Przyjrzyj się różnym dostępnym silnikom liniowym i dowiedz się, jak wybrać optymalny typ do swojej aplikacji.
Poniższy artykuł stanowi przegląd różnych dostępnych typów silników liniowych, w tym zasady ich działania, historię rozwoju magnesów trwałych, metody projektowania silników liniowych oraz sektory przemysłu wykorzystujące każdy typ silnika liniowego.
Technologią silników liniowych mogą być: liniowe silniki indukcyjne (LIM) lub liniowe silniki synchroniczne z magnesami trwałymi (PMLSM).PMLSM może być z rdzeniem żelaznym lub bez żelaza.Wszystkie silniki są dostępne w konfiguracji płaskiej lub rurowej.Hiwin jest liderem w projektowaniu i produkcji silników liniowych od 20 lat.
Zalety silników liniowych
Silnik liniowy jest używany do zapewnienia ruchu liniowego, tj. przemieszczania danego ładunku z zadanym przyspieszeniem, prędkością, odległością i dokładnością.Wszystkie technologie ruchu inne niż napędzane silnikiem liniowym są pewnego rodzaju napędem mechanicznym, który przekształca ruch obrotowy w ruch liniowy.Takie układy ruchu napędzane są śrubami kulowymi, pasami lub zębatką.Żywotność wszystkich tych napędów w dużym stopniu zależy od zużycia elementów mechanicznych służących do przekształcania ruchu obrotowego w ruch liniowy i jest stosunkowo krótka.
Główną zaletą silników liniowych jest zapewnienie ruchu liniowego bez żadnego układu mechanicznego, ponieważ medium transmisyjnym jest powietrze, dlatego silniki liniowe są zasadniczo napędami beztarciowymi, zapewniającymi teoretycznie nieograniczoną żywotność.Ponieważ do wytworzenia ruchu liniowego nie są używane żadne części mechaniczne, możliwe są bardzo duże przyspieszenia, przy których inne napędy, takie jak śruby kulowe, paski lub zębatka, napotkają poważne ograniczenia.
Liniowe silniki indukcyjne
Rys. 1
Jako pierwszy wynaleziono liniowy silnik indukcyjny (LIM) (patent USA 782312 – Alfred Zehden w 1905 r.).Składa się z części „pierwotnej” składającej się ze stosu elektrycznych warstw stalowych i wielu cewek miedzianych zasilanych napięciem trójfazowym oraz części „wtórnej” składającej się zazwyczaj z blachy stalowej i płytki miedzianej lub aluminiowej.
Kiedy cewki pierwotne są zasilane, uzwojenie wtórne zostaje namagnesowane i w przewodzie wtórnym powstaje pole prądów wirowych.To drugorzędne pole będzie następnie oddziaływać z głównym tylnym polem elektromagnetycznym, aby wygenerować siłę.Kierunek ruchu będzie zgodny z regułą lewej ręki Fleminga, tj.;kierunek ruchu będzie prostopadły do kierunku prądu i kierunku pola/strumienia.
Ryc. 2
Zaletą liniowych silników indukcyjnych jest bardzo niski koszt, ponieważ uzwojenie wtórne nie wykorzystuje żadnych magnesów trwałych.Magnesy trwałe NdFeB i SmCo są bardzo drogie.Liniowe silniki indukcyjne wykorzystują bardzo popularne materiały (stal, aluminium, miedź) jako części wtórne i eliminują to ryzyko zasilania.
Wadą stosowania liniowych silników indukcyjnych jest jednak dostępność napędów do takich silników.Chociaż bardzo łatwo jest znaleźć napędy do silników liniowych z magnesami trwałymi, bardzo trudno jest znaleźć napędy do liniowych silników indukcyjnych.
Rys. 3
Liniowe silniki synchroniczne z magnesami trwałymi
Liniowe silniki synchroniczne z magnesami trwałymi (PMLSM) mają zasadniczo ten sam element pierwotny co liniowe silniki indukcyjne (tj. zestaw cewek zamontowanych na stosie elektrycznych warstw stalowych i napędzanych napięciem trójfazowym).Wtórny różni się.
Zamiast płytki aluminiowej lub miedzianej zamontowanej na płycie stalowej, uzwojenie wtórne składa się z magnesów trwałych zamontowanych na płycie stalowej.Kierunek magnesowania każdego magnesu będzie zmieniał się w stosunku do poprzedniego, jak pokazano na ryc. 3.
Oczywistą zaletą stosowania magnesów trwałych jest wytworzenie stałego pola w uzwojeniu wtórnym.Widzieliśmy, że siła jest generowana w silniku indukcyjnym przez interakcję pola pierwotnego i pola wtórnego, która jest dostępna tylko po wytworzeniu pola prądów wirowych w wtórnym przez szczelinę powietrzną silnika.Spowoduje to opóźnienie zwane „poślizgiem” i ruch wtórnego niezsynchronizowany z napięciem pierwotnym dostarczanym do pierwotnego.
Z tego powodu indukcyjne silniki liniowe nazywane są „asynchronicznymi”.W silniku liniowym z magnesami trwałymi ruch wtórny będzie zawsze zsynchronizowany z napięciem pierwotnym, ponieważ pole wtórne jest zawsze dostępne i bez żadnych opóźnień.Z tego powodu stałe silniki liniowe nazywane są „synchronicznymi”.
W PMLSM można stosować różne rodzaje magnesów trwałych.W ciągu ostatnich 120 lat zmienił się stosunek każdego materiału.Na dzień dzisiejszy PMLSM używają magnesów NdFeB lub magnesów SmCo, ale zdecydowana większość używa magnesów NdFeB.Ryc. 4 przedstawia historię rozwoju magnesów trwałych.
Ryc. 4
Siłę magnesu charakteryzuje produkt energetyczny w Megagauss-Oersteds (MGOe).Do połowy lat osiemdziesiątych dostępne były tylko produkty Steel, Ferrite i Alnico, które dostarczały produkty o bardzo niskim zużyciu energii.Magnesy SmCo zostały opracowane na początku lat 60-tych na podstawie prac Karla Strnata i Aldena Raya, a następnie wprowadzone na rynek pod koniec lat 60-tych.
Ryc. 5
Produkt energetyczny magnesów SmCo był początkowo ponad dwukrotnie większy niż produkt energetyczny magnesów Alnico.W 1984 roku General Motors i Sumitomo niezależnie opracowały magnesy NdFeB, związek neodynu, żelaza i boru.Porównanie magnesów SmCo i NdFeB pokazano na rys. 5.
Magnesy NdFeB wytwarzają znacznie większą siłę niż magnesy SmCo, ale są znacznie bardziej wrażliwe na wysokie temperatury.Magnesy SmCo są również znacznie bardziej odporne na korozję i niskie temperatury, ale są droższe.Gdy temperatura robocza osiągnie maksymalną temperaturę magnesu, magnes zaczyna się rozmagnesowywać, a rozmagnesowanie to jest nieodwracalne.Magnes tracący namagnesowanie spowoduje utratę mocy silnika i nie będzie w stanie spełnić specyfikacji.Jeśli magnes działa poniżej maksymalnej temperatury przez 100% czasu, jego siła będzie zachowana prawie w nieskończoność.
Ze względu na wyższy koszt magnesów SmCo, magnesy NdFeB są właściwym wyborem dla większości silników, zwłaszcza biorąc pod uwagę większą dostępną siłę.Jednak w przypadku niektórych zastosowań, w których temperatura robocza może być bardzo wysoka, zaleca się stosowanie magnesów SmCo, aby trzymać się z daleka od maksymalnej temperatury roboczej.
Projektowanie silników liniowych
Silnik liniowy jest zwykle projektowany za pomocą symulacji elektromagnetycznej elementów skończonych.Zostanie utworzony model 3D przedstawiający stos laminatów, cewki, magnesy i stalową płytkę podtrzymującą magnesy.Powietrze będzie modelowane wokół silnika, jak również w szczelinie powietrznej.Następnie zostaną wprowadzone właściwości materiałów dla wszystkich komponentów: magnesów, stali elektrotechnicznej, stali, cewek i powietrza.Następnie zostanie utworzona siatka z elementów H lub P, a model zostanie rozwiązany.Następnie prąd jest doprowadzany do każdej cewki w modelu.
Ryc. 6 przedstawia wynik symulacji, w której wyświetlany jest strumień w teslach.Główną wartością wyjściową będącą przedmiotem zainteresowania symulacji jest oczywiście Siła silnika i będzie ona dostępna.Ponieważ końcowe zwoje cewek nie wytwarzają żadnej siły, możliwe jest również przeprowadzenie symulacji 2D przy użyciu modelu 2D (DXF lub w innym formacie) silnika, w tym laminatów, magnesów i stalowej płyty podtrzymującej magnesy.Wynik takiej symulacji 2D będzie bardzo zbliżony do symulacji 3D i wystarczająco dokładny, aby ocenić siłę silnika.
Ryc. 6
Liniowy silnik indukcyjny będzie modelowany w ten sam sposób, za pomocą modelu 3D lub 2D, ale rozwiązanie będzie bardziej skomplikowane niż w przypadku PMLSM.Dzieje się tak, ponieważ strumień magnetyczny wtórnego PMLSM będzie modelowany natychmiast po wprowadzeniu właściwości magnesów, dlatego do uzyskania wszystkich wartości wyjściowych, w tym siły silnika, wymagane będzie tylko jedno rozwiązanie.
Jednak strumień wtórny silnika indukcyjnego będzie wymagał analizy stanu przejściowego (czyli kilku rozwiązań w danym przedziale czasu), aby można było zbudować strumień magnetyczny wtórnego silnika LIM i dopiero wtedy można było uzyskać siłę.Oprogramowanie używane do symulacji elektromagnetycznych elementów skończonych będzie musiało mieć możliwość przeprowadzania analizy stanu nieustalonego.
Etap silnika liniowego
Ryc. 7
Hiwin Corporation dostarcza silniki liniowe na poziomie komponentów.W takim przypadku dostarczony zostanie tylko silnik liniowy i moduły dodatkowe.W przypadku silnika PMLSM moduły drugorzędne będą składać się ze stalowych płyt o różnej długości, na których zamontowane zostaną magnesy trwałe.Firma Hiwin Corporation dostarcza również kompletne etapy, jak pokazano na rys. 7.
Taki stopień składa się z ramy, łożysk liniowych, silnika pierwotnego, magnesów wtórnych, wózka do mocowania ładunku przez klienta, enkodera i toru kablowego.Stopień silnika liniowego będzie gotowy do uruchomienia w momencie dostawy i ułatwi życie, ponieważ klient nie będzie musiał projektować i produkować stopnia, co wymaga specjalistycznej wiedzy.
Żywotność stopnia silnika liniowego
Żywotność stopnia silnika liniowego jest znacznie dłuższa niż stopnia napędzanego paskiem, śrubą kulową lub zębatką.Mechaniczne elementy etapów napędzanych pośrednio są zazwyczaj pierwszymi elementami, które ulegają uszkodzeniu z powodu tarcia i zużycia, na które są stale narażone.Liniowy stopień silnika to napęd bezpośredni bez kontaktu mechanicznego lub zużycia, ponieważ medium transmisyjnym jest powietrze.Dlatego jedynymi elementami, które mogą ulec awarii na stopniu silnika liniowego, są łożyska liniowe lub sam silnik.
Łożyska liniowe mają zwykle bardzo długą żywotność, ponieważ obciążenie promieniowe jest bardzo niskie.Żywotność silnika zależy od średniej temperatury roboczej.Rysunek 8 przedstawia trwałość izolacji silnika w funkcji temperatury.Zasadą jest, że żywotność będzie zmniejszana o połowę na każde 10 stopni Celsjusza, gdy temperatura robocza jest wyższa od temperatury znamionowej.Na przykład silnik klasy izolacji F będzie pracował przez 325 000 godzin w średniej temperaturze 120°C.
W związku z tym przewiduje się, że liniowy stopień silnika będzie miał żywotność ponad 50 lat, jeśli silnik zostanie wybrany konserwatywnie, żywotność, której nigdy nie można osiągnąć w przypadku stopni napędzanych paskiem, śrubą kulową lub zębatką.
Ryc. 8
Zastosowania silników liniowych
Liniowe silniki indukcyjne (LIM) są najczęściej używane w aplikacjach o dużej długości skoku i gdzie wymagana jest bardzo duża siła połączona z bardzo dużymi prędkościami.Powodem wyboru liniowego silnika indukcyjnego jest to, że koszt uzwojenia wtórnego będzie znacznie niższy niż w przypadku zastosowania PMLSM, a przy bardzo dużej prędkości wydajność liniowego silnika indukcyjnego jest bardzo wysoka, więc utracona zostanie niewielka moc.
Na przykład EMALS (Electromagnetic Launch Systems), używane na lotniskowcach do wystrzeliwania samolotów, wykorzystują liniowe silniki indukcyjne.Pierwszy taki liniowy układ napędowy został zainstalowany na lotniskowcu USS Gerald R. Ford.Silnik może rozpędzić samolot o masie 45 000 kg z prędkością 240 km/h na 91-metrowym torze.
Kolejny przykład przejażdżek w parku rozrywki.Liniowe silniki indukcyjne zainstalowane w niektórych z tych systemów mogą przyspieszyć bardzo duże ładunki od 0 do 100 km/hw 3 sekundy.Liniowe stopnie silnika indukcyjnego mogą być również stosowane w jednostkach RTU (Robot Transport Units).Większość RTU wykorzystuje napędy zębatkowe, ale liniowy silnik indukcyjny może zapewnić wyższą wydajność, niższy koszt i znacznie dłuższą żywotność.
Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi
PMLSM będą zwykle używane w aplikacjach o znacznie mniejszych skokach, niższych prędkościach, ale wysokiej lub bardzo wysokiej dokładności i intensywnych cyklach pracy.Większość z tych zastosowań można znaleźć w przemyśle AOI (automatyczna kontrola optyczna), półprzewodnikach i maszynach laserowych.
Wybór stopni napędzanych silnikami liniowymi (napęd bezpośredni) oferuje znaczne korzyści w zakresie wydajności w porównaniu z napędami pośrednimi (stopnie, w których ruch liniowy uzyskuje się poprzez konwersję ruchu obrotowego), zapewniając trwałe konstrukcje i są odpowiednie dla wielu gałęzi przemysłu.
Czas postu: 06-02-2023