Линейный электродвигатель. 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%. 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.

Рахимов Андрей Валерьевич

студент Электроэнергетического факультета Ставропольский государственный аграрный университет г. Ставрополь, Россия

Аннотация: В статье рассматривается актуальность внедрения линейных электродвигателей в современные технологические процессы, раскрываются достоинства и недостатки данных электрических машин, приводятся примеры использования линейных электродвигателей.

Ключевые слова: Линейный электродвигатель, электрическая машина, магнитная система, обмотка, статор, механическая передача

Linear motors

Rahimov Andrej Valerevich

student Electricity Department Stavropol State Agrarian University Stavropol, Russia

Abstract: The article discusses the relevance of the implementation of linear motors in modern technological processes are disclosed advantages and disadvantages of these electric cars are examples of the use of linear motors.

Keywords: Linear motor, electric machine, a magnetic system, coil, stator, manual transmission

Линейным электродвигателем называется электрический двигатель с одним разомкнутым элементом магнитной системы, обмотка которого развернута. Обмотка создает магнитное поле, с которым взаимодействует второй элемент магнитной системы, выполненный как направляющая деталь, обеспечивающая перемещение подвижной части линейного электродвигателя . Если провести классификацию конструкций линейных электродвигателей, то можно выделить несколько типов. Основные из них - синхронные, асинхронные, электромагнитные, магнитоэлектрические, магнитострикционные и пьезоэлектрические линейные двигатели . По принципу действия они схожи с электродвигателями, создающими вращательное движение. В основном это синхронные, асинхронные и линейные электродвигатели постоянного тока. В линейном электродвигателе существует две части: первичная – неподвижная, получившая название «статор», и вторичная – подвижная, получившая название «якорь». Якорь электродвигателя получает энергию от статора через магнитное поле.

Рисунок 1 - Условная схема преобразования обычного электродвигателя в линейный:

1 –статор (индуктор), 2 ротор (реактивная полоса)

Линейный электродвигатель является основной частью прямого электропривода. Он создан для преобразования электрической энергии в энергию поступательного движения, т. е. без механической передачи. Такой электропривод состоит из средств управления и изменения скорости, что значительно упрощает конструкцию исполнительных органов и позволяет усовершенствовать различные технологические процессы . В линейном электродвигателе имеется, питаемый электрическим током, индуктор, который является первичным элементом, и специальная реактивная полоса – вторичный элемент (рисунок 1). Эти элементы отделены воздушным зазором. Магнитная система линейного электродвигателя представлена обмоткой определенной длинны, которая необходима для создания движущегося вдоль нее магнитного поля. Это и есть неподвижный элемент. Подвижный элемент благодаря взаимодействию с магнитным полем, перемещается вдоль обмотки.

Линейные электродвигатели подразделяются на асинхронные и синхронные. В асинхронном линейном электродвигателе реактивная полоса, выполненная в виде бруска прямоугольного сечения без обмоток, закрепленная вдоль путепровода, над которым перемещается электровоз, перемещающий подвижную часть (индуктор) двигателя. Его магнитопровод выполнен с развернутыми многофазными обмотками, питаемыми от источника переменного тока. Благодаря взаимодействию магнитного поля индуктора с полем реактивной полосы, возникают силы, заставляющие перемещаться с ускорением индуктор относительно неподвижной реактивной полосы. Это перемещение происходит до тех пор, пока скорости перемещения индуктора и бегущего магнитного поля реактивной полосы не сравняются. Преимуществом такой конструкции является размещение более простой в изготовлении реактивной полосы.

Основные достоинства линейного электропривода – это отсутствие механической передачи и вращающихся частей, простота в эксплуатации, большой технический ресурс. К основным недостаткам можно отнести сложность устройства и высокую стоимость изготовления, плохие энергетические показатели, связанные с наличием больших воздушных зазоров в магнитной цепи и ее разомкнутостью.

Наиболее часто используются линейные двигатели в электрическом транспорте. Этому способствует ряд преимуществ. Прямолинейный характер движения подвижной части, подходящий для движения различных транспортных средств. Энергия магнитного поля непосредственно преобразуется в механическую, что позволяет добиться высокого КПД. Важное преимущество линейных электродвигателей состоит в независимости силы тяги от силы сцепления колес с путем. Это невозможно для обычных систем электрической тяги. Благодаря использованию линейных электродвигателей проскальзывание колес исключается, а скорости движения транспорта могут быть довольно высокими и ограничиваются лишь комфортабельностью движения, максимально допустимой скоростью вращения колес, и динамической устойчивостью транспорта и пути.

В приводе механизмов транспортировки грузов различных изделий также применяются линейные асинхронные двигатели. Как правило, это конвейеры, имеющие ленту из металла, которая проходит внутри статоров линейного двигателя, являясь при этом вторичным элементом. Использование линейного электродвигателя позволяет снизить предварительное натяжение ленты и устранить ее проскальзывание, повысить скорость и надежность работы конвейера.

В сваезабивных молотах, используемых при дорожных работах или строительстве, также применяется линейный электропривод. Статор электродвигателя перемещается вдоль стрелы в вертикальном направлении при помощи лебедки. Ударная часть молота является одновременно вторичным элементом двигателя. Для ее подъема двигатель включается таким образом, чтобы бегущее поле было направлено вверх. Когда ударная часть поднимется к крайнему верхнему положению, двигатель отключается, и она опускается вниз на сваю под действием силы тяжести. Иногда двигатель не отключается, а реверсируется, это позволяет увеличить ударную энергию. При заглублении 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.

Благодаря появлению линейных электродвигателей, усовершенствованы многие технологические процессы, начиная от создания нового вида гидравлических насосов и заканчивая усовершенствованием машинного доения животных . Развитие науки и техники позволяет упростить выполнение технологических процессов и в конечном итоге снизить издержки производства, что необходимо для повышения конкурентоспособности отечественных производителей товаров.

Список литературы:

1. Гринченко В. А. Обоснование базовой конструкции линейного электродвигателя // Theoretical & Applied Science. - 2013. - Т. 1. - №11 (7). - С. 58-60.
2. Гринченко В. А. Обоснование конструктивно-режимных параметров доильного аппарата с электропульсатором на основе линейного двигателя: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства, 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве. - Ставрополь, 2011. - 197 с.
3. Никитенко Г. В., Гринченко В. А. Линейный двигатель возвратно-поступательного движения с регулированием амплитуды колебаний якоря // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве. - Ставрополь: Агрус, 2009. - С. 407-410.
4. Никитенко Г. В., Гринченко В. А. Результаты исследования линейного двигателя для вакуумного пульсатора доильного аппарата // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве. - Ставрополь: Агрус, 2010. - С. 268-271.
5. Никитенко Г. В., Гринченко В. А. Статика электромеханических процессов в линейном электродвигателе для привода пульсатора доильного аппарата // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве. - Ставрополь: Агрус, 2011. - С. 199-202.
6. Пат. 2357143 Российская Федерация, МПК F 16 К 31/06. Электромагнитный клапан / Никитенко Г. В., Гринченко В. А.; заявитель и патентообладатель Ставроп. гос. аграр. ун-т. - № 2007141983/06; заявл. 12.11.07; опубл. 27.05.09.
7. Пат. 2370874 Российская Федерация, МПК H 02 K 33/12. Линейный двигатель / Никитенко Г. В., Гринченко В. А.; заявитель и патентообладатель Ставроп. гос. аграр. ун-т. - № 2008112342/09; заявл. 31.03.08; опубл. 20.10.09.
8. Пат. 82990 Российская Федерация, МПК А 01 J 7/00. Регулятор вакуума / Никитенко Г. В., Гринченко В. А.; заявитель и патентообладатель Ставроп. гос. аграр. ун-т. - № 2008150545/22; заявл. 19.12.08; опубл. 20.05.09.

Архаичность большинства 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

Линейный двигатель

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.

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.

1. Введение.


2.2 Разновидности.

2.2.2 Дуговой двигатель.
2.2.3 Трубчатый двигатель.
2.3 Применение.


3.2 Применение.

4.1 Применение.
5. Вывод.

1. Введение.

Интересные и широкие перспективы развития электропривода связаны с применением так называемых линейных двигателей.
Большое число производственных механизмов и устройств имеют поступательное или возвратно-поступательное движение рабочих органов (подъёмно-транспортные машины, механизмы подач различных станков, прессы, молоты и т.д.). В качестве привода этих механизмов и устройств использовались обычные электродвигатели в сочетании со специальными видами механических передач (кривошипно-шатунный механизм, передача винт-гайка), преобразовавших вращательное движение рабочего органа.
Линейные двигатели могут быть асинхронными, синхронными и постоянного тока, повторяя по принципу своего действия соответствующие двигатели вращательного движения.

2. Линейный асинхронный двигатель.

2.1 Конструкция и принцип действия.

Наибольшее распространение получили асинхронные линейные двигатели. Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя можно получить, если мысленно разрезать (рис. 1) статор 1 и ротор 4 с обмотками 2 и 3 обычного асинхронного двигателя вдоль оси по образующей и развернуть в плоскость, как это показано на рисунке. Образовавшаяся «плоская» конструкция представляет собой принципиальную схему линейного двигателя. Если теперь обмотки 2 статора такого двигателя подключить к сети переменного тока, то образуется магнитное поле, ось которого будет перемещаться вдоль воздушного зазора со скоростью, пропорциональной частоте питающего напряжения и длине полюсного деления. Это перемещающееся вдоль зазора магнитное поле пересекает проводники обмотки 3 ротора и индуктирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке начнут протекать токи. Взаимодействие токов с магнитным полем приведёт к появлению силы, действующей, по известному правилу Ленца, в направлении перемещения магнитного поля. Ротор - в дальнейшем будем называть его уже вторичным элементом - под действием этой силы начнёт двигаться с некоторым отставанием (скольжением) от магнитного поля, как и в обычном асинхронном двигателе.

2.2 Разновидности.
2.2.1 Конструктивные параметры.

Представленная на рис. 2 конструкция представляет собой линейный двигатель с одинаковыми размерами статора и вторичного элемента. Помимо такой конструкции, в зависимости от назначения линейного двигателя вторичный элемент может быть длиннее статора (рис. 2а) или короче его (рис. 2б). Такие двигатели получили соответственно название двигателей с коротким статором и коротким вторичным элементом. Вторичный элемент линейного двигателя не всегда снабжается обмоткой. Часто - и в этом одно из достоинств линейного асинхронного двигателя - в качестве вторичного элемента используется металлический лист (полоса), как показано на рис. 2д. Вторичный элемент при этом может располагаться также между двумя статорами (рис. 2в) или между статором и ферромагнитным сердечником (рис. 2г). Двигатель с конструктивной схемой, приведённой на рис. 2д, получил название двигателя с односторонним статором, со схемой по рис. 2в - с двусторонним статором и со схемой по рис. 2г - с односторонним статором и сердечником. Вторичный элемент выполняется из меди, алюминия или стали, причём использование не магнитного вторичного элемента предполагает применение конструктивных схем с замыканием магнитного потока через ферромагнитные элементы, как, например, на рис. 2в, г. Некоторое распространение получили сложные составные вторичные элементы с прилегающими друг к другу полосами из немагнитного и ферромагнитного материала, при этом ферромагнитная полоса выполняет роль части магнитопровода. Принцип действия линейных двигателей с 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 трёхфазного переменного тока. Отметим, что линейные двигатели очень часто работают в так называемом обращённом 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.

2.2.2 Дуговой двигатель.
Дуговой двигатель характеризуется расположением обмотки на части окружности, как это показано на рис. 3.Особенностью этого двигателя является зависимость частоты вращения его статора 1 от длины дуги, на которой располагаются обмотки 2 статора 3.

Пусть обмотки статора располагаются на дуге, длина которой соответствует центральному углу α = 2τр, где τ - длина полюсного деления и p - число пар полюсов. Тогда за один период тока вращающееся поле статора совершит поворот на угол 2τр/р = α/р, а в течение одной минуты поле повернётся на n = α/p*60f/2π оборотов, т. е. будет иметь частоту вращения n, об/мин.
Выбирая различные α, можно выполнять дуговые двигатели с различными частотами вращения ротора.

2.2.3 Трубчатый двигатель.
Конструкция трубчатого линейного двигателя представлена на рис. 4.

Статор двигателя 1 имеет вид трубы, внутри которой располагаются перемежающиеся между собой плоские дисковые катушки 2 (обмотки статора) и металлические шайбы 3, являющиеся частью магнитопровода. катушки двигателя соединяются группами и образуют обмотки отдельных фаз двигателя. Внутри статора помещается вторичный элемент 4 также трубчатой формы, выполненный из ферромагнитного материала.
При подключении к сети обмоток статора вдоль его внутренней поверхности образуется бегущее магнитное поле, которое индуктирует в теле вторичного элемента токи, направленные по его окружности. Взаимодействие этих токов с магнитным полем двигателя создаёт 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 в отличие от плоского линейного двигателя, в котором магнитный поток имеет радиальное направление.

2.3 Применение.

Широкое применение линейные двигатели нашли в электрическом транспорте, чему способствовал целый ряд преимуществ этих двигателей. Одно из них, уже отмеченное выше, определяется прямолинейностью движения вторичного элемента (или статора), что естественно сочетается с характером движения транспортных средств.
Другое, не менее важное обстоятельство связанно с независимостью силы тяги от силы сцепления колёс с рельсовым путём, что недостижимо длят обычных систем электрической тяги. Поэтому ускорения и скорости движения средств транспорта при использовании линейных двигателей могут быть сколь угодно высокими и ограничиваться только комфортабельностью движения, допустимой скоростью качения колёс по рельсовому пути и дороге, динамической устойчивостью ходовой части транспорта и пути. Исключается при использовании линейных двигателей и буксование колёс электрического транспорта.

Одна из возможных конструктивных схем сочленения линейного двигателя с рельсовым транспортным средством показана на рис. 5.

Линейный двигатель, укреплённый на тележке 3 подвижного состава, имеет конструкцию с двусторонним статором 1. Вторичным элементом является укреплённая между рельсами полоса 2. Напряжение на статор двигателя подаётся с помощью скользящих контактов. Известны также конструкции линейных двигателей, где вторичным элементом являются рельс и элементы несущей конструкции. Такие схемы характерны, в частности, для монорельсовых пассажирских и грузовых дорог и механизмов передвижения кранов. На рис. 6 в качестве примера показаны отечественный линейный двигатель, сконструированный для монорельсовой дороги. Этот двигатель имеет двусторонний статор 1 с обмоткой 2, внутри которого находится вторичный элемент в виде полосы 3. Статор двигателя перемещается по полосе с помощью несущих роликов 5. Ролики 4 служат для взаимной фиксации статора и вторичного элемента в горизонтальном направлении.

Рис. 7

На рис. 7 показан пример использования линейных асинхронных двигателей для механизмов транспортировки грузов различных изделий.
Конвейер, предназначенный для перемещения сыпучего материала 1 из бункера 2, имеет металлическую ленту 3, укреплённую на барабанах 4. Металлическая лента проходит внутри статоров 5 линейного двигателя, являясь вторичным элементом. Применение линейного двигателя в этом случае позволяет снизить предварительное натяжение ленты и устранить её проскальзывание, повысить скорость и надёжность работы конвейера.
Большой интерес представляет использование линейного двигателя для машин ударного действия, например сваезабивных молотов, применяемых при дорожных работах и строительстве. Конструктивная схема такого молота, показана на рис. 8.Статор линейного двигателя 1 располагается на стреле молота 2 и может перемещаться по направляющим стрелы в вертикальном направлении с помощью лебёдки 3. Ударная часть молота 4 является одновременно вторичным элементом двигателя.
Для подъёма ударной части молота двигатель включается таким образом, чтобы бегущее поле было направленно 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 лебёдки.

Электрический молот, прост в изготовлении, не требует повышенной точности изготовления двигателей, не чувствителен к изменению температуры и может вступать в работу практически мгновенно.

3. Линейный двигатель постоянного тока.

Наряду с асинхронными линейными двигателями применяются линейные двигатели постоянного тока. Они чаще всего используются для получения небольших перемещений рабочих органов и обеспечения при этом высокой точности и значительных пусковых усилий.

3.1 Конструкция и принцип действия.

Линейные электродвигатели постоянного тока состоит из якоря с расположенной на нём обмоткой, служащей одновременно коллектором (направляющий элемент), и разомкнутого магнитопровода с обмотками возбуждения (подвижная часть), расположенными так, что векторы сил, возникающих под полюсами магнитопровода, имеют одинаковое направление. Кроме того, линейные двигатели постоянного тока (как и двигатели вращательного движения) позволяют при необходимости просто регулировать скорость движения рабочих органов.

3.2 Применение.

На рис. 9 показана схема линейного двигателя постоянного тока, который применяется для перемещения промышленных изделий. Этот двигатель по существу представляет собой двигатель постоянного тока с полым цилиндрическим якорем, разрезанный по образующей и развёрнутый в плоскость.

Подвижная часть двигателя - якорь - состоит из немагнитного остова 1 и укреплённой на нём обмотки 2 якоря, которая может быть выполнена из изолированного обмоточного провода или изготовлена из медной фольги путём её травления. Ширина витков обмотки в направлении движения, как и в обычных двигателях постоянного тока, близка к полюсному делению (т. е. расстоянию по окружности между полюсами магнитной системы двигателя). Токопровод к обмотке осуществляется с помощью коллектора 3 и щёток 4. На станине двигателя 5 крепится комплект полюсов 6 с обмотками возбуждения 7, размещённых в ряд по направлению движения якоря. Другими частями магнитопровода двигателя являются стальные сердечники 8 и сама станина, выполненная также из ферромагнитного материала. Якорь двигателя вместе со столиком 9 для крепления перемещаемого изделия 10 движется по неподвижным опорам 11 так, что его плоскости с обмотками всё время находятся в зазоре между сердечниками 8 и полюсами 6. На принципе работы линейного двигателя основано действие специальных насосов для перекачки электропроводящих жидкостей и в том числе жидких металлов. Такие насосы, часто называемые магнитогидродинамическими, широко применяются в металлургии для транспортировки, дозировки и перемешивания жидкого металла, а также на атомных электростанциях для перекачки жидкометаллического теплоносителя.
Магнитогидродинамические насосы (МГД - насосы) могут быть постоянного или переменного тока. Рассмотрим схему насоса постоянного тока.

Первичным элементом - статором двигателя является С - образный электромагнит 1. В воздушный зазор электромагнита помещается трубопровод 2 с жидким металлом. С помощью электродов 3, приваренных к стенкам трубопровода, через жидкий металл пропускается постоянный ток от внешнего устройства. Часто обмотка возбуждения включается последовательно в цепь электродов 3. При возбуждении электромагнита на металл в зоне прохождения постоянного тока начинает действовать электромагнитная сила. Под действием этой силы металл начнёт перемещаться по трубопроводу, причём направление его движения просто определить по известному правилу левой руки. Преимуществами МГД - насосов являются отсутствие движущихся механических частей, и возможность герметизации канала транспортировки металла.

4. Линейный синхронный двигатель.

В последние годы всё шире используются синхронные линейные двигатели. Основной областью применения этих 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, и его применение оказывается экономически не выгодным. Синхронный линейный двигатель, напротив, допускает наличие относительно большого воздушного зазора между статором и вторичным элементом и работает при этом с коэффициентом мощности, близким к единице.
Следует отметить, что применение синхронных линейных двигателей в высокоскоростном транспорте сочетается, как правило, с так называемой магнитной подвеской вагонов и применением сверхпроводящих магнитов и обмоток возбуждения, что позволяет повысить комфортабельность движения и экономические показатели работы подвижного состава.

4.1 Применение.

На рис. 11 показана схема путепровода и вагона электропоезда со скоростью движения 400 - 500 км/ч, предназначенного для перевозки 100 пассажиров.

Рис. 11

Тяговый синхронный линейный двигатель имеет электромагнитное возбуждение с использованием сверхпроводящих магнитов. Обмотка возбуждения 1 состоит из ряда катушек, равномерно укреплённых под днищем вагона 5. В криогенной системе охлаждения обмоток используется жидкий гелий. Плоская трёхфазная обмотка переменного инвертора, преобразующего напряжения постоянного тока в трёхфазное напряжение переменного тока.
С помощью инвертора осуществляется пуск, изменение скорости движения и торможение поезда.
Путепровод 6 представляет собой бетонное полотно, плоский характер поверхности которого выбран с целью снижения накопления льда и снега. Вагон подвешивается над полотном дороги на высоте 15 см с помощью специальной системы магнитной подвески. Эта система состоит из удлинённых сверхпроводящих электромагнитов 3, расположенных по краям днища вагона, из плоских алюминиевых полос 4, укреплённых в полотне дороги. Принцип работы системы магнитной подвески основывается на действии электродинамических сил, возникающих при взаимодействии потоков сверхпроводящих электромагнитов 3 на борту вагона и вихревых токов, наведённых в алюминиевых полосках 4. Расчёты показали, что при использовании магнитной подвески масса вагона оказывается на 20 т меньше, чем при системе подвески на воздушной подушке.
Для обеспечения поперечной устойчивости поезда при его движении применяется специальная система стабилизации. Она предусматривает укладку дополнительной обмотки вдоль оси дорожного полотна и основана на взаимодействии токов в этой обмотке с полем тяговых электромагнитов. Разработанная система электрической тяги с применением описанного выше синхронного линейного двигателя отличается хорошими эксплуатационными показателями, однако для её работы необходима укладка обмоток в полотно дороги, что удорожает изготовление системы и усложняет её обслуживание, особенно при значительной протяжённости дороги. В связи с этим были разработаны конструкции линейных синхронных двигателей, которые не требуют укладки обмоток в железнодорожное полотно. К их числу относятся линейные синхронные двигатели с так называемым униполярным возбуждением и когтеобразными полюсами. Двигатели того и другого исполнения были использованы для привода 50 - тонного состава со скоростью движения 480 км/ч.

На рис. 12 показана схема синхронного линейного двигателя с униполярным возбуждением. Двигатель имеет два статора 1, установленных на подвижной части состава. Бегущее магнитное поле создаётся с помощью обмоток 2, подключаемых к сети переменного тока. Статоры соединяются магнитопроводом 3, на котором расположена обмотка униполярного возбуждения 4. Эта обмотка создаёт постоянный по направлению магнитный поток, который пронизывает ферромагнитный вторичный элемент 5, укладываемый в магнитопровод. Взаимодействие бегущего магнитного поля с намагниченным вторичным элементом создаёт силу тяги подвижного состава.
Сопоставление линейных синхронных двигателей с униполярным возбуждением и когтеобразными полюсами с асинхронным линейным двигателем на то же тяговое усилие показало, что последний имеет худший коэффициент мощности (около 0,6), более низкий КПД (около 80%) и большую массу на единицу мощности двигателя.

5. Вывод.

Применение линейных электродвигателей позволяет упростить или полностью исключить механическую передачу, повысить экономичность и надёжность работы привода и производственного механизма в целом.

6. Список литературы.

1. В.В. Маскаленко, Электрические двигатели специального назначения, Энергоиздат 1981.
2. Кавалёв Ю.М., Электрические машины, - М.: Энергия, 1989.

19 Июля 2011 Сегодня мы продолжим разговор о приводах механизмов. Предметом нашего рассмотрения станут синхронные линейные двигатели, в последнее время составляющие конкуренцию классическим схемам «серводвигатель-ШВП» и «серводвига­тель-рейка». Практически все производители серводвигателей предлагают на нашем рынке и линейные двигатели (перечислены в алфавитном порядке): Fanuc (Япония), Mitsubishi (Япония), Sew-eurodrive (Германия), Siemens (Германия). Присутствует на рынке и производитель из СНГ - белорусское СП «Рухсервомотор». Каталоги и материалы этих фирм использованы при написании статьи.

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

F max , H

Mitsubishi (тип HALM 12, 14)

Sew-Eurodrive (тип SL2-Basic)

Siemens (тип 1 FN 3)

Рухсервомотор (тип LSM-36)

V max , м/с

V max , м/с

LxB, мм

V max , м/с

LxB, мм

V max , м/с

LxB, мм

Исходными данными для расчета двигателя являются: масса движущихся частей М, кг; коэффициент трения направляющих, µ; рабочий ход L, мм; направление оси перемещения - горизонтальное, вертикальное, под углом к горизонтали; рабочие усилия F c , Н; максимальная скорость перемещения V max , м/с; время ускорения t a , сек; температура окружающей среды t, ºС. Для правильного выбора линейного двигателя необходимо иметь циклограммы нагружения, скорости и ускорения (рис.6) . Циклограмма ускорения является производной, при этом ускорение а, м/с 2 определяется по формуле а = V ÷ t a .

Выбор линейного двигателя основан на определении потребного тягового усилия. Данный расчет предполагает, что вторичная секция линейного двигателя неподвижна. На первом этапе предварительно подбираем двигатель, используя формулу
_ _ _
F max = 1,5 ∙ (F g + F a),

где F g , Н - эффективная составляющая гравитационной силы (рис.7, а) ; F a - сила энерции, возникающая при разгоне. Как правило, необходим двигатель с максимальным тяговым усилием. По данным производителя выбираем двигатель с необходимым F max и потребной скоростью V max .

Затем необходимо определить силу трения F r , Н, возникающую в направляющих качения (рис.7, б) по формуле
_ _ _
F max = µ ∙ (F n + F d),

где F n - нормальная составляющая силы трения; F d - сила магнитного притяжения первичной секции. Следовательно, можно записать F r = µ ∙ [(М+m) ∙ g ∙ sin α + F d ], где µ, кг - масса первичной секции.

Следует обратить внимание, что при применении направляющих скольжения сила трения зависит также от скорости движения, коэффициентов трения покоя и скольжения, силы прижатия клина направляющей и т.д. Для примера на рис.8 (а) приведена циклограмма именно для этого случая.
Далее определяем силу инерции F a , Н, возникающую при разгоне/торможении двигателя, используя формулу F a = (M+m) ∙ a.
Сумма сил, действующих на систему, определяется уравнением
_ _ _ _ _
F m = F c + F g + F a + F r .

Следует построить циклограммы всех действующих на двигатель сил и результирующую циклограмму (рис.8) . При этом необходимо точно определить максимально потребную силу F max , Н. Предварительно выбранный двигатель должен развивать потребное максимальное тяговое усилие.
Помимо максимальной силы, необходимо определить номинальное усилие, с которым двигатель может работать продолжительное время. Номинальное тяговое усилие F N , Н, ограничивается температурой двигателя и в общем случае определяется по формуле

t
F N = √1/t ∫ F 2 (t) dt.
0

При ступенчатой результирующей циклограмме нагружение (рис.8, б) (направляющие качения) F N = √1/t ∙ (F 1 2 t 1 + F 2 2 t 2 + F 3 2 t 3 + … + F n 2 t n).

После выбора первичной секции необходимо выбрать вторичную секцию. Длина вторичной секции (рис.9, а) L s , мм определяется по формуле L s ≥ L + L p + (2 ∙ S E), где L, мм - рабочий ход; L p , мм - активная длина первичной секции; S E , мм - запас хода на переключение (≈20 мм).

На одной вторичной секции можно устанавливать несколько первичных (рис.9, б) . При этом длина вторичной секции соответственно должна быть увеличена на длину первичной секции и на зазор между секциями. Если первичные секции управляются от различных сервоусилителей с отдельными измерительными системами (типа ведущий/ведомый привод), зазор между ними определяется требованиями механических частей системы - длина присоединительного штекера, радиус изгиба кабеля, и т.д. Если же первичные секции управляются одним блоком параллельно, зазор между ними должен быть принят в соответствие с монтажным чертежом.
Требуемый ход может быть обеспечен набором вторичных секций различной длины. Длины вторичных секций указываются производителем. Очень часто более выгодно использовать большое число коротких сегментов вместо нескольких длинных.


Как правило, можно выбрать несколько двигателей с разными размерами, имеющих примерно равные максимальное и номинальное тяговые усилия. В этом случае можно дать следующие рекомендации по выбору линейного двигателя.
Максимальное усилие не зависит от вида охлаждения. При равном номинальном усилии линейный двигатель с водяным охлаждением будет меньше, и, следовательно, дешевле. Однако к стоимости двигателя прибавится стоимость системы охлаждения. Рекомендуется использовать водяное охлаждение для двигателей с интенсивным рабочим циклом (частое ускорение, торможение, длительная работа с большим усилием).
Стоимость первичной секции линейных двигателей с равным усилием меньше у секций меньшей длины и большей ширины. Однако стоимость вторичной секции меньше при меньшей ширине. Поэтому при малом рабочем ходе (менее 1 м) рекомендуется выбирать двигатель с меньшей длиной и большей шириной первичной секции. При перемещениях свыше 1 м - первичную секцию большей длины и меньшей ширины.
Максимальная скорость линейного двигателя зависит от значения тока при заданном напряжении питания. Следует выбирать исполнение двигателя с наименьшей скоростью, наиболее близкой к потребной.
Сервоприводы относятся к той области машиностроения, которую называют «мехатроника». Этот термин объединяет понятия «механизм» и «электроника». Достижения электроники позволяют назвать практически любой современный механизм мехатронным. Вместе с тем, часто приходится слышать, что «это дорого», «это не для наших условий» и т.д. А может, стоит еще раз вспомнить слова академика В.Н.Челомея: «Чтобы система была устойчивей, ее надо часто трясти».

М. Гранкин, инженер-конструктор

Журнал «Мир техники и технологий»

 

Возможно, будет полезно почитать:

• Приятные мелочи для поднятия настроения Подарок парню для поднятия настроения ;
• Питьевой йогурт с фруктовыми добавками ;
• Шаблон комментариев WordPress ;
• Самые богатые бандиты в мире ;
• Тренировка плеч: как сделать плечи широкими ;
• Alcatel OneTouch Idol X - Технические характеристики ;
• Манифестация… Использование вашей силы У вас появится влечение к этой цели ;
• «Пятый» седан Mercedes-Benz E-Class Серийное и дополнительное оборудование ;