Podívejte se na různé dostupné lineární motory a jak vybrat optimální typ pro vaši aplikaci.
Následující článek je přehledem různých typů lineárních motorů, které jsou k dispozici, včetně principů jejich činnosti, historie vývoje permanentních magnetů, konstrukčních metod pro lineární motory a průmyslová odvětví využívající jednotlivé typy lineárních motorů.
Technologie lineárních motorů může být: lineární indukční motory (LIM) nebo lineární synchronní motory s permanentními magnety (PMLSM).PMLSM může být železné jádro nebo bez železa.Všechny motory jsou k dispozici v ploché nebo trubkové konfiguraci.Hiwin je v popředí designu a výroby lineárních motorů již 20 let.
Výhody lineárních motorů
Lineární motor se používá k zajištění lineárního pohybu, tj. pohybu daného užitečného zatížení při diktovaném zrychlení, rychlosti, vzdálenosti a přesnosti.Všechny technologie pohybu jiné než poháněné lineárním motorem jsou nějakým druhem mechanického pohonu, který převádí rotační pohyb na lineární pohyb.Takové pohybové systémy jsou poháněny kuličkovými šrouby, řemeny nebo hřebenem a pastorkem.Životnost všech těchto pohonů je vysoce závislá na opotřebení mechanických součástí používaných k převodu rotačního pohybu na lineární a je relativně krátká.
Hlavní výhodou lineárních motorů je poskytovat lineární pohyb bez jakéhokoli mechanického systému, protože vzduch je přenosovým médiem, proto jsou lineární motory v podstatě bez tření pohony, poskytující teoreticky neomezenou životnost.Protože se k vytváření lineárního pohybu nepoužívají žádné mechanické části, jsou možné velmi vysoké zrychlení a rychlosti tam, kde jiné pohony, jako jsou kuličkové šrouby, řemeny nebo hřeben a pastorek, narazí na vážná omezení.
Lineární indukční motory
Obr. 1
Lineární indukční motor (LIM) byl poprvé vynalezen (US patent 782312 – Alfred Zehden v roce 1905).Skládá se z „primárního“ složeného ze sady elektrotechnických ocelových plechů a množství měděných cívek napájených třífázovým napětím a „sekundárního“ obecně složeného z ocelového plechu a měděného nebo hliníkového plechu.
Když jsou primární cívky pod napětím, sekundární se zmagnetizuje a v sekundárním vodiči se vytvoří pole vířivých proudů.Toto sekundární pole pak bude interagovat s primárním zadním EMF a generovat sílu.Směr pohybu se bude řídit Flemingovým pravidlem levé ruky, tj.;směr pohybu bude kolmý na směr proudu a směr pole / toku.
Obr. 2
Lineární indukční motory nabízejí výhodu velmi nízké ceny, protože sekundární motor nepoužívá žádné permanentní magnety.Permanentní magnety NdFeB a SmCo jsou velmi drahé.Lineární indukční motory používají pro své sekundáry velmi běžné materiály (ocel, hliník, měď) a eliminují toto riziko napájení.
Nevýhodou použití lineárních indukčních motorů je však dostupnost pohonů pro takové motory.Zatímco je velmi snadné najít pohony pro lineární motory s permanentními magnety, je velmi obtížné najít pohony pro lineární indukční motory.
Obr. 3
Lineární synchronní motory s permanentními magnety
Lineární synchronní motory s permanentními magnety (PMLSM) mají v podstatě stejné primární části jako lineární indukční motory (tj. sadu cívek namontovaných na svazku plechů z elektrické oceli a poháněných třífázovým napětím).Sekundární se liší.
Namísto hliníkové nebo měděné desky namontované na ocelové desce je sekundár složen z permanentních magnetů namontovaných na ocelové desce.Směr magnetizace každého magnetu se bude střídat s ohledem na předchozí, jak je znázorněno na obr. 3.
Zjevnou výhodou použití permanentních magnetů je vytvoření permanentního pole v sekundáru.Viděli jsme, že síla je generována na indukčním motoru interakcí primárního pole a sekundárního pole, které je dostupné pouze po vytvoření pole vířivých proudů v sekundáru přes vzduchovou mezeru motoru.To bude mít za následek zpoždění zvané „skluz“ a pohyb sekundáru, který není synchronizován s primárním napětím dodávaným do primáru.
Z tohoto důvodu se indukční lineární motory nazývají „asynchronní“.U lineárního motoru s permanentním magnetem bude sekundární pohyb vždy v synchronizaci s primárním napětím, protože sekundární pole je vždy dostupné a bez jakéhokoli zpoždění.Z tohoto důvodu se permanentní lineární motory nazývají „synchronní“.
Na PMLSM lze použít různé typy permanentních magnetů.Za posledních 120 let se poměr jednotlivých materiálů změnil.K dnešnímu dni používají PMLSM buď magnety NdFeB nebo magnety SmCo, ale převážná většina používá magnety NdFeB.Obr. 4 ukazuje historii vývoje permanentních magnetů.
Obr. 4
Síla magnetu je charakterizována jeho energetickým produktem v Megagauss-Oersteds (MGOe).Až do poloviny osmdesátých let byly k dispozici pouze Steel, Ferrite a Alnico a dodávaly produkty s velmi nízkou spotřebou energie.Magnety SmCo byly vyvinuty na počátku 60. let na základě práce Karla Strnata a Aldena Raye a později komercializovány na konci šedesátých let.
Obr. 5
Energetický produkt magnetů SmCo byl zpočátku více než dvojnásobný než energetický produkt magnetů Alnico.V roce 1984 General Motors a Sumitomo nezávisle vyvinuly NdFeB magnety, sloučeninu neodynia, železa a boru.Porovnání magnetů SmCo a NdFeB je na obr. 5. Obr.
Magnety NdFeB vyvinou mnohem větší sílu než magnety SmCo, ale jsou mnohem citlivější na vysoké teploty.SmCo magnety jsou také mnohem odolnější vůči korozi a nízkým teplotám, ale jsou dražší.Když provozní teplota dosáhne maximální teploty magnetu, magnet se začne demagnetizovat a tato demagnetizace je nevratná.Magnet ztratí magnetizaci způsobí, že motor ztratí sílu a nebude schopen splnit specifikace.Pokud magnet pracuje pod maximální teplotou 100% času, jeho síla zůstane zachována téměř neomezeně.
Vzhledem k vyšší ceně magnetů SmCo jsou magnety NdFeB správnou volbou pro většinu motorů, zejména s ohledem na vyšší dostupnou sílu.Pro některé aplikace, kde může být provozní teplota velmi vysoká, je však vhodnější použít magnety SmCo, aby se zabránilo maximální provozní teplotě.
Konstrukce lineárních motorů
Lineární motor je obecně navržen pomocí elektromagnetické simulace konečných prvků.Vytvoří se 3D model, který bude reprezentovat svazek laminací, cívky, magnety a ocelovou desku nesoucí magnety.Vzduch bude modelován kolem motoru i ve vzduchové mezeře.Poté budou zadány vlastnosti materiálů pro všechny součásti: magnety, elektroocel, ocel, cívky a vzduch.Poté bude vytvořena síť pomocí prvků H nebo P a model vyřešen.Poté je proud aplikován na každou cívku v modelu.
Obr. 6 ukazuje výstup simulace, kde je zobrazen tok v Tesle.Hlavní výstupní hodnotou, která je pro simulaci zajímavá, je samozřejmě síla motoru a bude k dispozici.Protože koncové závity cívek nevytvářejí žádnou sílu, je také možné spustit 2D simulaci pomocí 2D modelu (DXF nebo jiného formátu) motoru včetně laminací, magnetů a ocelové desky nesoucí magnety.Výstup takové 2D simulace bude velmi blízký 3D simulaci a dostatečně přesný pro posouzení síly motoru.
Obr. 6
Lineární indukční motor bude modelován stejným způsobem, buď pomocí 3D nebo 2D modelu, ale řešení bude složitější než u PMLSM.Důvodem je to, že magnetický tok sekundáru PMLSM bude modelován okamžitě po zadání vlastností magnetů, takže pro získání všech výstupních hodnot včetně síly motoru bude potřeba pouze jedno řešení.
Sekundární tok indukčního motoru však bude vyžadovat analýzu přechodových jevů (to znamená několik řešení v daném časovém intervalu), aby bylo možné vytvořit magnetický tok sekundárního LIM a teprve poté získat sílu.Software používaný pro elektromagnetickou simulaci konečných prvků bude muset mít schopnost provádět analýzu přechodových jevů.
Stupeň lineárního motoru
Obr. 7
Hiwin Corporation dodává lineární motory na úrovni komponent.V tomto případě bude dodán pouze lineární motor a sekundární moduly.U motoru PMLSM budou sekundární moduly sestávat z ocelových plátů různých délek, na kterých budou namontovány permanentní magnety.Hiwin Corporation také dodává kompletní stupně, jak je znázorněno na obr. 7.
Takový stupeň zahrnuje rám, lineární ložiska, primární motor, sekundární magnety, vozík pro zákazníka k připevnění jeho užitečného zatížení, kodér a kabelovou dráhu.Lineární motorový stupeň bude připraven ke spuštění po dodání a usnadní život, protože zákazník nebude muset navrhovat a vyrábět stupeň, což vyžaduje odborné znalosti.
Životnost stupně lineárního motoru
Životnost stupně lineárního motoru je podstatně delší než u stupně poháněného řemenem, kuličkovým šroubem nebo hřebenem s pastorkem.Mechanické součásti nepřímo poháněných stupňů jsou obvykle první součásti, které selžou kvůli tření a opotřebení, kterému jsou nepřetržitě vystaveny.Stupeň lineárního motoru je přímý pohon bez mechanického kontaktu nebo opotřebení, protože přenosovým médiem je vzduch.Jedinými součástmi, které mohou na stupni lineárního motoru selhat, jsou tedy lineární ložiska nebo samotný motor.
Lineární ložiska mají typicky velmi dlouhou životnost, protože radiální zatížení je velmi nízké.Životnost motoru bude záviset na průměrné provozní teplotě.Obrázek 8 ukazuje životnost izolace motoru jako funkci teploty.Pravidlem je, že životnost se sníží na polovinu na každých 10 stupňů Celsia, kdy je provozní teplota vyšší než jmenovitá teplota.Například motor třídy izolace F poběží 325 000 hodin při průměrné teplotě 120 °C.
Proto se předpokládá, že stupeň lineárního motoru bude mít životnost 50+ let, pokud je motor zvolen konzervativně, což je životnost, kterou nelze nikdy dosáhnout řemenovými, kuličkovými šrouby nebo stupni poháněnými hřebenem a pastorkem.
Obr. 8
Aplikace pro lineární motory
Lineární indukční motory (LIM) se většinou používají v aplikacích s dlouhou délkou pojezdu a tam, kde je vyžadována velmi vysoká síla v kombinaci s velmi vysokými rychlostmi.Důvodem pro výběr lineárního indukčního motoru je to, že cena sekundárního motoru bude podstatně nižší než při použití PMLSM a při velmi vysoké rychlosti je účinnost lineárního indukčního motoru velmi vysoká, takže dojde ke ztrátě malého výkonu.
Například EMALS (Electromagnetic Launch Systems), používané na letadlových lodích ke startu letadel, používají lineární indukční motory.První takový lineární motorový systém byl instalován na letadlové lodi USS Gerald R. Ford.Motor dokáže zrychlit letadlo o hmotnosti 45 000 kg na 240 km/h na 91metrové dráze.
Další příklad jízdy v zábavním parku.Lineární indukční motory instalované na některých z těchto systémů mohou urychlit velmi vysoké užitečné zatížení z 0 na 100 km/h za 3 sekundy.Stupně lineárního indukčního motoru lze také použít na RTU (Robot Transport Units).Většina RTU používá pohony hřebenem a pastorkem, ale lineární indukční motor může nabídnout vyšší výkon, nižší cenu a mnohem delší životnost.
Synchronní motory s permanentními magnety
PMLSM budou typicky používány v aplikacích s mnohem menšími zdvihy, nižšími rychlostmi, ale vysokou až velmi vysokou přesností a intenzivními pracovními cykly.Většina z těchto aplikací se nachází v AOI (Automated Optical Inspection), v průmyslu polovodičů a laserových strojů.
Výběr stupňů poháněných lineárním motorem (přímý pohon) nabízí významné výkonnostní výhody oproti nepřímým pohonům (stupně, kde se lineární pohyb získává převodem rotačního pohybu), pro konstrukce s dlouhou životností a jsou vhodné pro mnoho průmyslových odvětví.
Čas odeslání: Únor-06-2023