собственно двигатель состоит всего из 2 (!) элементов: электромагнитного статора и плоского ротора, между которыми лишь воздушный зазор. Третий обязательный элемент – оптическая или другая измерительная линейка с высокой дискретностью (0,1 мкм). Без нее система управления станка не может определить текущие координаты. И статор, и ротор выполнены в виде плоских, легко снимаемых блоков: статор крепится к станине или колонне станка, ротор — к рабочему органу (РО). Ротор элементарно прост: он состоит из ряда прямоугольных сильных (редкоземельных) постоянных магнитов. Закреплены магниты на тонкой плите из специальной высокопрочной керамики, коэффициент температурного расширения которой в два раза меньше чем у гранита. Использование керамики совместно с эффективной системой охлаждения решило многие проблемы линейных приводов, связанные с температурными факторами, с наличием сильных магнитных полей, с жесткостью конструкции и т.п.

Точная и равномерная подача РО во всем диапазоне скоростей и нагрузок обеспечивается двумя техническими решениями:

• крепление постоянных магнитов под определенным фиксированным углом, который был открыт в ходе длительных экспериментов;
• реализация высокоэффективной 6-ти фазной импульсной системы управления (система SMC).

Компания «СОДИК» организовала на своих заводах серийный выпуск широкой гаммы ЛД с характеристиками: с ходом подач от 100 до 2220 мм, с максимальной скоростью перемещения РО до 180 м/мин с ускорениями до 20G (. ) при точности исполнения заданных перемещений (в нормальном режиме работ) равной 0,0001мм (0,1 мкм). Нагрев этих ЛД при работе не превышает + 2° С от температуры помещения. Обеспечивается практически мгновенная остановка РО, реверс, моментальная реакция привода на команды системы ЧПУ и т.д. На один и тот же рабочий орган монтируется (например, для увеличения мощности) несколько линейных двигателей. Так, в частности, устроен привод оси Z всех ЭЭ прошивочных станков «СОДИК».

Как указывалось, и статор, и ротор ЛД предельно просты. Статор исполнен в виде прямоугольного блока и крепится несколькими болтами к несущей конструкции станка. В приводе оси Z — два статора. Они размещены по обе стороны вертикального ползуна. К каждому статору крепятся два патрубка системы охлаждения статора и кабели подвода энергии и управления. Пластина ротора жестко крепится болтами к подвижной каретке (РО ). Так как в приводе оси Z два ЛД, то на каретке крепятся, соответственно, два ротора , каждый напротив своего статора. Система специальных направляющих и пневмопротивовес обеспечивают исключительную легкость хода каретки, практически без усилий. Приводы по осям X, Y прошивочных станков и в приводах X, Y, U, V проволочно-вырезных станков проще — в них всего по одному ЛД.

Особенно следует отметить простоту обслуживания ЛД, простоту периодической чистки (при необходимости), профилактики и ремонта. Так, чтобы заменить ротор ЛД, достаточно открутить несколько болтов, крепящих ротор к РО. Для замены статора помимо болтов нужно лишь снять две трубки системы охлаждения статора и отсоединить кабель. Сравните эти действия, например, с комплексом работ по снятию шаровой гайки или замене подшипника ходового винта.

Эффективность применения новых приводов сразу же нашло убедительное подтверждение. Новая серия ЭЭ станков с ЛД имеет резко повышенные технико-технологические и эксплуатационные характеристики по сравнению с аналогичными станками, имеющими традиционные приводы. Так, производительность ЭЭ прошивных станков с ЛД выше, чем у станков с обычными приводами как минимум в 2 раза, а ЭЭ проволочно-вырезных – на 50%. Повысилась точность станков, расширились диапазоны параметров обрабатываемых деталей и т.д. Для объяснения этого необходимо рассматривать определенные тонкости ЭЭ технологий и работы ЭЭ оборудования, а это уже тема другая.

Нижеследующая таблица позволяет зрительно сопоставить рассматриваемые привода.

Назад

Вперед

Автор статьи — к.т.н. Серебреницкий П.П., БГТУ «Военмех» им. Д.Ф. Устинова

Подпишитесь на наши новости

Получайте первыми актуальную информацию от ООО «Электропривод»

Линейные двигатели

Применение линейных двигателей имеет следующие преи­мущества перед схемами с серводвигателями: точность позиционирования; возможны сверхмалые подачи (микроны); высокая скорость (свыше 3 м/с); высокое ускорение (80 м/с 2 ); отсутствие мертвого хода; низкий уровень шума даже при максимальной скорости; возможность реализации малых рабочих ходов; отсутствуют упругие деформации элементов привода (зубчатый ремень, винт ШВП); длительный срок службы и надежность. К недостаткам следует отнести: высокие требования к точности изготовления элементов машины; наличие системы охлаждения; высокая стоимость.
В состав типовой сервосистемы на основе линейного двигателя (рис. 1) входят: линейный двигатель, состоящий из первичной и вторичной секций; блок управления (на рисунке не показан); рабо­чий стол; направляющие качения; датчик об­ратной связи; кабелеукладочная цепь; ограничитель хода; буфер.

Для контроля скорости, положения системы и коммутации двигателя используется датчик линейных перемещений. Этот узел преобразует измеряемое перемещение в последовательность электрических сигналов, содержащих информа­цию о величине и направлении этих перемещений. Преобра­зователь состоит из измерительной головки и линейки, при этом между ними отсутствует механический контакт. Как правило, это оптоэлектрические датчики, но также могут ис­пользоваться магнитные и индукционные системы.
Линейный двигатель, как и вращающийся, состоит из двух частей: первичной и вторичной секций. Первичная сек­ция соответствует статору вращающегося двигателя. Она включает в себя шихтованный магнитопровод с трехфазной обмоткой и температурный датчик. Вторичная секция пред­ставляет собой ротор, состоящий из стального несущего каркаса с прикрепленными к нему постоянными магнитами. Первичная и вторичная секции заключены в оболочки.
Условно говоря, линейный двигатель (рис.2) представляет собой вращающийся двигатель, который разрезан и «развернут» в плоское состояние. Соответственно, принципы работы остаются неизменными. Однако, в линейном двигателе движение совершает первичная секция (обмотка) при непод­вижной вторичной секции (роторе).

Движущее магнитное поле генерируется обмоткой первичной секции. Поля вторичной секции и результирующее магнитное поле первичной секции создают движение в соответствующем направлении посредством создания тягового усилия. Положение результирующего вектора определяется фазами токов инвертора, а амплитуда вектора, и, следовательно, развиваемое мотором усилие, задается амплитудами фазных токов.
Для нормальной работы линейного двигателя необходимо точно выдержать воздушный зазор между первичной и вторичной секциями. При увеличении зазора уменьшается нагрузочная способность двигателя. В связи с этим повышаются требования к точности исполнения монтажных поверхностей. На величину и точность воздушного зазора влияют направляющие прямолинейного движения и рабочий стол.
Как и серводвигатель, линейный двигатель управляется блоком управления. Модель блока управления определяется выбранным типом линейного двигателя.
На одной оси могут быть установлены две первичных секции, работающие параллельно от одного блока управления. Эти секции должны быть одного типоразмера с одинаковым типом обмотки. При этом расстояние между первичными секциями определяется требуемыми позициями электрических фаз. Допустимые компоновки секций и расстояния между ними приводятся в документации на двигатель.
Критическим местом для линейных двигателей является температурный режим. Производители предлагают линейные двигатели с воздушным и водяным (масляным) охлаждением. Это может быть один и тот же двигатель, работающий в разных режимах.
Конвекционное охлаждение значительно упрощает конструкцию машины, однако, при этом существенно снижается номинальное тяговое усилие (≈ в 2 раза). Максимальное усилие двигателя остается прежним. На рис. 3 представлена простейшая схема водяного охлаждения. Естественно, наличие охлаждения делает конструкцию всей машины в целом сложнее.

Стремясь улучшить охлаждение двигателя, производители вводят в его конструкцию дополнительные охлаждающие элементы. На рис. 4 (а) приведена конструкция первичной секции двигателя фирмы Sew-Eurodrive с воздушным охлаждением, в которой применен вентилятор. На рис. 4 (б) представлен линейный двигатель фирмы Siemens с дополнительным водяным радиатором направленного охлаждения первичной и контуром охлаждения вторичной секций.

Для предотвращения перегрева линейный двигатель оснащается датчиком температуры. Датчик отключает двигатель при температуре обмотки ≈ 120ºС.
К основным характеристикам линейного двигателя относят: номинальное тяговое усилие F_N, H; максимальное тяговое усилие F_max, H; максимальная скорость V_max, м/с; сила магнитного притяжения первичной секции – длина L, мм и ширина B, мм. На рис.5 представлена типовая зависимость тягового усилия от линейной скорости. Номинальное усилие F_N, задающее область работы с постоянной нагрузкой, определяется температурным режимом. С максимальным усилием двигатель может работать ограниченное время и не во всем диапазоне скоростей.

В таблице 1 приведены данные о характеристиках линейных двигателей от различных производителей. Номинальное тяговое усилие приводится при воздушном и водяном охлаждения (разделены знаком «/»). Естественно, все модели не могут быть представлены в одной таблице. Полные каталоги предоставляются производителями или их дилерами.

Таблица 1. Характеристики линейных двигателей

Mitsubishi(тип HALM 12, 14)

Sew-Eurodrive (тип SL2-Basic)

Siemens (тип 1FN3)

Линейный двигатель

Лине́йный дви́гатель — электродвигатель, у которого один из элементов магнитной системы разомкнут и имеет развёрнутую обмотку, создающую магнитное поле, а другой взаимодействует с ним и выполнен в виде направляющей, обеспечивающей линейное перемещение подвижной части двигателя. Сейчас разработано множество разновидностей (типов) линейных электродвигателей, например:

• линейные асинхронные электродвигатели (ЛАД),
• линейные синхронные электродвигатели,
• линейные электромагнитные двигатели,
• линейные магнитоэлектрические двигатели,
• линейные магнитострикционные двигатели,
• линейные пьезоэлектрические (электрострикционные) двигатели и др.

Многие типы линейных двигателей, такие как асинхронные, синхронные или постоянного тока, повторяют по принципу своего действия соответствующие двигатели вращательного движения, в то время как другие типы линейных двигателей (магнитострикционные, пьезоэлектрические и др.) не имеют практического исполнения как двигатели вращательного движения. Неподвижную часть линейного электродвигателя, получающую электроэнергию из сети, называют статором, или первичным элементом, а часть двигателя, получающую энергию от статора, называют вторичным элементом или якорем (название «ротор» к деталям линейного двигателя не применяется, так как слово «ротор» буквально означает «вращающийся», а в линейном двигателе вращения нет).

Наибольшее распространение в транспорте и для больших линейных перемещений получили асинхронные и синхронные линейные двигатели, но применяются также линейные двигатели постоянного тока и линейные электромагнитные двигатели. Последние чаще всего используются для получения небольших перемещений рабочих органов и обеспечения при этом высокой точности и значительных тяговых усилий.

Содержание

• 1 Асинхронный линейный двигатель
• 2 Синхронный линейный двигатель
• 3 Применение линейных двигателей
• 4 Линейные двигатели высокого и низкого ускорения
• 5 Источники
• 6 Ссылки

Асинхронный линейный двигатель

Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя можно получить, если мысленно разрезать статор и ротор с обмотками обычного асинхронного двигателя вдоль оси по образующей и развернуть в плоскость. Образовавшаяся плоская конструкция представляет собой принципиальную схему линейного двигателя. Если теперь обмотки статора такого двигателя подключить к сети трехфазного переменного тока, то образуется магнитное поле, ось которого будет перемещаться вдоль воздушного зазора со скоростью V, пропорциональной частоте питающего напряжения f и длине полюсного деления t: V = 2пf . Это перемещающееся вдоль зазора магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке начнут протекать токи. Взаимодействие токов с магнитным полем приведет к появлению силы, действующей, по правилу Ленца, в направлении перемещения магнитного поля. Ротор — в дальнейшем будем называть его уже вторичным элементом — под действием этой силы начнет двигаться. Как и в обычном асинхронном двигателе, перемещение элемента происходит с некоторым скольжением относительно поля S = (V — v)/V, где v — скорость движения элемента. Номинальное скольжение линейного двигателя равно 2-6%. [1] Вторичный элемент линейного двигателя не всегда снабжается обмоткой. Одно из достоинств линейного асинхронного двигателя заключается в том, что в качестве вторичного элемента может использоваться обычный металлический лист. Вторичный элемент при этом может располагаться также между двумя статорами, или между статором и ферромагнитным сердечником. Вторичный элемент выполняется из меди, алюминия или стали, причем использование немагнитного вторичного элемента предполагает применение конструктивных схем с замыканием магнитного потока через ферромагнитные элементы. Принцип действия линейных двигателей со вторичным элементом в виде полосы повторяет работу обычного асинхронного двигателя с массивным ферромагнитным или полым немагнитным ротором. Обмотки статора линейных двигателей имеют те же схемы соединения, что и обычные асинхронные двигатели, и подключаются обычно к сети трехфазного переменного тока. Линейные двигатели очень часто работают в так называемом обращенном режиме движения, когда вторичный элемент неподвижен, а передвигается статор. Такой линейный двигатель, получивший название двигателя с подвижным статором, находит, в частности, широкое применение на электрическом транспорте. Например, статор неподвижно закреплен под полом вагона, а вторичный элемент представляет собой металлическую полосу между рельс, а иногда вторичным элементом служат сами рельсы. Одной из разновидностей линейных асинхронных двигателей являются трубчатый (коаксиальный) двигатель. Статор такого двигателя имеет вид трубы, внутри которой располагаются перемежающиеся между собой плоские дисковые катушки (обмотки статора) и металлические шайбы, являющиеся частью магнитопровода. Катушки двигателя соединяются группами и образуют обмотки отдельных фаз двигателя. Внутри статора помещается вторичный элемент также трубчатой формы, выполненный из ферромагнитного материала. При подключении к сети обмоток статора вдоль его внутренней поверхности образуется бегущее магнитное поле, которое индуцирует в теле вторичного элемента токи, направленные по его окружности. Взаимодействие этих токов с магнитным полем двигателя создает на вторичном элементе силу, действующую вдоль трубы, которая и вызывает (при закрепленном статоре) движение вторичного элемента в этом направлении. Трубчатая конструкция линейных двигателей характеризуется аксиальным направлением магнитного потока во вторичном элементе в отличие от плоского линейного двигателя, в котором магнитный поток имеет радиальное направление.

Синхронный линейный двигатель

Основной областью применения синхронных двигателей, где их преимущества проявляются особенно сильно, является высокоскоростной электрический транспорт. Дело в том, что по условиям нормальной эксплуатации такого транспорта необходимо иметь сравнительно большой воздушный зазор между подвижной частью и вторичным элементом. Асинхронный линейный двигатель имеет при этом очень низкий коэффициент мощности (cosφ), и его применение оказывается экономически невыгодным. Синхронный линейный двигатель, напротив, допускает наличие относительно большого воздушного зазора между статором и вторичным элементом и работает при этом с cosφ, близким к единице, и высоким КПД, достигающим 96%. Применение синхронных линейных двигателей в высокоскоростном транспорте сочетается, как правило, с магнитной подвеской вагонов и применением сверхпроводящих магнитов и обмоток возбуждения, что позволяет повысить комфортабельность движения и экономические показатели работы подвижного состава.

Применение линейных двигателей

• Широкое применение линейные двигатели нашли в электрическом транспорте, чему способствовал целый ряд преимуществ этих двигателей: прямолинейность движения вторичного элемента (или статора), что естественно сочетается с характером движения различных транспортных средств, простота конструкции, отсутствие трущихся частей (энергия магнитного поля непосредственно преобразуется в механическую), что позволяет добиться высокой надежности и КПД. Еще одно преимущество связано с независимостью силы тяги от силы сцепления колес с рельсовым путём, что недостижимо для обычных систем электрической тяги. При использовании линейных двигателей исключается буксование колес электрического транспорта (именно этой причиной был обусловлен выбор линейного двигателя для ММТС), а ускорения и скорости движения средств транспорта могут быть сколь угодно высокими и ограничиваться только комфортабельностью движения, допустимой скоростью качения колес по рельсовому пути и дороге, и динамической устойчивостью ходовой части транспорта и пути.
• Линейные асинхронные двигатели применяются для привода механизмов транспортировки грузов различных изделий. Такой конвейер имеет металлическую ленту, которая проходит внутри статоров линейного двигателя, являясь вторичным элементом. Применение линейного двигателя в этом случае позволяет снизить предварительное натяжение ленты и устранить её проскальзывание, повысить скорость и надежность работы конвейера.
• Линейный двигатель может применяться для машин ударного действия, например сваезабивных молотов, применяемых при дорожных работах и строительстве. Статор линейного двигателя располагается на стреле молота и может перемещаться по направляющим стрелы в вертикальном направлении с помощью лебедки. Ударная часть молота является одновременно вторичным элементом двигателя. Для подъема ударной части молота двигатель включается таким образом, чтобы бегущее поле было направлено вверх. При подходе ударной части к крайнему верхнему положению двигатель отключается и ударная часть опускается вниз на сваю под действием силы тяжести. В некоторых случаях двигатель не отключается, а реверсируется, что позволяет увеличить энергию удара. По мере заглубления сваи статор двигателя перемещается вниз с помощью лебедки. Электрический молот прост в изготовлении, не требует повышенной точности изготовления деталей, нечувствителен к изменению температуры и может вступать в работу практически мгновенно.
• Линейный двигатель показал высокие характеристики и на металлорежущем оборудовании. Так на шлифовальных станках 3В130Ф4 установлен именно линейный двигатель для изменения положения бабки шлифовальной. На электроэрозионных станках и станках лазерной резки, так же устанавливают линейные двигатели
• Станки для набор электрических схем также требуют решений на линейных двигателях.
• Разновидностью линейного двигателя можно считать магнитогидродинамический насос. Такие насосы применяются для перекачки электропроводящих жидкостей и в том числе жидких металлов, и широко применяются в металлургии для транспортировки, дозировки и перемешивания жидкого металла, а также на атомных электростанциях для перекачки жидкометаллического теплоносителя. Магнитогидродинамические насосы могут быть постоянного или переменного тока. Для насоса постоянного тока первичным элементом — статором двигателя постоянного тока — является С-образный электромагнит. В воздушный зазор электромагнита помещается трубопровод с жидким металлом. С помощью электродов, приваренных к стенкам трубопровода, через жидкий металл пропускается постоянный ток от внешнего источника. Часто обмотка возбуждения включается последовательно в цепь электродов. При возбуждении электромагнита на металл в зоне прохождения постоянного тока начинает действовать электромагнитная сила аналогично тому, как она действовала на проводник с током, помещенным в магнитное поле. Под действием этой силы металл начнет перемещаться по трубопроводу. Преимуществами МГД-насосов являются отсутствие движущихся механических частей и возможность герметизации канала транспортировки металла. [2]
• Вертикальные линейные двигатели используются для лифтов в высотных зданиях, что позволяет обойтись без затраты энергии на подъем троса кабины лифта.

Линейные двигатели высокого и низкого ускорения

Все линейные двигатели можно разделить на две категории:

• двигатели низкого ускорения
• двигатели высокого ускорения

Двигатели низкого ускорения используются в общественном транспорте (маглев, монорельс, метрополитен) как тяговые, а также в станках (лазерных, водорезных, сверлильно-фрезерных) и другом технологическом оборудовании в промышленности. Двигатели высокого ускорения весьма небольшие по длине, и обычно применяются, чтобы разогнать объект до высокой скорости, а затем выпустить его (см. пушка Гаусса). Они часто используются для исследований гиперскоростных столкновений, а также, гипотетически, может использоваться в специальных устройствах, таких, как оружие или пусковые установки космических кораблей.

Линейные двигатели широко используются также в приводах подачи металлорежущих станков и в робототехнике. Для повышения точности позиционирования часто используются линейные датчики положения.

Линейные электродвигатели. Основные разновидности и их применение

Назначение и типы линейных электродвигателей

Ротационные электродвигатели обычно предназначены для реализации вращательного движения рабочего механизма. Иногда эти двигатели осуществляют поступательные или возвратно-поступательные движения. Достигается это при помощи кинематических передач усложняющих конструкцию и снижающих коэффициент полезного действия привода. Применение линейных электродвигателей позволяет устранить эти недостатки.

В ротационных электродвигателях индуктор представляет собой цилиндр, внутри которого вращается ротор. В плоских линейных электродвигателях индуктор развернут на плоскости. Индуктор цилиндрического линейного электродвигателя — цилиндр, внутри которого линейно перемещаются вторичные элементы.

Основные типы линейных электродвигателей: линейные асинхронные электродвигатели, линейные синхронные электродвигатели, линейные электродвигатели постоянного тока, линейные шаговые электродвигатели. Наибольшее применение получили линейные асинхронные электродвигатели. Первичная обмотка асинхронного линейного электродвигателя возбуждает бегущее электромагнитное поле. В результате взаимодействия первичного поля и индуктируемых токов во вторичном элементе возникает тяговое усилие. Вторичный элемент прямолинейно перемещается. В линейных асинхронных электродвигателях имеют место ухудшающие характеристики краевые эффекты. Разомкнутость магнитной цепи в продольном направлении вызывает продольный краевой эффект. Увеличение числа полюсов индуктора снижает продольный краевой эффект. Наличие на краях вторичного элемента продольных составляющих токов, не создающих полезное тяговое усилие — поперечный краевой эффект. Увеличение ширины вторичного элемента снижает влияние поперечного краевого эффекта. Итак, принцип действия как ротационных, так и линейных электродвигателей имеет одну и ту же физическую природу.

Применение линейных электродвигателей

Линейные электродвигатели применяются там, где они упрощают конструкцию, повышают производительность машин и оборудования, или в тех случаях, когда использование ротационных электродвигателей по их характеристикам невозможно. Применение линейных электродвигателей наиболее перспективно в промышленном и пассажирском транспорте. В конвейерных поездах индукторы электропривода расположены вдоль рельсового пути, вторичный элемент электродвигателя находится на подвижном составе. Такие поезда удобны при транспортировке угля, руды и строительных материалов. На примере системы городского эстакадного пассажирского транспорта показан другой вариант исполнения линейного электродвигателя, где вторичный элемент установлен вдоль пути в виде токопроводящей вертикальной полосы. А индукторы установлены в движущемся вагоне. Линейные асинхронные электродвигатели широко применяются в приводах различных исполнительных механизмов и устройств. В приводах разъединителей тяговых подстанций цилиндрический линей электродвигатель существенно упрощает конструкцию, повышает быстродействие и эксплуатационную надежность оборудования.

В ряде случаев, вторичным элементом двигателя может быть и деталь рабочего механизма. Привод поворотного стола манипулятора осуществлен на базе плоских линейных электродвигателей, что обеспечивает высокую точность углового позиционирования стола и существенно упрощает механическую часть устройства. В отдельных случаях, линейные асинхронные электродвигатели могут эффективно выполнять сразу несколько целевых функций. Литейная карусельная машина. Ее привод реализован на линейных электродвигателях плоского исполнения. Он может перемещать и при технологической необходимости подогревать из ложницы. Коэффициент полезного действия таких приводов значительно выше, чем КПД приводов с одной целевой функцией.

Принцип работы линейного асинхронного электродвигателя может быть использован при создании других электромагнитных устройств, например в сепараторах цветных металлов. Линейные электродвигатели успешно применяются в различных системах внутрицехового транспорта. Основными преимуществами линейных электродвигателей являются возможность получения непосредственного прямолинейного движения, больших скоростей и ускорений, простота конструкции, бесшумность и надежность работы. Развитие микропроцессорной техники и разработка новых средств управления позволяют постоянно расширять области эффективного применения линейных электродвигателей.

Линейные асинхронные двигатели

Подвижная часть линейного двигателя совершает поступательное движение, поэтому применение этих двигателей для привода рабочих машин с поступательным движением рабочего органа позволяет упростить кинематику механизмов, уменьшим потери в передачах и повысить надежность механизма в целом.

Возможны линейные двигатели четырех видов: электромагнитные (соленоидные), магнитоэлектрические (с применением постоянного магнита), электродинамические и асинхронных. Асинхронные (индукционные) линейные двигатели благодаря простоте конструкции и высокой надежности получили наибольшее применение.

Для объяснения принципа работы линейного асинхронного двигателя обратимся к асинхронному двигателю с вращательным движением ротора. Если статор этого двигателя (рис. 17.10, а) мысленно «разрезать» и «развернуть» так, чтобы он образовал дугу с углом α (рис. 17.10, б), то диаметр ротора увеличится. При этом мы получим асинхронный двигатель с дуговым статором Частота вращения (об/мин) магнитного поля статора этого двигателя (синхронная частота)

где n 0 ₁ — синхронная частота вращения обычного (до «разрезания») асинхронного двигателя, об/мин; α — угол дуги статора, рад.

Из (17.6) следует, что, изменяя угол α, можно получить дуговой асинхронный двигатель на любую синхронную частоту меньше частоты вращения n 0 ₁. Дуговые двигатели применяют для безредукторного привода устройств, требующих небольших частот вращения, исключив применение сложного и трудоемкого редуктора.

Рис. 17.10. К понятиям о дуговом и ли­нейном двигателях

Если же «разрезанный» статор развернуть в плоскость, то получим асинхронный линейный двигатель (рис. 17.10, в). Принципиальное конструктивное отличие линейного асинхронного двигателя от асинхронного двигателя с вращательным движением ротора

состоит в том, что первичный элемент линейного двигателя (индуктор) создает не вращающееся, а бегущее магнитное поле и нижняя часть двигателя с короткозамкнутой обмоткой (или без нее) называемая вторичным элементом, перемещается вдоль своей оси. Скорость бегущего поля в линейном двигателе (м/с)

где f₁ — частота тока в обмотке статора, Гц; τ — полюсное деление; L_c — длина статора (индуктора), м.

Принцип действия линейного асинхронного двигателя основан на том, что бегущее поле индуктора, сцепляясь с короткозамкнутой обмоткой вторичного элемента двигателя, наводит в ней ЭДС. Возникающие в стержнях этой обмотки токи взаимодействуют с бегущим полем индуктора и создают на индукторе и вторичном элементе электромагнитные силы, стремящиеся линейно переместить подвижную часть двигателя относительно неподвижной. В некоторых конструкциях линейных двигателей подвижной частью является индуктор, а в некоторых — вторичный элемент, называемый в этом случае бегунком. Если вторичный элемент линейного двигателя невозможно изготовить с короткозамкнутой обмоткой, то применяют вторичные элементы в виде полосы из меди, алюминия или ферромагнитной стали. Наиболее удовлетворительными получаются характеристики линейного двигателя при составном вторичном элементе, например выполненном в виде полосы из ферромагнитной стали, покрытой слоем меди.

Основной недостаток асинхронных двигателей с разомкнутым статором — дуговых и линейных — явление краевого эффекта, представляющего собой комплекс электромагнитных процессов, обусловленных разомкнутой конструкцией статора. К нежела­тельным последствиям краевого эффекта в первую очередь следу­ет отнести появление «паразитных» тормозных усилий, направ­ленных против движения подвижной части двигателя, и возникновение поперечных сил, стремящихся сместить подвиж­ную часть двигателя в поперечном направ­лении. Кроме того, краевой эффект вызывает ряд других нежелательных явлений, ухуд­шающих рабочие характеристики линейных двигателей.

Линейные асинхронные двигатели при­меняют для привода заслонок, ленточных конвейеров, подъемно-транспортных меха­низмов. На рис. 17.11 показано устройство линейного асинхронного двигателя привода тележки подъемного крана. На тележке 3 расположен индуктор линейного двигателя, состоящий из шихтованного сердечника 6, в пазах которого расположена обмотка 5. На­правляющая для колес 2 представляет собой стальную балку 7, к нижней части которой прикреплена стальная полоса 4. Бегущее магнитное поле индуктора наводит в стальной полосе 4 вихревые токи. Электромаг­нитные силы, возникающие в результате взаимодействия этих токов с магнитным полем индуктора, перемещают индуктор (тележку) вдоль стальной полосы 4.

Рис. 17.11. Линей­ный асинхронный двигатель

привода тележки подъемного крана

Линейные асинхронные двигатели значительной мощности применяют на транспорте в качестве тяговых двигателей. Один из вариантов такого двигателя показан на рис. 17.12. Здесь индуктор 2 двигателя подвешен к транспортному средству 1, а стальная полоса 3 установлена вертикально на основании пути между рельсами. Из этой конструкции поперечная сила F_п вызванная краевым эффектом используется полезно, так как она уменьшает силу давления на несущие оси и колеса и, как следствие, уменьшает трение качения.

Рис 17.12. Линейный асинхронный двигатель

привода железнодорожного транспортного средства

Контрольные вопросы

1.В чем различие между схемами соединения индукционного регулятора на­пряжения и фазорегулятора?

2.Сколько раз напряжение на выходе ИР достигнет наибольшего значения за один оборот ротора, если обмотка имеет 2р = 6?

3.В каком направлении следует вращать ротор АПЧ, чтобы на выходе полу­чить ЭДС частотой, большей частоты тока в сети?

4.Какую долю мощности на выходе АПЧ составит мощность приводного дви­гателя, если частота тока на входе АПЧ равна 50 Гц, а на выходе — 100 Гц?

5.Объясните работу сельсинов в индикаторной системе передачи. Чем вызвана ошибка в воспроизведении угла поворота?

6.Чем обеспечивается отсутствие самохода в асинхронном исполнительном двигателе?

7.Объясните принцип работы асинхронного линейного двигателя.

8.Что такое краевой эффект и каковы его нежелательные действия в линейном асинхронном двигателе?

ГЛАВА 18

Дата добавления: 2014-12-27 ; Просмотров: 4283 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет