Поглед на различите доступне линеарне моторе и како одабрати оптимални тип за своју примену.
Следећи чланак је преглед различитих типова доступних линеарних мотора, укључујући њихове принципе рада, историју развоја перманентних магнета, методе пројектовања за линеарне моторе и индустријске секторе који користе сваки тип линеарног мотора.
Технологија линеарних мотора може бити: линеарни индукциони мотори (ЛИМ) или линеарни синхрони мотори са трајним магнетом (ПМЛСМ).ПМЛСМ може бити са гвозденим језгром или без гвожђа.Сви мотори су доступни у равној или цевастој конфигурацији.Хивин је био на челу дизајна и производње линеарних мотора већ 20 година.
Предности линеарних мотора
Линеарни мотор се користи за обезбеђивање линеарног кретања, тј. померање датог корисног терета диктираним убрзањем, брзином, растојањем и прецизношћу.Све технологије кретања осим линеарног мотора су нека врста механичког погона за претварање ротационог кретања у линеарно кретање.Такви системи кретања се покрећу кугличним завртњима, каишевима или зупчаницима.Век трајања свих ових погона у великој мери зависи од хабања механичких компоненти које се користе за претварање ротационог кретања у линеарно кретање и релативно је кратак.
Главна предност линеарних мотора је да обезбеде линеарно кретање без икаквог механичког система јер је ваздух преносни медијум, па су линеарни мотори у суштини погони без трења, обезбеђујући теоретски неограничен радни век.Пошто се не користе механички делови за производњу линеарног кретања, могућа су веома велика убрзања и брзине где ће други погони као што су куглични вијци, каишеви или летве и зупчаник наићи на озбиљна ограничења.
Линеарни индукциони мотори
Фиг. 1
Линеарни индукциони мотор (ЛИМ) је први изумљен (патент САД 782312 – Алфред Зехден 1905.).Састоји се од „примарне” састављене од гомиле електричних челичних ламинација и више бакарних калемова који се напајају трофазним напоном и „секундара” који се углавном састоји од челичне плоче и бакарне или алуминијумске плоче.
Када су примарни калемови под напоном, секундарни се магнетизују и у секундарном проводнику се формира поље вртложних струја.Ово секундарно поље ће тада ступити у интеракцију са примарним повратним ЕМФ-ом да би створило силу.Смер кретања пратиће Флемингово правило леве руке, тј.правац кретања ће бити управан на смер струје и правац поља/флукса.
Слика 2
Линеарни индукциони мотори нуде предност веома ниске цене јер секундар не користи никакве трајне магнете.НдФеБ и СмЦо трајни магнети су веома скупи.Линеарни асинхрони мотори користе веома уобичајене материјале (челик, алуминијум, бакар) за своје секундарне и елиминишу овај ризик напајања.
Међутим, недостатак коришћења линеарних индукционих мотора је доступност погона за такве моторе.Иако је веома лако пронаћи погоне за линеарне моторе са трајним магнетима, веома је тешко пронаћи погоне за линеарне индукционе моторе.
Слика 3
Линеарни синхрони мотори са сталним магнетом
Линеарни синхрони мотори са сталним магнетом (ПМЛСМ) имају у суштини исту примарну као и линеарни индукциони мотори (тј. сет намотаја постављених на гомиле електричних челичних плоча и покретаних трофазним напоном).Секундарни се разликује.
Уместо плоче од алуминијума или бакра постављене на челичну плочу, секундар се састоји од трајних магнета постављених на челичну плочу.Смер магнетизације сваког магнета ће се мењати у односу на претходни као што је приказано на слици 3.
Очигледна предност употребе трајних магнета је стварање сталног поља у секундару.Видели смо да се сила генерише на асинхроном мотору интеракцијом примарног поља и секундарног поља које је доступно само након што се поље вртложних струја створи у секундару кроз ваздушни размак мотора.Ово ће резултирати кашњењем које се назива „клизање“ и кретањем секундара који није синхронизован са примарним напоном који се доводи до примарног.
Из тог разлога, индукциони линеарни мотори се називају "асинхрони".На линеарном мотору са перманентним магнетом, секундарно кретање ће увек бити синхронизовано са примарним напоном јер је секундарно поље увек доступно и без икаквог одлагања.Из тог разлога, трајни линеарни мотори се називају „синхрони“.
На ПМЛСМ-у се могу користити различити типови трајних магнета.Током последњих 120 година, однос сваког материјала се променио.Од данас, ПМЛСМ-ови користе или НдФеБ магнете или СмЦо магнете, али велика већина користи НдФеБ магнете.Слика 4 приказује историју развоја перманентних магнета.
Слика 4
Снагу магнета карактерише његов енергетски производ у Мегагаус-Оерстедс (МГОе).До средине осамдесетих били су доступни само челик, ферит и алницо који су испоручивали веома нискоенергетске производе.СмЦо магнети су развијени раних 1960-их на основу радова Карла Стрната и Алдена Реја и касније комерцијализовани касних шездесетих.
Слика 5
Енергетски производ СмЦо магнета је у почетку био више него двоструко већи од енергетског производа Алницо магнета.Године 1984. Генерал Моторс и Сумитомо су независно развили НдФеБ магнете, једињење неодинијума, гвожђа и бора.Поређење СмЦо и НдФеБ магнета је приказано на слици 5.
НдФеБ магнети развијају много већу силу од СмЦо магнета, али су много осетљивији на високе температуре.СмЦо магнети су такође много отпорнији на корозију и ниске температуре, али су скупљи.Када радна температура достигне максималну температуру магнета, магнет почиње да се демагнетизује, а ова демагнетизација је неповратна.Магнетизација која губи магнет ће узроковати да мотор изгуби снагу и неће моћи да испуни спецификације.Ако магнет ради испод максималне температуре 100% времена, његова снага ће бити очувана скоро неограничено.
Због веће цене СмЦо магнета, НдФеБ магнети су прави избор за већину мотора, посебно с обзиром на већу расположиву силу.Међутим, за неке апликације где радна температура може бити веома висока, пожељно је користити СмЦо магнете да бисте се држали даље од максималне радне температуре.
Дизајн линеарних мотора
Линеарни мотор је генерално дизајниран путем електромагнетне симулације коначних елемената.Биће креиран 3Д модел који ће представљати слој ламинације, калемове, магнете и челичну плочу која подржава магнете.Ваздух ће бити моделован око мотора као и у ваздушном простору.Затим ће се унети својства материјала за све компоненте: магнете, електрични челик, челик, калемове и ваздух.Затим ће се креирати мрежа помоћу Х или П елемената и модел ће бити решен.Затим се струја примењује на сваки калем у моделу.
Слика 6 приказује излаз симулације где је приказан флукс у тесли.Главна излазна вредност од интереса за симулацију је, наравно, снага мотора и биће доступна.Пошто крајњи завоји калемова не производе никакву силу, такође је могуће покренути 2Д симулацију коришћењем 2Д модела (ДКСФ или други формат) мотора укључујући ламинације, магнете и челичну плочу која подржава магнете.Резултат такве 2Д симулације биће веома близак 3Д симулацији и довољно прецизан да процени снагу мотора.
Слика 6
Линеарни индукциони мотор ће се моделовати на исти начин, било преко 3Д или 2Д модела, али ће решавање бити компликованије него за ПМЛСМ.То је зато што ће магнетни флукс ПМЛСМ секундара бити моделиран одмах након уношења својстава магнета, стога ће бити потребно само једно решење да би се добиле све излазне вредности укључујући снагу мотора.
Међутим, секундарни флукс асинхроног мотора ће захтевати анализу транзијента (што значи неколико решења у датом временском интервалу) тако да се може изградити магнетни флукс секундара ЛИМ-а и тек онда добити сила.Софтвер који се користи за симулацију електромагнетних коначних елемената мораће да има могућност да покрене анализу транзијента.
Степен линеарног мотора
Слика 7
Хивин Цорпоратион испоручује линеарне моторе на нивоу компоненти.У овом случају ће бити испоручени само линеарни мотор и секундарни модули.За ПМЛСМ мотор, секундарни модули ће се састојати од челичних плоча различитих дужина на којима ће се монтирати трајни магнети.Хивин Цорпоратион такође испоручује комплетне фазе као што је приказано на слици 7.
Таква фаза укључује оквир, линеарне лежајеве, примарни мотор, секундарне магнете, колица за купца за причвршћивање свог терета, енкодер и кабловску стазу.Степен са линеарним мотором ће бити спреман за покретање по испоруци и олакшати живот јер купац неће морати да пројектује и производи степен, што захтева стручно знање.
Радни век степена линеарног мотора
Радни век степена линеарног мотора је знатно дужи од степена који се покреће ременом, кугличним завртњем или зупчаником.Механичке компоненте степена са индиректним погоном су обично прве компоненте које покваре због трења и хабања којима су стално изложени.Степен линеарног мотора је директан погон без механичког контакта или хабања јер је преносни медијум ваздух.Према томе, једине компоненте које могу да покваре на степену линеарног мотора су линеарни лежајеви или сам мотор.
Линеарни лежајеви обично имају веома дуг радни век јер је радијално оптерећење веома мало.Век трајања мотора зависиће од просечне радне температуре.Слика 8 приказује век трајања изолације мотора у функцији температуре.Правило је да ће радни век бити преполовљен за сваких 10 степени Целзијуса да је радна температура изнад номиналне температуре.На пример, класа изолације мотора Ф ће радити 325.000 сати на просечној температури од 120°Ц.
Стога је предвиђено да ће степен линеарног мотора имати радни век од 50+ година ако је мотор изабран конзервативно, радни век који се никада не може постићи помоћу степена са ременом, кугличним завртњем или зупчастим зупчаником.
Слика 8
Апликације за линеарне моторе
Линеарни индукциони мотори (ЛИМ) се углавном користе у апликацијама са великом дужином путовања и где је потребна веома велика сила у комбинацији са веома великим брзинама.Разлог за одабир линеарног индукционог мотора је тај што ће цена секундарног мотора бити знатно нижа него ако се користи ПМЛСМ, а при веома великој брзини ефикасност линеарног индукционог мотора је веома висока, тако да ће се изгубити мало енергије.
На пример, ЕМАЛС (електромагнетни системи за лансирање), који се користе на носачима авиона за лансирање авиона, користе линеарне индукционе моторе.Први такав систем линеарних мотора уграђен је на носач авиона УСС Гералд Р. Форд.Мотор може да убрза авион од 45.000 кг при 240 км/х на стази од 91 метар.
Још један пример вожње у забавном парку.Линеарни асинхрони мотори инсталирани на неким од ових система могу убрзати веома велике носивости од 0 до 100 км/х за 3 секунде.Степени линеарног индукционог мотора се такође могу користити на РТУ-овима (Робот Транспорт Унитс).Већина РТУ-ова користи погоне са зупчаником, али линеарни индукциони мотор може понудити веће перформансе, нижу цену и много дужи радни век.
Синхрони мотори са сталним магнетом
ПМЛСМ ће се обично користити на апликацијама са много мањим ходом, нижим брзинама, али са високом до веома високом прецизношћу и интензивним радним циклусима.Већина ових примена налази се у АОИ (аутоматизована оптичка инспекција), индустрији полупроводника и ласерских машина.
Избор степена са линеарним мотором (директан погон) нуди значајне предности у односу на индиректне погоне (степени где се линеарно кретање добија претварањем ротационог кретања), за дуготрајне дизајне и погодни су за многе индустрије.
Време поста: Феб-06-2023