Tekintse meg a különböző rendelkezésre álló lineáris motorokat, és hogyan válassza ki az alkalmazáshoz optimális típust.
A következő cikk áttekintést nyújt a különböző típusú lineáris motorokról, beleértve működési elveiket, az állandó mágnesek fejlesztésének történetét, a lineáris motorok tervezési módszereit és az egyes lineáris motorokat használó ipari szektorokat.
A lineáris motortechnológia lehet: Lineáris indukciós motorok (LIM) vagy állandó mágneses lineáris szinkronmotorok (PMLSM).A PMLSM lehet vasmagos vagy vas nélküli.Minden motor lapos vagy cső alakú kivitelben kapható.A Hiwin 20 éve élen jár a lineáris motorok tervezésében és gyártásában.
A lineáris motorok előnyei
A lineáris motort lineáris mozgás biztosítására használják, azaz egy adott hasznos terhet meghatározott gyorsulással, sebességgel, megtett távolsággal és pontossággal mozgatnak.A lineáris motoron kívül minden mozgástechnológia valamilyen mechanikus hajtás, amely a forgó mozgást lineáris mozgássá alakítja.Az ilyen mozgásrendszereket golyóscsavarok, szíjak vagy fogaslécek hajtják meg.Mindezen hajtások élettartama nagymértékben függ a forgó mozgást lineáris mozgássá alakító mechanikai alkatrészek kopásától, és viszonylag rövid.
A lineáris motorok fő előnye, hogy lineáris mozgást biztosítanak mechanikai rendszer nélkül, mivel a levegő az átviteli közeg, ezért a lineáris motorok lényegében súrlódásmentes hajtások, amelyek elméletileg korlátlan élettartamot biztosítanak.Mivel nem használnak mechanikus alkatrészeket lineáris mozgás létrehozásához, nagyon nagy gyorsulások lehetségesek, ahol más meghajtók, például golyóscsavarok, szíjak vagy fogasléces fogaslécek komoly korlátokba ütköznek.
Lineáris indukciós motorok
1. ábra
A lineáris indukciós motort (LIM) találták fel először (782312 számú amerikai szabadalom – Alfred Zehden 1905-ben).Ez egy „elsődleges” elemből áll, amely elektromos acél rétegelt rétegekből és több réztekercsből áll, amelyet háromfázisú feszültség táplál, valamint egy „másodlagos”, amely általában egy acéllemezből és egy réz- vagy alumíniumlemezből áll.
Amikor a primer tekercsek feszültség alá kerülnek, a szekunder mágnesezetté válik, és örvényáramok mezője képződik a szekunder vezetőben.Ez a másodlagos mező ezután kölcsönhatásba lép az elsődleges hátsó EMF-fel, és erőt generál.A mozgás iránya követi Fleming balkéz szabályát, azaz;a mozgás iránya merőleges lesz az áram irányára és a mező / fluxus irányára.
2. ábra
A lineáris indukciós motorok előnye a nagyon alacsony költség, mivel a szekunder nem használ állandó mágnest.Az NdFeB és SmCo állandó mágnesek nagyon drágák.A lineáris indukciós motorok nagyon elterjedt anyagokat (acél, alumínium, réz) használnak másodlagosként, és kiküszöbölik ezt az ellátási kockázatot.
A lineáris indukciós motorok használatának hátránya azonban az ilyen motorokhoz való meghajtók elérhetősége.Míg az állandó mágneses lineáris motorokhoz nagyon könnyű meghajtókat találni, addig a lineáris indukciós motorokhoz nagyon nehéz meghajtókat találni.
3. ábra
Állandó mágneses lineáris szinkronmotorok
A permanens mágneses lineáris szinkronmotorok (PMLSM) lényegében ugyanazokkal a primer erővel rendelkeznek, mint a lineáris indukciós motorok (azaz egy tekercskészlet, amely egy köteg elektromos acélrétegre van felszerelve, és háromfázisú feszültség hajtja meg).A másodlagos különbözik.
Az acéllemezre szerelt alumínium- vagy rézlemez helyett a szekunder acéllemezre szerelt állandó mágnesekből áll.Mindegyik mágnes mágnesezési iránya váltakozik az előzőhöz képest, ahogy az a 3. ábrán látható.
Az állandó mágnesek használatának nyilvánvaló előnye, hogy állandó mezőt hoz létre a szekunder mágnesben.Láttuk, hogy az aszinkronmotoron az elsődleges mező és a szekunder mező kölcsönhatása hoz létre erőt, amely csak azután áll rendelkezésre, hogy a szekunder mezőben örvényáram-mező keletkezett a motor légrésén keresztül.Ez „csúszásnak” nevezett késleltetést eredményez, és a szekunder mozgás nem szinkronban van a primer feszültséggel.
Emiatt az indukciós lineáris motorokat „aszinkronnak” nevezik.Állandó mágneses lineáris motoron a szekunder mozgás mindig szinkronban lesz a primer feszültséggel, mivel a szekunder tér mindig rendelkezésre áll, és késedelem nélkül.Emiatt az állandó lineáris motorokat „szinkronnak” nevezik.
Különféle típusú állandó mágnesek használhatók PMLSM-en.Az elmúlt 120 év során az egyes anyagok aránya megváltozott.A mai napig a PMLSM-ek vagy NdFeB mágneseket vagy SmCo mágneseket használnak, de túlnyomó többségük NdFeB mágneseket használ.A 4. ábra az állandó mágnesek fejlődésének történetét mutatja be.
4. ábra
A mágnes erősségét a Megagauss-Oersteds-ben (MGOe) származó energiatermék jellemzi.A nyolcvanas évek közepéig csak Steel, Ferrite és Alnico volt elérhető, és nagyon alacsony energiafogyasztású termékeket szállított.Az SmCo mágneseket az 1960-as évek elején fejlesztették ki Karl Strnat és Alden Ray munkája alapján, majd a hatvanas évek végén kereskedelmi forgalomba kerültek.
5. ábra
Az SmCo mágnesek energiaterméke kezdetben több mint kétszerese volt az Alnico mágnesek energiatermékének.1984-ben a General Motors és a Sumitomo egymástól függetlenül kifejlesztett NdFeB mágneseket, a neodínium, vas és bór vegyületét.Az SmCo és NdFeB mágnesek összehasonlítása az 5. ábrán látható.
Az NdFeB mágnesek sokkal nagyobb erőt fejtenek ki, mint az SmCo mágnesek, de sokkal érzékenyebbek a magas hőmérsékletre.Az SmCo mágnesek sokkal ellenállóbbak a korrózióval és az alacsony hőmérséklettel szemben is, de drágábbak.Amikor az üzemi hőmérséklet eléri a mágnes maximális hőmérsékletét, a mágnes demagnetizálni kezd, és ez a lemágnesezés visszafordíthatatlan.A mágnesezés elvesztése miatt a motor elveszíti erejét, és nem lesz képes megfelelni a specifikációknak.Ha a mágnes az idő 100%-ában a maximális hőmérséklet alatt működik, ereje szinte korlátlan ideig megmarad.
Az SmCo mágnesek magasabb költsége miatt az NdFeB mágnesek a megfelelő választás a legtöbb motorhoz, különösen a rendelkezésre álló nagyobb erő miatt.Azonban bizonyos alkalmazásoknál, ahol az üzemi hőmérséklet nagyon magas lehet, előnyös az SmCo mágnesek használata, hogy távol tartsák a maximális üzemi hőmérsékletet.
Lineáris motorok tervezése
A lineáris motort általában végeselemes elektromágneses szimulációval tervezik.Egy 3D-s modell készül a lamináló köteg, tekercsek, mágnesek és a mágneseket tartó acéllemez ábrázolására.A levegő modellezése a motor körül és a légrésben történik.Ezután minden alkatrészhez be kell írni az anyagok tulajdonságait: mágnesek, elektromos acél, acél, tekercsek és levegő.Ezután H vagy P elemekkel háló jön létre, és a modell megoldódik.Ezután az áramot a modell minden tekercsére alkalmazzák.
A 6. ábra egy szimuláció kimenetét mutatja, ahol a fluxus teslában van megjelenítve.A szimuláció fő kimeneti értéke természetesen a Motor erő, és elérhető lesz.Mivel a tekercsek végmenetei nem fejtenek ki erőt, lehetséges a 2D szimuláció futtatása a motor 2D-s modelljének (DXF vagy más formátum) használatával, beleértve a laminálást, a mágneseket és a mágneseket tartó acéllemezt.Egy ilyen 2D szimuláció kimenete nagyon közel áll a 3D szimulációhoz, és elég pontos ahhoz, hogy felmérje a motoros erőt.
6. ábra
A lineáris indukciós motort ugyanúgy modellezik, akár 3D, akár 2D modellen keresztül, de a megoldás bonyolultabb lesz, mint a PMLSM esetében.Ennek az az oka, hogy a PMLSM szekunder mágneses fluxusa azonnal modellezésre kerül a mágnes tulajdonságainak megadása után, ezért csak egy megoldásra lesz szükség az összes kimeneti érték, beleértve a motorerőt is, eléréséhez.
Az indukciós motor szekunder fluxusa azonban tranziens elemzést igényel (azaz egy adott időintervallumban több megoldást is), hogy a LIM szekunder mágneses fluxusa felépüljön, és csak akkor kapjuk meg az erőt.Az elektromágneses végeselem-szimulációhoz használt szoftvernek képesnek kell lennie tranziens elemzés futtatására.
Lineáris motoros fokozat
7. ábra
A Hiwin Corporation alkatrészszinten szállít lineáris motorokat.Ebben az esetben csak a lineáris motort és a szekunder modulokat szállítjuk.A PMLSM motoroknál a másodlagos modulok különböző hosszúságú acéllemezekből állnak, amelyekre állandó mágneseket szerelnek fel.A Hiwin Corporation komplett szakaszokat is szállít, amint az a 7. ábrán látható.
Egy ilyen szakasz magában foglalja a keretet, a lineáris csapágyakat, a motor primer elemét, a szekunder mágneseket, a kocsit az ügyfél számára a rakomány rögzítéséhez, a kódolót és a kábelpályát.A lineáris motoros fokozat készen áll a szállításra, és megkönnyíti az életet, mivel a vásárlónak nem kell színpadot terveznie és gyártania, amihez szakértői tudás szükséges.
Lineáris motorfokozat élettartama
A lineáris motorfokozat élettartama lényegesen hosszabb, mint a szíjjal, golyóscsavarral vagy fogasléces fogaskerékkel meghajtott fokozaté.A közvetett hajtású fokozatok mechanikai alkatrészei jellemzően az elsők, amelyek meghibásodnak a folyamatosan kitett súrlódás és kopás miatt.A lineáris motorfokozat közvetlen hajtás, mechanikai érintkezés vagy kopás nélkül, mivel az átviteli közeg levegő.Ezért a lineáris motorfokozatban csak a lineáris csapágyak vagy maga a motor hibásodhat meg.
A lineáris csapágyak jellemzően nagyon hosszú élettartamúak, mivel a radiális terhelés nagyon alacsony.A motor élettartama az átlagos működési hőmérséklettől függ.A 8. ábra a motor szigetelésének élettartamát mutatja a hőmérséklet függvényében.A szabály az, hogy az élettartam felére csökken minden 10 Celsius-foknál, amikor az üzemi hőmérséklet meghaladja a névleges hőmérsékletet.Például egy F szigetelési osztályú motor 325 000 órát fog működni 120°C átlaghőmérsékleten.
Ezért előreláthatólag a lineáris motorfokozat élettartama 50+ év lesz, ha a motort konzervatív módon választják ki, olyan élettartamot, amely soha nem érhető el szíjjal, golyóscsavarral vagy fogasléces fogasléces hajtású fokozatokkal.
8. ábra
Alkalmazások lineáris motorokhoz
A lineáris indukciós motorokat (LIM) főként olyan alkalmazásokban használják, ahol nagy az úthossz, és ahol nagyon nagy erőre van szükség nagyon nagy sebességgel kombinálva.A lineáris indukciós motor kiválasztásának oka az, hogy a szekunder költsége lényegesen alacsonyabb lesz, mint a PMLSM használata esetén, és nagyon nagy fordulatszámon a lineáris aszinkronmotor hatásfoka nagyon magas, így kevés teljesítmény veszít.
Például az EMALS (Electromagnetic Launch Systems), amelyet repülőgép-hordozókon repülőgépek indítására használnak, lineáris indukciós motorokat használnak.Az első ilyen lineáris motorrendszert a USS Gerald R. Ford repülőgép-hordozóra telepítették.A motor egy 45 000 kg-os repülőgépet 240 km/h-val képes felgyorsítani egy 91 méteres pályán.
Egy másik példa a vidámparki túrákra.Az ilyen rendszerek némelyikére beépített lineáris indukciós motorok 3 másodperc alatt képesek 0-ról 100 km/h-ra nagyon nagy hasznos terhelést felgyorsítani.A lineáris indukciós motor fokozatok RTU-kon (Robot Transport Units) is használhatók.A legtöbb RTU fogasléces hajtást használ, de a lineáris indukciós motor nagyobb teljesítményt, alacsonyabb költségeket és sokkal hosszabb élettartamot kínál.
Állandó mágneses szinkronmotorok
A PMLSM-eket általában sokkal kisebb löketekkel, kisebb sebességgel, de nagytól nagyon nagy pontosságig és intenzív munkaciklusokkal rendelkező alkalmazásokban használják.A legtöbb ilyen alkalmazás az AOI (Automated Optical Inspection), félvezető- és lézergépiparban található.
A lineáris motoros fokozatok kiválasztása (közvetlen hajtás) jelentős teljesítményelőnyöket kínál a közvetett hajtásokhoz képest (olyan fokozatok, ahol a lineáris mozgást a forgómozgás átalakításával érik el), a hosszú élettartam érdekében, és számos iparágban alkalmazhatók.
Feladás időpontja: 2023-06-06