Приводи подач всіх сучасних металообробних верстатів з ЧПУ, у тому числі електроерозійних (ЕЕ) будуються за традиційною схемою. Так, в одному з типажів ЕЕ верстатів переміщення робочого органу РВ (каретки подач) здійснюється від двигуна постійного струмучерез ременную передачу на ходовий гвинт. Через кулькову гайку (вона скріплена з РВ пружинами механізму захисту від зіткнень) обертання гвинта трансформується в поздовжнє переміщення РВ.

Більш надійні та сучасні приводи виконані без ремінної передачі. У цих приводах високомоментний двигун змінного струмубезпосередньо з'єднаний із ходовим гвинтом.

Недоліки зазначених видів приводів досить відомі та очевидні:

Оскільки ці недоліки визначають основні якісні характеристики приводів (точність та рівномірність ходу РВ, величину мертвого ходу при реверсі, допустимі прискорення та швидкості РВ), конструкторська думка верстатобудівників давно намагається якось зменшити їх вплив на роботу приводів та обладнання в цілому. Наприклад, у з'єднанні ходового гвинта з гайкою для зменшення тертя вже давно використовують дороге і складне кулькогвинтове з'єднання; для ліквідації зазорів з'єднання гвинта з гайкою вводяться спеціальні пристрої натягу з'єднання; ходові гвинти особливо точних верстатів виготовляють за класом еталонних; похибки кроку гвинтів намагаються компенсувати системами компенсаторів; у боротьбі з температурними деформаціями створюються витончені системи охолодження тощо. Проблеми, проблеми, проблеми... І вже давно ясно, що проблеми приводів із ходовими гвинтами не вирішити ніколи через їхню фізико-технічну сутність і побудований тип, як такий.

Принцип лінійного двигуна (ЛД) не є новим і, загалом, відомий навіть школяру, оскільки прототипом ЛД є найпростіша електромагнітна система. Така система складається з металевого сердечника-магніту та статорної обмотки. При подачі струму певної полярності в обмотку сердечник зміститься у той чи інший бік, причому майже миттєво. Зміна полярності сигналу на обмотку призведе до зворотного ходу осердя. Як бачимо, від джерела енергії до РВ немає жодних проміжних елементів, передача енергії здійснюється через повітряний зазор, нічого не треба обертати, одразу можливе здійснення головного завдання – поздовжнього руху РВ. Геніальність рішення, природно, відразу була гідно оцінена. На розглянутому принципі вже десятиліття працюють усі елементи електроавтоматики, системи електрогальм, системи захисту, спеціальне обладнання ударного типу тощо. Величезний досвід використання електромагнітних систем чітко виявив їх приголомшливі переваги: ​​дивовижна простота конструкції та застосування, майже миттєва зупинка, миттєвий реверс, понад швидкість спрацьовування, великі зусилля, простота налаштування. Але не було тільки одного - можливості регулювати швидкість РВ в електромагнітній системі та забезпечувати тим самим регульований поступальний рух РВ (сердечника). А без цієї можливості застосувати електромагнітний привід (попри його геніальність) як рушій в устаткуванні було неможливо.

Потрібно було багато років роботи вчених і конструкторів у різних країнах, перш ніж було досягнуто успіху. Особливо інтенсивно велися роботи в Японії, де електромагнітний привід (вже як лінійний привід) був успішно використаний як рушій для надшвидкісних поїздів. Там були спроби створення лінійних приводів для металообробних верстатів, але вони мали істотні недоліки: створювали сильні магнітні поля, грілися, а головне не забезпечували рівномірності в русі РВ. Лише на порозі нового тисячоліття почався серійний випуск верстатів (поки в основному електроіскрових (електроерозійних)) з принципово новими лінійними двигунами, в яких вирішені всі проблеми щодо забезпечення рівномірним рухом РВ верстатів із надвисокою точністю, з великим діапазоном регулювання швидкості, з величезними прискореннями. реверсом, з простотою обслуговування та налагодження та ін.

В принципі конструкція ЛД змінилася не сильно. Власне двигун складається всього з 2 (!) Елементів: електромагнітного статора і плоского ротора, між якими лише повітряний зазор. Третій обов'язковий елемент – оптична чи інша вимірювальна лінійка із високою дискретністю (0,1 мкм). Без неї система керування верстата не може визначити поточні координати. І статор, і ротор виконані у вигляді плоских блоків, що легко знімаються: статор кріпиться до станини або колони верстата, ротор - до робочого органу (РО). Ротор просто простий: він складається з ряду прямокутних сильних (рідкоземельних) постійних магнітів. Закріплені магніти на тонкій плиті із спеціальної високоміцної кераміки, коефіцієнт температурного розширення якої вдвічі менший, ніж у граніту. Використання кераміки спільно з ефективною системою охолодження вирішило багато проблем лінійних приводів, пов'язаних з температурними факторами, наявністю сильних магнітних полів, жорсткістю конструкції і т.п.

Точна та рівномірна подача РВ у всьому діапазоні швидкостей та навантажень забезпечується двома технічними рішеннями:

Компанія "СОДІК" організувала на своїх заводах серійний випуск широкої гами ЛД з характеристиками: з ходом подач від 100 до 2220 мм, максимальною швидкістюпереміщення РВ до 180 м/хв з прискореннями до 20G (!!!) при точності виконання заданих переміщень (у нормальному режимі робіт), що дорівнює 0,0001мм (0,1 мкм). Нагрів цих ЛД під час роботи вбирається у + 2° З температури приміщення. Забезпечується практично миттєва зупинка РВ, реверс, моментальна реакція приводу на команди системи ЧПК тощо. На той самий робочий орган монтується (наприклад, збільшення потужності) кілька лінійних двигунів. Так, зокрема, влаштований привід осі Z всіх ЕЕ прошивних верстатів "СОДИК".

Як зазначалося, і статор, і ротор ЛД дуже прості. Статор виконаний у вигляді прямокутного блоку та кріпиться кількома болтами до несучої конструкції верстата. У приводі осі Z – два статори. Вони розміщені по обидва боки вертикального повзуна. До кожного статора кріпляться два патрубки системи охолодження статора та кабелі підведення енергії та управління. Пластина ротора жорстко кріпиться болтами до рухомої каретки (РВ). Так як у приводі осі Z два ЛД, то на каретці кріпляться, відповідно, два ротори, кожен навпроти свого статора. Система спеціальних напрямних і пневмопротиваваг забезпечують виняткову легкість ходу каретки, практично без зусиль. Приводи по осях X, Y прошивочних верстатів і в приводах X, Y, U, V дротяно-вирізних верстатів простіше - у них лише по одному ЛД.

Особливо слід зазначити простоту обслуговування ЛД, простоту періодичного чищення (при необхідності), профілактики та ремонту. Так, щоб замінити ротор ЛД, достатньо відкрутити кілька болтів, що кріплять ротор до РВ. Для заміни статора, крім болтів, потрібно лише зняти дві трубки системи охолодження статора і від'єднати кабель. Порівняйте ці дії, наприклад, із комплексом робіт зі зняття кульової гайки або заміни підшипника ходового гвинта.

Ефективність застосування нових приводів відразу знайшло переконливе підтвердження. Нова серіяЕЕ верстатів з ЛД має різко підвищені техніко-технологічні та експлуатаційні характеристикив порівнянні з аналогічними верстатами, що мають традиційні приводи. Так, продуктивність ЕЕ прошивних верстатів з ЛД вища, ніж у верстатів із звичайними приводами як мінімум у 2 рази, а ЕЕ дротяно-вирізних – на 50%. Підвищилася точність верстатів, розширилися діапазони параметрів деталей, що обробляються і т.д. Для пояснення цього необхідно розглядати певні тонкощі ЕЕ технологій та роботи ЕЕ обладнання, а це вже інша тема.

Нижченаведена таблиця дозволяє візуально зіставити аналізовані приводи.

Роздрукувати

Електропривід

Сучасні тенденції у розвитку лінійних сервоприводів

Історично склалося, що промисловість однак залежить від різноманітних гвинтових і ремінних передач чи пневматичних механізмів на вирішення завдань лінійного позиціонування. Але зростаючий попит збільшення швидкості пропускної спроможності, мільйони робочих циклів, гнучкість налаштування і програмування виявив недоліки даних механізмів. Найчастіше доводиться йти на компроміс, якщо доходить до точного контрольованого позиціонування в поступальному русі.

Останнім часом виробники пневмоприводів оновили пристрої керування пневматичних циліндрів із зовнішніми регулюючими клапанами, датчиками положення та сервоелектронікою з метою вирішення деяких із цих труднощів. Але не так просто побудувати замкнуту систему позиціонування, враховуючи високий коефіцієнт тертя та динамічну в'язкість стиснутого повітря. Управління стає проблематичним через пружність і тертя повітря, а також тертя поршня.

Технологія безпосереднього приводу лінійного двигуна забезпечує значно кращий підхід вирішення завдань позиціонування. Дана технологія передбачає пряме застосування сили електромагнітної взаємодії без використання ременя, кулькової передачі або іншої проміжної ланки. Лінійний привід здійснює безпосереднє лінійне переміщення, а не перетворює обертальний рух на поступальний.

1. 1. Пристрій лінійного двигуна

Найпростіший спосіб описати пристрій лінійного двигуна - це уявити двигун обертання з постійними магнітами, розрізаний вздовж та розгорнутий у площину. Традиційні лінійні двигуни мають саме таку конструкцію.

Нові лінійні двигуни, звані tubular linear actuator, мають форм-фактор соленоїда.

Сам двигун знаходиться в межах немагнітного корпусу із нержавіючої сталі, так званої каретки. Самонесуча обмотка знаходиться всередині каретки разом із підшипником ковзання виготовленого із спеціального полімерного матеріалу. Усередині обмотки розміщується рухомий елемент – шток. Шток є порожнистим немагнітним циліндром з нержавіючої сталі, в якому розміщені невеликі надміцні рідкоземельні магніти у формі таблеток. Рухомий шток є ключовим компонентом двигуна, він втілює запатентований дизайн, який дозволяє створити точне синусоїдальне магнітне поле по всій його довжині. Ця особливістьдозволяє використовувати інтегровані в корпус двигуна датчики зворотного зв'язку замість традиційних зовнішніх датчиків положення. Це важливо, оскільки зовнішні датчики лінійних переміщень часто можуть коштувати майже стільки ж, скільки і сам привід, крім того, вони є високоточними пристроями, які вимагають спеціальних умов. довкілля, точного налаштування та технічне обслуговування. Інтегровані датчики Холла знаходяться на електронній платі під захисною кришкою каретки.

Трубчастий форм-фактор дає разючі переваги. Дане виконання забезпечує математично ідеальну орієнтацію магнітного поля між обмотками каретки двигуна та магнітним штоком. Усі магнітні силові лінії перетинають провідники зі струмом під прямим кутом. Така орієнтація дозволяє створити максимальне зусилля та ефективність. Висока ефективність у свою чергу означає мінімальну кількість тепла, що виділяється, яке максимізує кількість робочих циклів.

Лінійним електродвигуном можна керувати за допомогою будь-якого трифазного серводрайвера постійного струму, який також має інтерфейс зворотного зв'язку sin/cos. Тим не менш, кращих динамічних показників можна досягти тільки при використанні драйверів, спеціально оптимізованих для роботи з лінійними двигунами. Зокрема такі види контролерів руху пропонує компанія Copley Controls.

1. 2. Обертальний рух у поступальний.
   

Як правило, обертальний рух перетворюють на поступальний за допомогою наступних рішень:

- Гвинт-гайка ковзання
– Шарико-гвинтова передача (ШВП)
- Шестерня-рейка
- Ремінна передача.

Коротко розглянемо дані перетворюючі передачі.

2.1. Передача гвинт-гайка ковзання:являють собою приводний механізм, який служить для перетворення обертального руху гвинта на поступальний рух гайки; працює на принципі тертя-ковзання.

Переваги: низька ціна, Необоротний хід, високе зусилля, що розвивається.

Недоліки: як правило, ефективність передачі залежить від типу приводного двигуна і становить приблизно 10–40%; пристрою властиві знос і люфт, що постійно наростає; гвинт необхідно містити в чистоті, навіть невелике забруднення може призвести до зниження ефективності або заклинювання системи.

2.2.ШВП:принцип роботи той же, що і у передачі гвинт-гайка, за винятком того, що гайка містить гвинтові канавки криволінійного профілю. Канавки є доріжками кочення для кульок, які переміщуються між витками гвинта і гайки. Переміщення кульок відбувається по замкнутій траєкторії - при обертанні гвинта кульки залучаються в рух по гвинтових канавках, поступово переміщають гайку і через канал перепуску повертаються у вихідне положення.

Переваги: ​​передача має дуже високий рівень ефективності – до 98%, великий термін експлуатації, високу точність та малий люфт. Недоліки: - Висока вартість; при використанні ШВП необхідно враховувати значні аксіальні навантаження, що наводяться на вихідний вал двигуна, як наслідок, потрібне застосування додаткової опори підшипника; гвинт також необхідно містити в чистоті, щоб уникнути заклинювання.

2.3.Шестерня-рейка: шестерня, обертаючись на валу двигуна, надає руху зубчастій рейці. Переваги: ​​досить ефективне рішення в економічному плані, також підходить для застосувань, де потрібна велика довжина переміщень, велике зусилля і точність; ефективність передачі сягає 95%.

Недоліки: як правило, конструкція має люфт, для зменшення люфту необхідно виготовляти контактні зубці з вищою точністю або збільшити притискну силу між шестірнею і рейкою, висока притискна сила викликає великі радіальні навантаження на вихідний вал двигуна або редуктора; при русі існує невелика пульсація швидкості; рух має відносно галасливий характер.

2.4.Ремінна передача:шків на валу обертає ремінь, який переміщує навантаження в лінійному напрямку.

Переваги: ​​недороге рішення, точність не краща за 50 мкм.

Недоліки: ремінь схильний до зносу при високих швидкостях і навантаженнях; ремінь може розтягуватися; малий люфт вимагає високого ступеня натягу ременя, це своє чергу збільшує радіальні навантаження на вихідному валу.

Що стосується лінійних двигунів, то вони увібрали практично всі переваги описаних вище пристроїв і виключили більшість їх недоліків. Наприклад, відсутність гвинта, гайки та інших механічних вузлів робить лінійний сервопривід малошумним пристроєм. Відсутність елементів, схильних до зносу, збільшує термін експлуатації двигунів. Наприклад, якщо необхідна висока точність позиціонування при невеликих навантаженнях і високих швидкостях, лінійний двигун здатний забезпечити набагато більший термінексплуатації, ніж сервопривід із ШВП. З тих же причин лінійні приводи в трубчастому форм-факторі не відчувають інерції, відсутні такі фактори, як гістерезис та люфт. Результатом є чудова динамічна жорсткість.

Зрештою, трубчасті лінійні двигуни сьогодні знаходяться не на їхній фізичній межі. Вимоги майбутніх додатків створює необхідність постійного зменшення приводів і збільшення їх чутливості. Тому межа розмірів двигуна залежить від вартості, а чи не від фундаментальної фізики.

3. Лінійні серводвигуни Faulhaber

Для реалізації особливо точного програмованого лінійного руху Faulhaber пропонує серію лінійних серводвигунів.

Ці приводи при компактному розмірі (двигун LM2070 - 20 мм сторона квадрата каретки і довжина 70 мм) розвивають зусилля до 27 Н, можуть використовуватися як в режимі двигуна (рухається каретка при зафіксованому валі), так і в режимі актуатора (рухається вал, каретка зафіксована ). Завдяки інтегрованим лінійним датчикам Холла можуть бути досягнуті точності позиціонування до 120 мкм і повторюваності до 40 мкм без застосування будь-яких зовнішніх датчиків.

Лінійні серводвигуни не вимагають мастила або будь-якого додаткового обслуговування під час роботи, безшумні, розвивають швидкість до 3,2 м/с, а прискорення – до 198 м/с2. Лінійні двигуни Faulhaber пропонуються з різною довжиною штока. Доступні виконання для роботи з компактними контролерами виробника, так і з синусно-косинусним зворотним зв'язком, що дозволяють реалізувати управління за допомогою ПЛК-контролера. Крім того, компанія Faulhaber пропонує контролери руху спеціально для роботи з лінійними двигунами, що дозволяють реалізувати повноцінне налаштування та конфігурацію лінійного приводу. Вони вільно програмуються та підтримують як послідовний інтерфейс RS-232, так і мережевий інтерфейс CAN.

4. Лінійний серводвигун Dunkermotoren

Лінійні серводвигуни Dunkermotoren серії ServoTube доступні у двох виконаннях:

1. Двигуни прямого приводу, призначені для роботи в режимі актуатора (рухомий шток двигуна).

2. Компоненти лінійних сервосистем, призначені для використання як OEM-комплектуючі та потребують встановлення додаткових підшипників. За допомогою таких компонентів можна реалізувати роботу двигуна з навантаженням, прикладеним безпосередньо до каретки при зафіксованому штоку.

До складу двигуна входить інтегрований датчик зворотного зв'язку за положенням, що забезпечує повторюваність до 12 мікрон. У лінійні серводвигуни Dunkermotoren інтегровані лінійні підшипники, що забезпечують тривалий термін служби виробу та не потребують додаткового мастила та іншого обслуговування. Серія лінійних серводвигунів ServoTube може похвалитися діапазоном швидкостей, що розвиваються, до 9,4 м/с і прискорень до 586 м/с2. Актуатори характеризуються класом захисту IP67 та розвивають постійне робоче зусилля від 7 до 276 Н при довготривалих навантаженнях. Всі двигуни відповідають індустріальним стандартам, що дозволяє провести їх швидке впровадження в системи, що вже працюють. Пропонується велика кількість аксесуарів для інтеграції актуаторів на базі лінійних серводвигунів на заміну пневмоциліндрів. Для комплектації з двигунами також пропонуються різні контролери, що управляють, від виробника двигунів.

4.1. Спеціальна версіязахищених лінійних серводвигунів

Спеціальна серія серводвигунів Dunkermotoren є мехатронними виробами, що реалізують роботу в режимі актуатора.

Двигуни цієї серії відрізняються корпусом, виконаним із нержавіючої сталі та характеризуються класом захисту IP69K. Водяне охолодженнядвигунів цієї серії дозволяє розвинути зусилля до 460 Н. У двигун інтегрований енкодер з роздільною здатністю 10 мкм, що забезпечує повторюваність 25 мкм. режим актуатора (рухомий шток). Живлення двигуна здійснюється від трьох фаз, величина напруги живлення може досягати 600 В. Завдяки цьому можливе використання як керуючої електроніки, пропонованої Dunkermotoren, так і контролерів від сторонніх виробників.

4.2. Модулі лінійного руху

Модулі лінійного руху компанії Dunkermotoren - це готові до використання та інтеграції в створювані системи мехатронні рішення. В основі модуля лежить лінійний серводвигун Dunkermotoren, оснащений напрямною, кінцевими вимикачами, ланцюговим шлейфом та іншими супутніми компонентами. Опціонально можливе оснащення модуля лінійним енкодером з роздільною здатністю до 1 мкм для вирішення завдань позиціонування з високою точністю.

Модуль лінійного руху може мати від 1 до 3 ступенів рухливості, комплектується завжди індивідуально по ТЗ замовника. Використання модулів лінійного руху на базі лінійних серводвигунів є гарною альтернативою приводам на базі кулькових і ременних передач. Модулі Dunkermotoren широко застосовуються в пакувальних машинах та інших автоматичних лініях.

Ілля Герасимов, інженер ТОВ "Мікропривід"

Фотографії надані ТОВ "Мікропривід"

Електропривід 23.10.2017 Вертикальні осі є певними ризиками, особливо коли робота безпосередньо під ними неминуча. Тому необхідно надійне забезпечення захисту в металорізальних верстатах.

Призначення та типи лінійних електродвигунів

Ротаційні електродвигуни зазвичай призначені для реалізації обертального руху робочого механізму. Іноді ці двигуни здійснюють поступальні чи зворотно-поступальні рухи. Досягається це за допомогою кінематичних передач, що ускладнюють конструкцію і знижують коефіцієнт корисної діїприводу. Застосування лінійних електродвигунів дозволяє усунути ці недоліки.

У ротаційних електродвигунах індуктор є циліндр, всередині якого обертається ротор. У плоских лінійних електродвигунах індуктор розгорнуто на площині. Індуктор циліндричного лінійного електродвигуна - циліндр, у якому лінійно переміщаються вторинні елементи.

Основні типи лінійних електродвигунів: лінійні асинхронні електродвигуни, лінійні синхронні електродвигуни, лінійні електродвигуни постійного струму, лінійні крокові електродвигуни. Найбільшого застосування отримали лінійні асинхронні електродвигуни. Первинна обмотка асинхронного лінійного електродвигуна збуджує електромагнітне поле, що біжить. Внаслідок взаємодії первинного поля та індуктованих струмів у вторинному елементі виникає тягове зусилля. Вторинний елемент прямолінійно переміщується. У лінійних асинхронних електродвигунах мають місце погіршують характеристики крайові ефекти. Розімкненість магнітного ланцюга в поздовжньому напрямку викликає поздовжній крайовий ефект. Збільшення числа полюсів індуктора знижує поздовжній крайовий ефект. Наявність на краях вторинного елемента поздовжніх складових струмів, що не створюють корисне тягове зусилля – поперечний крайовий ефект. Збільшення ширини вторинного елемента знижує вплив поперечного крайового ефекту. Отже, принцип дії як ротаційних, так і лінійних електродвигунів має ту саму фізичну природу.

Застосування лінійних електродвигунів

Лінійні електродвигунизастосовуються там, де вони спрощують конструкцію, підвищують продуктивність машин та обладнання, або в тих випадках, коли використання ротаційних електродвигунів за їх характеристиками неможливе. Застосування лінійних електродвигунів найперспективніше у промисловому та пасажирському транспорті. У конвеєрних поїздах індуктори електроприводу розташовані вздовж рейкової колії, вторинний елемент електродвигуна знаходиться на рухомому складі. Такі поїзди зручні при транспортуванні вугілля, руди та будівельних матеріалів. На прикладі системи міського естакадного пасажирського транспортупоказаний інший варіант виконання лінійного електродвигуна, де вторинний елемент встановлений уздовж шляху у вигляді струмопровідної вертикальної смуги. А індуктори встановлені в вагоні, що рухається. Лінійні асинхронні електродвигуни широко застосовуються у приводах різних виконавчих механізмів та пристроїв. У приводах роз'єднувачів тягових підстанцій циліндричний лінією електродвигун суттєво спрощує конструкцію, підвищує швидкодію та експлуатаційну надійність обладнання.

У ряді випадків вторинним елементом двигуна може бути і деталь робочого механізму. Привід поворотного столу маніпулятора здійснено на базі плоских лінійних електродвигунів, що забезпечує високу точність кутового позиціонування столу та суттєво спрощує механічну частинупристрої. В окремих випадках лінійні асинхронні електродвигуни можуть ефективно виконувати відразу кілька цільових функцій. Ливарна карусельна машина. Її привід реалізований на лінійних електродвигунах плоского виконання. Він може переміщати і за технологічної необхідності підігрівати з ложниці. Коефіцієнт корисної дії таких приводів є значно вищим, ніж ККД приводів з однією цільовою функцією.

Принцип роботи лінійного асинхронного електродвигуна може бути використаний під час створення інших електромагнітних пристроїв, наприклад, у сепараторах кольорових металів. Лінійні електродвигуни успішно застосовуються в різних системахвнутрішньоцеховий транспорт. Основними перевагами лінійних електродвигунів є можливість отримання безпосереднього прямолінійного руху, великих швидкостей та прискорень, простота конструкції, безшумність та надійність роботи. Розвиток мікропроцесорної техніки та розробка нових засобів управління дозволяють постійно розширювати галузі ефективного застосування лінійних електродвигунів.

Уявлення про пристрій лінійного асинхронного двигуна можна отримати, якщо подумки розрізати статор і ротор з обмотками звичайного асинхронного двигуна вздовж осі утворює і розгорнути в площину. Плоска конструкція, що утворилася, являє собою принципову схему лінійного двигуна. Якщо тепер обмотки статора такого двигуна підключити до мережі трифазного змінного струму, то утворюється магнітне поле, вісь якого буде переміщатися вздовж повітряного зазору зі швидкістю V, пропорційної частоти напруги живлення f і довжині полюсного поділу t: V = 2пf. Це магнітне поле, що переміщається вздовж зазору, перетинає провідники обмотки ротора і індукує в них ЕРС, під дією якої по обмотці почнуть протікати струми. Взаємодія струмів з магнітним полем призведе до появи сили, чинної, за правилом Ленца, у бік переміщення магнітного поля. Ротор - надалі називатимемо його вже вторинним елементом - під дією цієї сили почне рухатися. Як і звичайному асинхронному двигуні, переміщення елемента відбувається з деяким ковзанням щодо поля S = (V - v)/V, де v - швидкість руху елемента. Номінальне ковзання лінійного двигуна дорівнює 2-6%. Вторинний елемент лінійного двигуна не завжди забезпечується обмоткою. Одна з переваг лінійного асинхронного двигуна полягає в тому, що як вторинний елемент може використовуватися звичайний металевий лист. Вторинний елемент при цьому може розташовуватися між двома статорами, або між статором і феромагнітним сердечником. Вторинний елемент виконується з міді, алюмінію або сталі, причому використання немагнітного вторинного елемента передбачає застосування конструктивних схем із замиканням магнітного потоку через феромагнітні елементи. Принцип дії лінійних двигунів із вторинним елементом у вигляді смуги повторює роботу звичайного асинхронного двигуна з масивним феромагнітним або порожнистим ротором немагнітним. Обмотки статора лінійних двигунів мають самі схеми з'єднання, як і звичайні асинхронні двигуни, і підключаються зазвичай до мережі трифазного змінного струму. Лінійні двигуни дуже часто працюють у так званому зверненому режиміруху, коли вторинний елемент нерухомий, а пересувається статор. Такий лінійний двигун, який отримав назву двигуна з рухомим статором, знаходить, зокрема, широке застосування електричного транспорту. Наприклад, статор нерухомо закріплений під підлогою вагона, а вторинний елемент є металевою смугою між рейками, а іноді вторинним елементом служать самі рейки. Одним з різновидів лінійних а синхронних двигунівє трубчастий (коаксіальний) двигун. Статор такого двигуна має вигляд труби, всередині якої розташовуються плоскі дискові котушки (обмотки статора) і металеві шайби, що є частиною магнітопроводу. Котушки двигуна з'єднуються групами та утворюють обмотки окремих фаз двигуна. Усередині статора міститься вторинний елемент трубчастої форми, виконаний з феромагнітного матеріалу. При підключенні до мережі обмоток статора вздовж його внутрішньої поверхні утворюється магнітне поле, що біжить, яке індукує в тілі вторинного елемента струми, спрямовані по його колу. Взаємодія цих струмів з магнітним полем двигуна створює на вторинному елементі силу, що діє вздовж труби, яка і (при закріпленому статорі) рух вторинного елемента в цьому напрямку. Трубчаста конструкція лінійних двигунів характеризується аксіальним напрямком магнітного потоку у вторинному елементі на відміну плоского лінійного двигуна, в якому магнітний потік має радіальний напрямок.

Лінійний двигун

Лінійний двигун- електродвигун, у якого один з елементів магнітної системи розімкнуто і має розгорнуту обмотку, що створює магнітне поле, а інший взаємодіє з ним і виконаний у вигляді напрямної, що забезпечує лінійне переміщення рухомої частини двигуна. Зараз розроблено безліч різновидів (типів) лінійних електродвигунів, наприклад, лінійні асинхронні двигуни (ЛАД), лінійні синхронні електродвигуни, лінійні електромагнітні двигуни, лінійні магнітоелектричні двигуни, лінійні магнітострикційні двигуни, лінійні п'єзоелектричні. як асинхронні, синхронні або постійного струму, повторюють за принципом своєї дії відповідні двигуни обертального руху, тоді як інші типи лінійних двигунів (магнітострикційні, п'єзоелектричні та ін) не мають практичного виконання як двигуни обертального руху. Нерухому частину лінійного електродвигуна, що отримує електроенергію з мережі, називають статором, або первинним елементом, А частина двигуна, що отримує енергію від статора, називають вторинним елементомабо якорем (назва "ротор" до деталей лінійного двигуна не застосовується, тому що слово "ротор" буквально означає "обертовий", а в лінійному двигуні обертання немає). Найбільшого поширення у транспорті та великих лінійних переміщень отримали асинхронні і синхронні лінійні двигуни, але застосовуються також лінійні двигуни постійного струму і лінійні електромагнітні двигуни. Останні найчастіше використовуються для отримання невеликих переміщень робочих органів та забезпечення при цьому високої точності та значних тягових зусиль.

Асинхронний лінійний двигун

Уявлення про пристрій лінійного асинхронного двигуна можна отримати, якщо подумки розрізати статор і ротор з обмотками звичайного асинхронного двигуна вздовж осі утворює і розгорнути в площину. Плоска конструкція, що утворилася, являє собою принципову схему лінійного двигуна. Якщо тепер обмотки статора такого двигуна підключити до мережі трифазного змінного струму , то утворюється магнітне поле , вісь якого буде переміщатися вздовж повітряного зазору зі швидкістю V, пропорційної частоти напруги живлення f і довжині полюсного поділу t: V = 2tf. Це магнітне поле, що переміщається вздовж зазору, перетинає провідники обмотки ротора і індукує в них ЕРС, під дією якої по обмотці почнуть протікати струми. Взаємодія струмів з магнітним полем призведе до появи сили, чинної, за правилом Ленца, у бік переміщення магнітного поля. Ротор - надалі називатимемо його вже вторинним елементом - під дією цієї сили почне рухатися. Як і звичайному асинхронному двигуні, переміщення елемента відбувається з деяким ковзанням щодо поля S = (V - v)/V, де v - швидкість руху елемента. Номінальне ковзання лінійного двигуна дорівнює 2-6%. Вторинний елемент лінійного двигуна не завжди забезпечується обмоткою. Одна з переваг лінійного асинхронного двигуна полягає в тому, що як вторинний елемент може використовуватися звичайний металевий лист. Вторинний елемент при цьому може розташовуватися між двома статорами, або між статором і феромагнітним сердечником. Вторинний елемент виконується з міді, алюмінію або сталі, причому використання немагнітного вторинного елемента передбачає застосування конструктивних схем із замиканням магнітного потоку через феромагнітні елементи. Принцип дії лінійних двигунів із вторинним елементом у вигляді смуги повторює роботу звичайного асинхронного двигуна з масивним феромагнітним або порожнистим ротором немагнітним. Обмотки статора лінійних двигунів мають самі схеми з'єднання, як і звичайні асинхронні двигуни, і підключаються зазвичай до мережі трифазного змінного струму. Лінійні двигуни дуже часто працюють у так званому зверненому режиміруху, коли вторинний елемент нерухомий, а пересувається статор. Такий лінійний двигун, який отримав назву двигуна з рухомим статором, знаходить, зокрема, широке застосування електричного транспорту. Наприклад, статор нерухомо закріплений під підлогою вагона, а вторинний елемент є металевою смугою між рейками, а іноді вторинним елементом служать самі рейки. Одним із різновидів лінійних асинхронних двигунів є трубчастий (коаксіальний) двигун. Статор такого двигуна має вигляд труби, всередині якої розташовуються плоскі дискові котушки (обмотки статора) і металеві шайби, що є частиною магнітопроводу. Котушки двигуна з'єднуються групами та утворюють обмотки окремих фаз двигуна. Усередині статора міститься вторинний елемент трубчастої форми, виконаний з феромагнітного матеріалу. При підключенні до мережі обмоток статора вздовж його внутрішньої поверхні утворюється магнітне поле, що біжить, яке індукує в тілі вторинного елемента струми, спрямовані по його колу. Взаємодія цих струмів з магнітним полем двигуна створює на вторинному елементі силу, що діє вздовж труби, яка і (при закріпленому статорі) рух вторинного елемента в цьому напрямку. Трубчаста конструкція лінійних двигунів характеризується аксіальним напрямком магнітного потоку у вторинному елементі на відміну плоского лінійного двигуна, в якому магнітний потік має радіальний напрямок.

Синхронний лінійний двигун

Основною сферою застосування синхронних двигунів, де їх переваги виявляються особливо сильно, є високошвидкісний електричний транспорт. Справа в тому, що за умов нормальної експлуатації такого транспорту необхідно мати порівняно великий повітряний зазор між рухомою частиною та вторинним елементом. Асинхронний лінійний двигун має дуже низький коефіцієнт потужності (cosφ), і його застосування виявляється економічно невигідним. Синхронний лінійний двигун, навпаки, допускає наявність відносно великого повітряного зазору між статором і вторинним елементом і працює при цьому cosφ, близьким до одиниці, і високим ККД , що досягає 96%. Застосування синхронних лінійних двигунів у високошвидкісному транспорті поєднується, як правило, з магнітною підвіскою вагонів та застосуванням надпровідних магнітів та обмоток збудження, що дозволяє підвищити комфортабельність руху та економічні показники роботи рухомого складу.

Застосування лінійних двигунів

• Широке застосування лінійні двигуни знайшли в електричному транспорті, чому сприяв цілий ряд переваг цих двигунів: прямолінійність руху вторинного елемента (або статора), що природно поєднується з характером руху різних транспортних засобів, простота конструкції, відсутність тертьових частин (енергія магнітного поля безпосередньо перетворюється на механічну), що дозволяє досягти високої надійностіта ККД. Ще одна перевага пов'язана з незалежністю сили тяги від сили зчеплення коліс з рейковим шляхом, що є недосяжним для звичайних систем електричної тяги. При використанні лінійних двигунів виключається буксування коліс електричного транспорту(саме цією причиною був обумовлений вибір лінійного двигуна для ММТС), а прискорення та швидкості руху засобів транспорту можуть бути як завгодно високими і обмежуватися лише комфортабельністю руху, допустимою швидкістю кочення коліс по рейковій колії та дорозі, та динамічною стійкістю ходової частини транспорту та колії.

• Лінійні асинхронні двигуни використовуються для приводу механізмів транспортування вантажів. різних виробів. Такий конвеєр має металеву стрічку, яка проходить усередині статорів лінійного двигуна, будучи вторинним елементом. Застосування лінійного двигуна в цьому випадку дозволяє знизити попередній натяг стрічки та усунути її прослизання, підвищити швидкість та надійність роботи конвеєра.

• Лінійний двигун може застосовуватися для машин ударної дії, наприклад, своєзабивних молотів, що застосовуються при дорожніх роботах і будівництві. Статор лінійного двигуна розташовується на стрілі молота і може переміщатися напрямними стрілами у вертикальному напрямку за допомогою лебідки. Ударна частина молота є вторинним елементом двигуна. Для підйому ударної частини молота двигун включається таким чином, щоб поле, що біжить, було спрямоване вгору. При підході ударної частини до верхнього крайнього положення двигун відключається і ударна частина опускається вниз на палю під дією сили тяжіння. У деяких випадках двигун не вимикається, а реверсується, що дозволяє збільшити енергію удару. У міру заглиблення палі статор двигуна переміщається вниз за допомогою лебідки. Електричний молот простий у виготовленні, не вимагає підвищеної точності виготовлення деталей, нечутливий до зміни температури і може працювати практично миттєво.

Лінійні двигуни високого та низького прискорення

Усі лінійні двигуни їх можна розділити на дві категорії:

• двигуни низького прискорення
• двигуни високого прискорення

Двигуни низького прискореннявикористовуються в громадському транспорті(Маглів, монорейка, метрополітен) як тягові, а також у верстатах (лазерних, водорізних, свердлильно-фрезерних) та іншому технологічному обладнанні в промисловості. Двигуни високого прискореннядуже невеликі по довжині, і зазвичай застосовуються, щоб розігнати об'єкт до високої швидкості, а потім випустити його (див. гармата Гауса). Вони часто використовуються для досліджень гіпершвидкісних зіткнень, а також в спеціальних пристроях, таких як зброя або пускові установки космічних кораблів [ яких?] .

Лінійні двигуни широко використовуються також у приводах подачі металорізальних верстатів та в робототехніці. Для підвищення точності позиціонування часто використовують лінійні датчики положення.

Джерела

Посилання

• Побудова моделі лінійного асинхронного двигуна за допомогою програми «ELCUT» та «FEMLAB»
• Сучасне програмне забезпечення для моделювання лінійних асинхронних двигунів
• Створення уточненої математичної моделі лінійного асинхронного електродвигуна

Wikimedia Foundation. 2010 .