Pozrite sa na rôzne dostupné lineárne motory a ako vybrať optimálny typ pre vašu aplikáciu.
Nasledujúci článok je prehľadom rôznych typov lineárnych motorov, ktoré sú k dispozícii, vrátane princípov ich činnosti, histórie vývoja permanentných magnetov, konštrukčných metód pre lineárne motory a priemyselné odvetvia využívajúce každý typ lineárneho motora.
Technológia lineárnych motorov môže byť: lineárne indukčné motory (LIM) alebo lineárne synchrónne motory s permanentnými magnetmi (PMLSM).PMLSM môže byť železné jadro alebo bez železa.Všetky motory sú dostupné v plochej alebo rúrkovej konfigurácii.Hiwin je v popredí dizajnu a výroby lineárnych motorov už 20 rokov.
Výhody lineárnych motorov
Lineárny motor sa používa na zabezpečenie lineárneho pohybu, tj pohyb daného užitočného zaťaženia pri diktovanom zrýchlení, rýchlosti, vzdialenosti a presnosti.Všetky technológie pohybu iné ako poháňané lineárnym motorom sú nejakým druhom mechanického pohonu na premenu rotačného pohybu na lineárny pohyb.Takéto pohybové systémy sú poháňané guľôčkovými skrutkami, remeňmi alebo hrebeňom a pastorkom.Životnosť všetkých týchto pohonov je vo veľkej miere závislá od opotrebovania mechanických komponentov používaných na premenu rotačného pohybu na lineárny pohyb a je relatívne krátka.
Hlavnou výhodou lineárnych motorov je poskytnúť lineárny pohyb bez akéhokoľvek mechanického systému, pretože vzduch je prenosovým médiom, preto sú lineárne motory v podstate bez trecích pohonov, ktoré poskytujú teoreticky neobmedzenú životnosť.Pretože sa na vytváranie lineárneho pohybu nepoužívajú žiadne mechanické časti, sú možné veľmi vysoké zrýchlenia a rýchlosti tam, kde iné pohony, ako sú guľôčkové skrutky, remene alebo hrebeň a pastorok, narážajú na vážne obmedzenia.
Lineárne indukčné motory
Obr
Lineárny indukčný motor (LIM) bol prvý vynájdený (US patent 782312 – Alfred Zehden v roku 1905).Pozostáva z „primárnej časti“ zloženej zo zväzku plechov z elektrooceľovej ocele a viacerých medených cievok napájaných trojfázovým napätím a „sekundárnej“ vo všeobecnosti zloženej z oceľového plechu a medeného alebo hliníkového plechu.
Keď sú primárne cievky napájané, sekundárne sa zmagnetizujú a v sekundárnom vodiči sa vytvorí pole vírivých prúdov.Toto sekundárne pole potom bude interagovať s primárnym zadným EMF a generovať silu.Smer pohybu sa bude riadiť Flemingovým pravidlom ľavej ruky, tj;smer pohybu bude kolmý na smer prúdu a smer poľa / toku.
Obr
Lineárne indukčné motory ponúkajú výhodu veľmi nízkych nákladov, pretože sekundárne motory nepoužívajú žiadne permanentné magnety.Permanentné magnety NdFeB a SmCo sú veľmi drahé.Lineárne indukčné motory využívajú pre svoju sekundárnu činnosť veľmi bežné materiály (oceľ, hliník, meď) a eliminujú toto riziko dodávky.
Nevýhodou použitia lineárnych indukčných motorov je však dostupnosť pohonov pre takéto motory.Zatiaľ čo je veľmi ľahké nájsť pohony pre lineárne motory s permanentným magnetom, je veľmi ťažké nájsť pohony pre lineárne indukčné motory.
Obr
Lineárne synchrónne motory s permanentným magnetom
Lineárne synchrónne motory s permanentným magnetom (PMLSM) majú v podstate rovnakú primárnu časť ako lineárne indukčné motory (tj súpravu cievok namontovaných na zväzku plechov z elektrickej ocele a poháňaných trojfázovým napätím).Sekundárny sa líši.
Namiesto hliníkovej alebo medenej platne namontovanej na oceľovej platni je sekundár zložený z permanentných magnetov namontovaných na oceľovej platni.Smer magnetizácie každého magnetu sa bude striedať s predchádzajúcim, ako je znázornené na obr. 3.
Zjavnou výhodou použitia permanentných magnetov je vytvorenie permanentného poľa v sekundáre.Videli sme, že sila je generovaná na indukčnom motore interakciou primárneho poľa a sekundárneho poľa, ktoré je dostupné až po vytvorení poľa vírivých prúdov v sekundárnom poli cez vzduchovú medzeru motora.To bude mať za následok oneskorenie nazývané „sklz“ a pohyb sekundárnej časti, ktorý nie je synchronizovaný s primárnym napätím dodávaným do primárnej časti.
Z tohto dôvodu sa indukčné lineárne motory nazývajú „asynchrónne“.Na lineárnom motore s permanentným magnetom bude sekundárny pohyb vždy synchronizovaný s primárnym napätím, pretože sekundárne pole je vždy dostupné a bez akéhokoľvek oneskorenia.Z tohto dôvodu sa permanentné lineárne motory nazývajú „synchrónne“.
Na PMLSM je možné použiť rôzne typy permanentných magnetov.Za posledných 120 rokov sa pomer jednotlivých materiálov zmenil.Od dnešného dňa PMLSM používajú buď magnety NdFeB alebo magnety SmCo, ale prevažná väčšina používa magnety NdFeB.Obr. 4 ukazuje históriu vývoja permanentných magnetov.
Obr
Sila magnetu je charakterizovaná jeho energetickým produktom v Megagauss-Oersteds (MGOe).Až do polovice osemdesiatych rokov boli dostupné len Steel, Ferite a Alnico a dodávali produkty s veľmi nízkou spotrebou energie.Magnety SmCo boli vyvinuté začiatkom 60. rokov na základe práce Karla Strnata a Aldena Raya a neskôr komercializované koncom šesťdesiatych rokov.
Obr
Energetický produkt magnetov SmCo bol spočiatku viac ako dvojnásobok energetického produktu magnetov Alnico.V roku 1984 General Motors a Sumitomo nezávisle vyvinuli NdFeB magnety, zlúčeninu neodynia, železa a bóru.Porovnanie magnetov SmCo a NdFeB je na obr.5.
Magnety NdFeB vyvíjajú oveľa väčšiu silu ako magnety SmCo, ale sú oveľa citlivejšie na vysoké teploty.SmCo magnety sú tiež oveľa odolnejšie voči korózii a nízkym teplotám, ale sú drahšie.Keď prevádzková teplota dosiahne maximálnu teplotu magnetu, magnet sa začne demagnetizovať a táto demagnetizácia je nevratná.Magnet stráca magnetizáciu spôsobí, že motor stratí silu a nebude schopný splniť špecifikácie.Ak magnet pracuje pod maximálnou teplotou 100% času, jeho sila sa zachová takmer neobmedzene.
Z dôvodu vyšších nákladov na magnety SmCo sú magnety NdFeB správnou voľbou pre väčšinu motorov, najmä vzhľadom na vyššiu dostupnú silu.Pre niektoré aplikácie, kde môže byť prevádzková teplota veľmi vysoká, je však vhodnejšie použiť magnety SmCo, aby ste sa vyhli maximálnej prevádzkovej teplote.
Dizajn lineárnych motorov
Lineárny motor je vo všeobecnosti navrhnutý pomocou elektromagnetickej simulácie konečných prvkov.Vytvorí sa 3D model, ktorý bude reprezentovať zväzok laminácií, cievky, magnety a oceľovú dosku nesúcu magnety.Vzduch bude modelovaný okolo motora, ako aj vo vzduchovej medzere.Potom sa zadajú vlastnosti materiálov pre všetky komponenty: magnety, elektrooceľ, oceľ, cievky a vzduch.Potom sa vytvorí sieť pomocou prvkov H alebo P a model sa vyrieši.Potom sa prúd aplikuje na každú cievku v modeli.
Obr. 6 zobrazuje výstup simulácie, kde je zobrazený tok v Tesle.Hlavná výstupná hodnota, ktorá je predmetom záujmu simulácie, je samozrejme sila motora a bude k dispozícii.Pretože koncové závity cievok nevytvárajú žiadnu silu, je tiež možné spustiť 2D simuláciu pomocou 2D modelu (DXF alebo iného formátu) motora vrátane laminácií, magnetov a oceľového plechu nesúceho magnety.Výstup takejto 2D simulácie bude veľmi blízky 3D simulácii a dostatočne presný na posúdenie sily motora.
Obr. 6
Lineárny indukčný motor bude modelovaný rovnakým spôsobom, buď prostredníctvom 3D alebo 2D modelu, ale riešenie bude komplikovanejšie ako pri PMLSM.Je to preto, že magnetický tok sekundárneho PMLSM bude modelovaný okamžite po zadaní vlastností magnetov, preto bude potrebné len jedno riešenie na získanie všetkých výstupných hodnôt vrátane sily motora.
Sekundárny tok indukčného motora však bude vyžadovať prechodovú analýzu (to znamená niekoľko riešení v danom časovom intervale), aby bolo možné vybudovať magnetický tok sekundárneho LIM a až potom získať silu.Softvér používaný na elektromagnetickú simuláciu konečných prvkov bude musieť byť schopný spustiť analýzu prechodových javov.
Stupeň lineárneho motora
Obr. 7
Spoločnosť Hiwin Corporation dodáva lineárne motory na úrovni komponentov.V tomto prípade bude dodaný iba lineárny motor a sekundárne moduly.V prípade motora PMLSM budú sekundárne moduly pozostávať z oceľových dosiek rôznych dĺžok, na ktorých vrchu budú namontované permanentné magnety.Hiwin Corporation tiež dodáva kompletné stupne, ako je znázornené na obr.
Takáto plošina obsahuje rám, lineárne ložiská, primárny motor, sekundárne magnety, vozík pre zákazníka na pripevnenie užitočného zaťaženia, kódovač a káblovú dráhu.Stupeň s lineárnym motorom bude pripravený na spustenie po dodaní a uľahčí život, pretože zákazník nebude musieť navrhovať a vyrábať stupeň, čo si vyžaduje odborné znalosti.
Životnosť stupňa lineárneho motora
Životnosť stupňa lineárneho motora je podstatne dlhšia ako stupňa poháňaného remeňom, guľôčkovou skrutkou alebo ozubenou tyčou s pastorkom.Mechanické komponenty nepriamo poháňaných stupňov sú zvyčajne prvé komponenty, ktoré zlyhajú v dôsledku trenia a opotrebovania, ktorému sú neustále vystavené.Stupeň lineárneho motora je priamy pohon bez mechanického kontaktu alebo opotrebovania, pretože prenosovým médiom je vzduch.Preto jedinými komponentmi, ktoré môžu na stupni lineárneho motora zlyhať, sú lineárne ložiská alebo samotný motor.
Lineárne ložiská majú zvyčajne veľmi dlhú životnosť, pretože radiálne zaťaženie je veľmi nízke.Životnosť motora bude závisieť od priemernej prevádzkovej teploty.Obrázok 8 zobrazuje životnosť izolácie motora ako funkciu teploty.Pravidlom je, že životnosť sa zníži na polovicu každých 10 stupňov Celzia, keď je prevádzková teplota vyššia ako menovitá teplota.Napríklad motor triedy izolácie F bude pracovať 325 000 hodín pri priemernej teplote 120 °C.
Preto sa predpokladá, že stupeň lineárneho motora bude mať životnosť 50+ rokov, ak sa motor zvolí konzervatívne, čo je životnosť, ktorú nemožno nikdy dosiahnuť pomocou stupňov poháňaných remeňom, guľôčkovou skrutkou alebo hrebeňom a pastorkom.
Obr. 8
Aplikácie pre lineárne motory
Lineárne indukčné motory (LIM) sa väčšinou používajú v aplikáciách s dlhou dráhou pohybu a tam, kde je potrebná veľmi vysoká sila v kombinácii s veľmi vysokými rýchlosťami.Dôvod pre výber lineárneho indukčného motora je ten, že náklady na sekundárny motor budú podstatne nižšie ako pri použití PMLSM a pri veľmi vysokej rýchlosti je účinnosť lineárneho indukčného motora veľmi vysoká, takže sa stratí málo energie.
Napríklad EMALS (Electromagnetic Launch Systems), používané na lietadlových lodiach na spúšťanie lietadiel, používajú lineárne indukčné motory.Prvý takýto lineárny motorový systém bol inštalovaný na lietadlovej lodi USS Gerald R. Ford.Motor dokáže zrýchliť 45 000 kg lietadlo na 240 km/h na 91-metrovej trati.
Ďalší príklad jazdy v zábavnom parku.Lineárne indukčné motory inštalované na niektorých z týchto systémov dokážu zrýchliť veľmi vysoké užitočné zaťaženie z 0 na 100 km/h za 3 sekundy.Stupne lineárnych indukčných motorov možno použiť aj na RTU (Robot Transport Units).Väčšina RTU používa pohony s ozubeným hrebeňom a pastorkom, ale lineárny indukčný motor môže ponúknuť vyšší výkon, nižšie náklady a oveľa dlhšiu životnosť.
Synchrónne motory s permanentnými magnetmi
PMLSM sa zvyčajne používajú v aplikáciách s oveľa menšími zdvihmi, nižšími rýchlosťami, ale vysokou až veľmi vysokou presnosťou a intenzívnymi pracovnými cyklami.Väčšina z týchto aplikácií sa nachádza v AOI (Automated Optical Inspection), v priemysle polovodičov a laserových strojov.
Výber stupňov poháňaných lineárnym motorom (priamy pohon) ponúka významné výkonnostné výhody oproti nepriamym pohonom (stupňom, kde sa lineárny pohyb získava konverziou rotačného pohybu), pre dlhotrvajúce konštrukcie a sú vhodné pre mnohé priemyselné odvetvia.
Čas odoslania: Feb-06-2023