O privire asupra diferitelor motoare liniare disponibile și cum să selectați tipul optim pentru aplicația dvs.
Următorul articol este o prezentare generală a diferitelor tipuri de motoare liniare disponibile, inclusiv principiile lor de funcționare, istoricul dezvoltării magneților permanenți, metode de proiectare pentru motoare liniare și sectoare industriale care utilizează fiecare tip de motor liniar.
Tehnologia motoarelor liniare poate fi: motoare liniare cu inducție (LIM) sau motoare sincrone liniare cu magnet permanent (PMLSM).PMLSM poate fi cu miez de fier sau fără fier.Toate motoarele sunt disponibile în configurație plată sau tubulară.Hiwin a fost în fruntea proiectării și producției de motoare liniare de 20 de ani.
Avantajele motoarelor liniare
Un motor liniar este folosit pentru a asigura o mișcare liniară, adică deplasarea unei sarcini utile date la o accelerație, viteză, distanță de parcurs și precizie dictate.Toate tehnologiile de mișcare, altele decât cele acționate de motor liniar, sunt un fel de acționare mecanică pentru a converti mișcarea rotativă în mișcare liniară.Astfel de sisteme de mișcare sunt antrenate de șuruburi cu bile, curele sau cremalieră și pinion.Durata de viață a tuturor acestor unități depinde în mare măsură de uzura componentelor mecanice utilizate pentru a transforma mișcarea rotativă în mișcare liniară și este relativ scurtă.
Principalul avantaj al motoarelor liniare este acela de a asigura o mișcare liniară fără niciun sistem mecanic, deoarece aerul este mijlocul de transmisie, prin urmare motoarele liniare sunt, în esență, antrenări fără frecare, asigurând o durată de viață nelimitată teoretic.Deoarece nu sunt folosite piese mecanice pentru a produce mișcare liniară, accelerații foarte mari sunt viteze posibile acolo unde alte mecanisme, cum ar fi șuruburi cu bile, curele sau cremalieră și pinion se vor confrunta cu limitări serioase.
Motoare liniare cu inducție
Fig 1
Motorul liniar cu inducție (LIM) a fost primul inventat (brevet american 782312 – Alfred Zehden în 1905).Este alcătuit dintr-un „primar” compus dintr-un stivă de laminate de oțel electric și o multitudine de bobine de cupru alimentate de o tensiune trifazată și un „secundar” compus în general dintr-o placă de oțel și o placă de cupru sau aluminiu.
Când bobinele primare sunt alimentate, secundarul devine magnetizat și se formează un câmp de curenți turbionari în conductorul secundar.Acest câmp secundar va interacționa apoi cu EMF din spate primar pentru a genera forță.Direcția de mișcare va urma regula stângii a lui Fleming, adică;direcția de mișcare va fi perpendiculară pe direcția curentului și direcția câmpului/fluxului.
Fig 2
Motoarele liniare cu inducție oferă avantajul unui cost foarte scăzut deoarece secundarul nu folosește niciun magnet permanenți.Magneții permanenți NdFeB și SmCo sunt foarte scumpi.Motoarele liniare cu inducție folosesc materiale foarte comune, (oțel, aluminiu, cupru), pentru secundarul lor și elimină acest risc de alimentare.
Cu toate acestea, dezavantajul utilizării motoarelor liniare cu inducție este disponibilitatea acționărilor pentru astfel de motoare.Deși este foarte ușor să găsiți unități pentru motoarele liniare cu magnet permanenți, este foarte dificil să găsiți unități pentru motoarele liniare cu inducție.
Fig 3
Motoare sincrone liniare cu magnet permanent
Motoarele sincrone liniare cu magnet permanent (PMLSM) au în esență același primar ca și motoarele liniare cu inducție (adică un set de bobine montate pe o stivă de laminate din oțel electric și conduse de o tensiune trifazată).Secundarul diferă.
În loc de o placă de aluminiu sau cupru montată pe o placă de oțel, secundarul este compus din magneți permanenți montați pe o placă de oțel.Direcția de magnetizare a fiecărui magnet va alterna față de cea precedentă, așa cum se arată în Fig. 3.
Avantajul evident al folosirii magneților permanenți este acela de a crea un câmp permanent în secundar.Am văzut că forța este generată pe un motor cu inducție prin interacțiunea câmpului primar și a câmpului secundar, care este disponibil numai după ce un câmp de curenți turbionari a fost creat în secundar prin întrefierul motorului.Acest lucru va duce la o întârziere numită „alunecare” și o mișcare a secundarului care nu este sincronizată cu tensiunea primară furnizată la primar.
Din acest motiv, motoarele liniare cu inducție sunt numite „asincrone”.Pe un motor liniar cu magnet permanent, mișcarea secundară va fi întotdeauna sincronizată cu tensiunea primară, deoarece câmpul secundar este întotdeauna disponibil și fără întârziere.Din acest motiv, motoarele liniare permanente sunt numite „sincrone”.
Pe un PMLSM pot fi utilizați diferite tipuri de magneți permanenți.În ultimii 120 de ani, raportul fiecărui material s-a schimbat.Începând de astăzi, PMLSM-urile folosesc fie magneți NdFeB, fie magneți SmCo, dar marea majoritate folosesc magneți NdFeB.Fig. 4 prezintă istoria dezvoltării magnetului permanenți.
Fig 4
Puterea magneticului este caracterizată prin produsul său energetic din Megagauss-Oersteds (MGOe).Până la mijlocul anilor optzeci erau disponibile doar oțel, ferită și alnico și livrând produse cu energie foarte scăzută.Magneții SmCo au fost dezvoltați la începutul anilor 1960 pe baza lucrărilor lui Karl Strnat și Alden Ray și ulterior comercializați la sfârșitul anilor șaizeci.
Fig 5
Produsul energetic al magneților SmCo a fost inițial mai mult decât dublu față de produsul energetic al magneților Alnico.În 1984, General Motors și Sumitomo au dezvoltat independent magneți NdFeB, un compus de neodiniu, fier și bor.O comparație a magneților SmCo și NdFeB este prezentată în Fig. 5.
Magneții NdFeB dezvoltă o forță mult mai mare decât magneții SmCo, dar sunt mult mai sensibili la temperaturi ridicate.Magneții SmCo sunt, de asemenea, mult mai rezistenți la coroziune și la temperaturi scăzute, dar sunt mai scumpi.Când temperatura de funcționare atinge temperatura maximă a magnetului, magnetul începe să se demagnetizeze, iar această demagnetizare este ireversibilă.Pierderea magnetului de magnetizare va face ca motorul să piardă forța și să nu poată îndeplini specificațiile.Dacă magnetul funcționează sub temperatura maximă 100% din timp, puterea sa va fi păstrată aproape la nesfârșit.
Datorită costului mai mare al magneților SmCo, magneții NdFeB sunt alegerea potrivită pentru majoritatea motoarelor, în special având în vedere forța mai mare disponibilă.Cu toate acestea, pentru unele aplicații în care temperatura de funcționare poate fi foarte ridicată, este de preferat să folosiți magneți SmCo pentru a sta departe de temperatura maximă de funcționare.
Proiectarea motoarelor liniare
Un motor liniar este în general proiectat prin simulare electromagnetică cu elemente finite.Un model 3D va fi creat pentru a reprezenta stiva de laminare, bobinele, magneții și placa de oțel care susține magneții.Aerul va fi modelat în jurul motorului, precum și în spațiul de aer.Apoi, proprietățile materialelor vor fi introduse pentru toate componentele: magneți, oțel electric, oțel, bobine și aer.O plasă va fi apoi creată folosind elemente H sau P și modelul va fi rezolvat.Apoi curentul este aplicat fiecărei bobine din model.
Fig. 6 arată rezultatul unei simulări în care este afișat fluxul în tesla.Valoarea principală de ieșire de interes pentru simulare este, desigur, forța motorului și va fi disponibilă.Deoarece spirele de capăt ale bobinelor nu produc nicio forță, este, de asemenea, posibilă rularea unei simulări 2D utilizând un model 2D (DXF sau alt format) al motorului, inclusiv laminate, magneți și placă de oțel care susține magneții.Ieșirea unei astfel de simulări 2D va fi foarte apropiată de simularea 3D și suficient de precisă pentru a evalua forța motorului.
Fig 6
Un motor liniar cu inducție va fi modelat în același mod, fie printr-un model 3D, fie 2D, dar rezolvarea va fi mai complicată decât pentru un PMLSM.Acest lucru se datorează faptului că fluxul magnetic al secundarului PMLSM va fi modelat instantaneu după introducerea proprietăților magneților, prin urmare va fi necesară o singură soluție pentru a obține toate valorile de ieșire, inclusiv forța motorului.
Totuși, fluxul secundar al motorului cu inducție va necesita o analiză tranzitorie (adică mai multe rezolvări la un interval de timp dat), astfel încât fluxul magnetic al secundarului LIM să poată fi construit și numai atunci să se poată obține forța.Software-ul utilizat pentru simularea cu elemente finite electromagnetice va trebui să aibă capacitatea de a rula o analiză tranzitorie.
Etapa motor liniar
Fig 7
Hiwin Corporation furnizează motoare liniare la nivel de componente.În acest caz, vor fi livrate doar motorul liniar și modulele secundare.Pentru un motor PMLSM, modulele secundare vor consta din plăci de oțel de lungimi diferite peste care vor fi asamblați magneți permanenți.Hiwin Corporation furnizează, de asemenea, trepte complete, așa cum se arată în Fig. 7.
O astfel de treaptă include un cadru, rulmenți liniari, motorul primar, magneții secundari, un cărucior pentru ca clientul să-și atașeze sarcina utilă, codificatorul și o cale de cablu.O treaptă de motor liniară va fi gata să pornească la livrare și va ușura viața, deoarece clientul nu va trebui să proiecteze și să fabrice o treaptă, care necesită cunoștințe de specialitate.
Durata de viață a treptei motorului liniar
Durata de viață a unei trepte de motor liniar este considerabil mai lungă decât a unei trepte acționate de curea, șurub cu bile sau cremalieră și pinion.Componentele mecanice ale treptelor conduse indirect sunt de obicei primele componente care se defectează din cauza frecării și uzurii la care sunt expuse continuu.O treaptă de motor liniară este o acționare directă fără contact mecanic sau uzură, deoarece mediul de transmisie este aerul.Prin urmare, singurele componente care se pot defecta pe treapta unui motor liniar sunt rulmenții liniari sau motorul însuși.
Rulmenții liniari au de obicei o durată de viață foarte lungă, deoarece sarcina radială este foarte mică.Durata de viață a motorului va depinde de temperatura medie de funcționare.Figura 8 prezintă durata de viață a izolației motorului în funcție de temperatură.Regula este că durata de viață va fi redusă la jumătate pentru fiecare 10 grade Celsius în care temperatura de funcționare este peste temperatura nominală.De exemplu, un motor Clasa de izolație F va funcționa 325.000 de ore la o temperatură medie de 120°C.
Prin urmare, se prevede că o treaptă de motor liniară va avea o durată de viață de peste 50 de ani dacă motorul este selectat în mod conservator, o durată de viață care nu poate fi atinsă niciodată de trepte antrenate de curea, șurub cu bile sau cremalieră și pinion.
Fig 8
Aplicații pentru motoare liniare
Motoarele liniare cu inducție (LIM) sunt utilizate mai ales în aplicații cu lungime mare de cursă și unde este necesară o forță foarte mare combinată cu viteze foarte mari.Motivul selectării unui motor liniar cu inducție este că costul secundar va fi considerabil mai mic decât dacă se folosește un PMLSM și la viteză foarte mare eficiența motorului liniar cu inducție este foarte mare, astfel încât se va pierde puțină putere.
De exemplu, EMALS (Electromagnetic Launch Systems), utilizate pe portavioane pentru lansarea aeronavelor folosesc motoare cu inducție liniare.Primul astfel de sistem de motor liniar a fost instalat pe portavionul USS Gerald R. Ford.Motorul poate accelera un avion de 45.000 kg cu 240 km/h pe o pistă de 91 de metri.
Un alt exemplu de plimbare cu parc de distracție.Motoarele liniare cu inducție instalate pe unele dintre aceste sisteme pot accelera sarcini utile foarte mari de la 0 la 100 km/h în 3 secunde.Etapele motorului liniar cu inducție pot fi utilizate și pe RTU-uri (Robot Transport Units).Majoritatea RTU-urilor folosesc unități cu cremalieră și pinion, dar un motor liniar cu inducție poate oferi o performanță mai mare, un cost mai mic și o durată de viață mult mai lungă.
Motoare sincrone cu magnet permanent
PMLSM-urile vor fi utilizate în mod obișnuit în aplicații cu curse mult mai mici, viteze mai mici, dar precizie mare până la foarte mare și cicluri de lucru intensive.Cele mai multe dintre aceste aplicații se găsesc în industriile AOI (Inspecție optică automată), semiconductoare și mașini cu laser.
Selecția treptelor acționate de motor liniar, (acționare directă), oferă beneficii semnificative de performanță față de acționările indirecte (etape în care mișcarea liniară este obținută prin conversia mișcării rotative), pentru proiecte de lungă durată și sunt potrivite pentru multe industrii.
Ora postării: 06-feb-2023